DE2906215C2 - Verfahren zur Herstellung einer ggf. Strecköle enthaltenden Kautschuk-Füllstoff-Mischung - Google Patents
Verfahren zur Herstellung einer ggf. Strecköle enthaltenden Kautschuk-Füllstoff-MischungInfo
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Description
Durch die Mitverwendung von Füllstoffen in Kautschukmischungen kann man bekanntermaßen die
Verarbeitbarkeit der Rohmischungen wesentlich beeinflussen und die Eigenschaften der Vulkanisate den
Verwendungszwecken anpassen.
Je nach dem Einfluß der Füllstoffzusätze auf die Rohmischung und die mechanischen Eigenschaften der
Vulkanisate werden die Füllstoffe nach dem Grad ihrer Aktivität häufig in hochaktive, aktive, halbaktive und
inaktive Füllstoffe eingeteilt. Hochaktive und aktive Füllstoffe werden auch Verstärkerfüllstoffe genannt.
Neben den Rußen besitzen helle Füllstoffe, vornehmlich die auf Kieselsäurebasis, als Verstärkerfüllstoffe
technische Bedeutung. Während Ruß von Hause aus eine gewisse Affinität zu organischen Kautschuktypen
aufweist, ist dies bei hellen Füllstoffen, insbesondere hellen Verstärkerfüllstoffen auf Kieselsäurebasis, nicht
der Fall, so daß ihr Einmischen und vor allem ihre gleichmäßige Verteilung im Kautschuk beträchtliche
Probleme mit sich bringen.
Dies trifft besonders für die Verfahren zu, bei denen der helle Verstärkerfüllstoff mit Hilfe eines in der
kautschukverarbeitenden Industrie üblichen Mischaggregats (Walze, Kneter) in den Kautschuk eingearbeitet
wird.
Um die Affinität zwischen solchen Füllstoffen und Kautschuk zu erhöhen und damit gegebenenfalls die
Mischzeiten zu verkürzen, setzt man häufig gemeinsam mit den Füllstoffen polare organische Verbindungen ein,
die mit ihrem hydrophilen Teil an Füllstoffe absorbiert werden können und die Füllstoffteilchen dadurch
lyophiler machen. Substanzen dieser Art sind z. B. Stearinsäure oder Benzoesäure. Trotz dieser Hilfsmittel
birgt ein Mischverfahren auf der Walze oder im Kneter immer noch die Gefahr in sich, daß durch den relativ
lang dauernden Mischvorgang die Kautschukkomponente irreversibel geschädigt wird.
Es hat somit nicht an Versuchen gefehlt, für die Kautschukkomponente schonendere Verfahren zur
Herstellung von Kautschuk-Füllstoff-Mischungen, vornehmlich von hellen Verstärkerfüllstoffen und speziell
Kieselsäure enthaltenden Kautschuk-Füllstoff-Mischungen zu entwickeln.
So sind eine Reihe von Verfahren bekannt, bei denen die Kautschuk-Kieselsäure-Mischung durch gemeinsame
Fällung von Kautschukdispersionen und Alkalisilikatlösungen hergestellt wird. Man geht dabei von
Emulgatoren enthaltenden Mischungen aus Kautrchukdispersionen und Alkalisilikat aus und erzielt die Fällung
unter Einhaltung spezifischer Bedingungen durch Zugabe von Säuren in Gegenwart oder Abwesenheit
von Elektrolyten (DE-PS 11 48 067,11 84 491,12 04 405,
12 15 918 und 12 97 858). Die Nachteile dieser Verfahren liegen einmal in der nicht ausreichend steuerbaren
Struktur der bei dem gemeinsamen Fällvorgang erhaltenen Kieselsäure im Kautschuk und damit in der
nicht ausreichend reproduzierbaren Konstanz der Eigenschaften der so erhaltenen Kautschuk-Kieselsäure-Mischungen
und zum anderen in dem relativ großen Verlust ungebundener Kieselsäure, die mit dem
Restserum des eingesetzten Kautschuklatex anfällt und nicht wieder verwendet werden kann.
Weiterhin ist bekannt, Kautschuk-Kieselsäure-Mischungen
dadurch herzustellen, daß man Kautschukdispersionen mit Kieselsäuredispersionen in Gegenwart
von quaternären Ammoniumsalzen mit einem Stickstoff atom vermischt und aus den Mischungen durch Zugabe
von Säuren und/oder Salzen die Kautschuk-Kieselsäure-Mischungen ausfällt (DE-PS 12 24 481). Dieses
Verfahren ermöglicht es zwar, eine Kieselsäure definierter Struktur in den Kautschuk einzuarbeiten,
aber es ist immer noch mit dem Mangel behaftet, daß ein zu großer Teil der angebotenen Kieselsäure nicht vom
Kautschuk aufgenommen wird und damit entweder eine kostspielige Rückgewinnung erforderlich macht oder
aber ungenutzt die Abwässer belastet
Aufgabe der Erfindung war es daher, ein Verfahren zur Herstellung von Kautschuk-Füllstoff-Mischungen
mit einem Füllstoff auf Kieselsäurebasis zu entwickeln, bei dem der angebotene Füllstoff mit definierter
Struktur in einfacher und wirtschaftlicher Weise weitgehend in den Kautschuk eingearbeitet werden
kann.
Diese Aufgabe wurde nun durch das in den Ansprüchen beschriebene Verfahren gelöst
Unter Kautschuklatices werden im Rahmen dieser Erfindung Dispersionen aus Homo- und Mischpolymerisaten von konjugierten Dienen verstanden, wie sie durch radikalische Polymerisation unter Verwendung eines seifenartigen Ernulgators nach bekannten Verfahren des Standes der Technik hergestellt werden können (siehe z. B. Houben — Weyl, Methoden der organischen Chemie, Band XIV/1 [1961], »Herstellung von Kautschuken«, Seite 712 ff; Ullmanns Enzyklopädie der technischen Chemie, 9. Band [1957], Seiten 325 bis 339, sowie DE-PS 6 79 587, 8 73 747 und 1130 597). Als konjugierte Diene kommen dabei Butadien-(13), Isopren, Piperylen, 2-Chlorbutadien-(l,3), 2-Methylbutadien-(l,3) und 2,3-Dichlorbutadien-(l,3) und 2,3-Dimethylbutadien-(l,3) in Frage. Die Mischpolymerisate können sowohl aus Mischungen dieser konjugierten Diene als auch aus Mischungen dieser konjugierten Diene mit Vinylverbindungen, wie z. B. Styrol, «-Methylstyrol, Acrylnitril, Acrylsäure, Methacrylsäure und Vinylpyridin hergestellt werden. Bevorzugt wird beim
Unter Kautschuklatices werden im Rahmen dieser Erfindung Dispersionen aus Homo- und Mischpolymerisaten von konjugierten Dienen verstanden, wie sie durch radikalische Polymerisation unter Verwendung eines seifenartigen Ernulgators nach bekannten Verfahren des Standes der Technik hergestellt werden können (siehe z. B. Houben — Weyl, Methoden der organischen Chemie, Band XIV/1 [1961], »Herstellung von Kautschuken«, Seite 712 ff; Ullmanns Enzyklopädie der technischen Chemie, 9. Band [1957], Seiten 325 bis 339, sowie DE-PS 6 79 587, 8 73 747 und 1130 597). Als konjugierte Diene kommen dabei Butadien-(13), Isopren, Piperylen, 2-Chlorbutadien-(l,3), 2-Methylbutadien-(l,3) und 2,3-Dichlorbutadien-(l,3) und 2,3-Dimethylbutadien-(l,3) in Frage. Die Mischpolymerisate können sowohl aus Mischungen dieser konjugierten Diene als auch aus Mischungen dieser konjugierten Diene mit Vinylverbindungen, wie z. B. Styrol, «-Methylstyrol, Acrylnitril, Acrylsäure, Methacrylsäure und Vinylpyridin hergestellt werden. Bevorzugt wird beim
erfindungsgemäßen Verfahren ein Sryrol-Butadien-Latex
mit einem Styrolanteil von 15 bis 50 Gewichtsprozent,
vorzugsweise von 20 bis 40 Gewichtsprozent, eingesetzt Der Feststoffgehalt der Latices beträgt im
allgemeinen 15 bis 50 Gewichtsprozent, vorzugsweise 20 bis 30 Gewichtsprozent
Die für das Verfahren geeigneten Latices müssen ein anionenaktives Emulgatorsystem enthalten, das nur im
alkalischen pH-Bereich beständig ist und seine emulgierende Wirkung beim Obergang in den sauren
pH-Bereich verliert
Das Emulgatorsystem soll ganz oder teilweise aus
Alkalisalzen, gelöst in Wasser, vorzugsweise Natriumsalzen von Harzsäuren wie z. B. von Abkömmlingen der
Lävopimar-, Pimar- und Abietinsäure, bestehen. Gemisehe
solcher geeigneter Harzseifen oder Harzsäuren sind handelsüblich und aus Wurzelhai-zen, Balsamharzen
und/oder Tallharzen durch Disproportionierung herstellbar. Die Harzsäurensalze können zum Teil
(üblicherweise bis zu 50%), aber auch ganz durch Salze der Fettsäuren mit 12 bis 20 C-Atomen ersetzt sein (z. B.
Salze der Palmitinsäure, Stearinsäure, Oleinsäure oder deren Gemische). Es sind ebenso Emulgatorsystem
bekannt in denen rein synthetische Verbindungen, wie Alkylsulfonat Arylalkylsulfonate und Arylalkylcarbonsäuresalze
überwiegen. Mit Verbindungen der zuletzt angeführten chemischen Konstitution waren vor allem
zu Beginn der Entwicklung der Emulsionspolymerisation Latices von Emulsionspolymerisaten hergestellt
worden.
Zur Herstellung der wäßrigen Suspension eines Füllstoffes auf Kieselsäurebasis kommt in erster Linie
weitgehend kristallisiertes, teilweise hydratisiertes Siliciumdioxid
— auch oft als Kieselsäure bezeichnet — in Frage. Es kann sowohl auf pyrogenem als auch auf
naßchemischem Weg gewonnen werden (s. S. Boström, Kautschuk-Handbuch, 2. Band [I960], Seite 250, und
Ulimanns Enzyklopädie der technischen Chemie, 15. Band [1964], Seiten 721/22). Neben Siliciumdioxid
können bei dem erfindungsgemäßen Verfahren auch natürliche und synthetische Silikate, wie Calciumsilikat
und Aluminiumsilikat (s. S. Boström, Kautschuk-Handbuch, 2. Band [1960J Seite 249) eingesetzt werden. Auch
ist es möglich, andere Füllstoffe, z. B. nicht helle Füllstoffe, wie Ruße, und helle, nicht verstärkende
Füllstoffe, wie Kreide, Kalk und Zinkoxid, in begrenzten Mengen einzusetzen, ohne daß die Vorteile des
erfindungsgemäßen Verfahrens beeinträchtigt werden.
Die verwendeten Füllstoffe haben im allgemeinen eine spezifische Oberfläche, gemessen nach
ASTM D 3037, bis zu 500 m2/g, vorzugsweise 50 bis 250 mVg, und eine Teilchengröße kleiner als 100 nm,
vorzugsweise von 10 bis 50 nm.
Bei der Herstellung der Füllstoffsuspension geht man zweckmäßigerweise so vor, daß man den Füllstoff
zusammen mit der vorgesehenen Menge des Copolymerisate aus Acrylamid und Dimethylaminoethylmethacrylat
(nachfolgend auch kurz Copolymerisat genannt) in eine solche Menge Wasser gibt, daß eine Suspension mit
einer Füllstoffkonzentration von 20 bis 500 g/l, Vorzugsweise 200 bis 250 g/l, entsteht. Natürlich ist es auch
möglich, zunächst den Füllstoff in Wasser aufzuschlämmen und dann das verfahrenskritische Copolymerisat
zuzusetzen oder den Füllstoff in eine wäßrige Lösung oder Suspension des Copolymerisats einzurühren.
Bevorzugt arbeitet man bei einer Temperatur von 50 bis 8O0C.
Gemäß dem Hauptanspruch der vorliegenden Erfindung wird das Copolymerisat aus Acrylamid und
Dimethylaminoethylmethacrylat in einer Menge von 0,1 bis 5 Gewichtsprozent, bezogen auf den Füllstoff,
eingesetzt Bevorzugt ist eine Menge von 0,5 bis 2,0 Gewichtsprozent
Das Copolymerisat kann nach bekannten Verfahren des Standes der Technik durch radikalische Polymerisation
der Monomeren Acrylamid und Dimethylaminoethylmethacrylat mittels Azobisisobuttersäurenitril hergestellt
werden, z. B. nach dem in der DE-PS 10 37 125 beschriebenen Verfahren. Der Anteil der beiden
Monomeren im Copolymerisat kann dabei beliebig variiert werden. Beim erfindungsgemäßen Verfahren
wird jedoch vorzugsweise ein Copolymerisat mit 5 bis 95 Gewichtsprozent Acrylamid und besonders bevorzugt
ein solches mit 40 bis 80 Gewichtsprozent Acrylamid eingesetzt
Das Copolymerisat kann beim erfindungsgemäßen Verfahren sowohl in der festen, wasserlöslichen Form
als auch in Form einer Emulsion, z. B. hergestellt nach dem Verfahren der DE-AS 2154 081, eingesetzt
werden. Bevorzugt kommt es jedoch als Wasser-Öl-Emulsion, hergestellt nach dem Verfahren der DE-OS
22 26 143 ( = US-PS 38 26 771), zum Einsatz.
Die Herstellung des homogenen Gemisches aus Kautschuk-Latex und Füllstoff-Suspension unter Verwendung
der verfahrenskritischen Menge des Copolymerisats aus Acrylamid und Dimethylaminoethylmethacrylat
wird zweckm&ßigerweise in einem handelsüblichen Mischaggregat, wie Mehrkomponentendüse,
Mischsirene, schnell laufendem Rührwerk, vorgenommen. Sofern es beabsichtigt ist, Strecköle enthaltende
Kautschuk-Füllstoff-Mischungen herzustellen, werden die als Weichmacher für Kautschuk bekannten Öle
vorzugsweise an dieser Stelle in einer Menge bis zu 50 Gewichtsteilen, bezogen auf 100 Gewichtsteile Kautschukfeststoff,
zugemischt. Sie können natürlich auch bereits vorher dem Kautschuklatex zugegeben worden
sein.
Nach der Homogenisierung des Gemisches wird die gegebenenfalls Strecköle enthaltende Kautschuk-Füllstoff-Mischung
durch Zugabe einer solchen Brönsted-Säure, die den Kautschuk nicht angreift, gefällt.
Geeignete Säuren sind z. B. verdünnte Schwefelsäure, Salzsäure oder Phosphorsäure, wobei verdünnte
Schwefelsäure bevorzugt ist. Bei der Fällung können zusätzlich zu der Säure auch Elektrolyte, wie z. B.
Natriumchlorid, Kalium-Aluminiumsulfat oder andere Flockungsmittel, wie Polyglykole und Polyamine,
zugesetzt werden (vgl. Houben —Weyl, Methoden der
organischen Chemie, Band XIV/1 [19611 Seite 480 ff.).
Die Fällung wird zweckmäßigerweise bei Temperaturen unterhalb des Siedepunktes des Wassers vorgenommen,
z.B. innerhalb des Bereiches von 70 bis 95°C, vorzugsweise 80 bis 900C.
Die Durchführung der Fällung bei Überdruck ist möglich, aber nicht verfahrenskritisch.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann sowohl kontinuierlich als auch diskontinuierlich durchgeführt
werden.
Nach der Fällung fällt die Kautschuk-Füllstoff-Mischung
als feinkörnige Suspension (Durchmesser der Teilchen: 0,1 bis 2 mm, gemessen durch Siebanalyse
nach ASTM D1514) an und kann zunächst durch Absieben, Filtern, Dekantieren oder Zentrifugieren von
der Hauptmenge Wasser abgetrennt werden. Das verbleibende Oberflächenwasser (Wasser, das an der
Oberfläche der Kautschuk-Füllstoff-Teilchen haftet)
wird anschließend durch Abquetschen oder Auspressen in Filterpressen oder Schneckenpressen entfernt Durch
eine nachgeschaltete thermische Trocknung (heiße Umluft oder Infrarotstrahlung) wird schließlich das
restliche Wasser soweit entfernt, wie es die jeweilige Weiterbehandlung der Kautschuk-rüllstoff-Mischung
fordert.
Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbaren
Kautschuk-Füllstoff-Mischungen eignen sich zur Herstellung von Gummiartikeln, die nicht schwarz sein
sollen oder bei denen spezifische Eigenschaften der Kieselsäure-Kautscbuk-Mischung von Vorteilen sind,
z. B. bei Bodenbelägen, Gummisohlen und Weißwänden oder Laufflächen von Reifen.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird durch die nachfolgenden Beispiele und Vergleichsbeispiele näher
erläutert.
Alle Prozentangaben sind — soweit nicht anders angegeben — Gewichtsprozente.
Beispiele 1 bis 6
und Vergleichsbeispiele A bis E
und Vergleichsbeispiele A bis E
a) Kautschuk-Latices
Als Kautschuk-Latex wurde in den Beispielen 1 bis 4 und den Vergleichsbeispielen A bis D ein Butadien-Styrol-Latex
mit -25 Gewichtsprozent Feststoffgehalt, hergestellt durch Emulsionspolymerisation bei +50C
mit Hilfe eines anionenaktiven Emulgators auf Basis Harzsäure-Fettsäure, verwendet. Die Molekülgröße der
Latexteilchen beträgt nach Mooney-Einheiten (ASTM D 1646) ML1+4(ioo°c) = 30.
Bei den Beispielen 5 und 6 sowie dem Vergleichsbeispiel E wurde ein entsprechender Latex mit einem
M Li +4(ioo°c) = 110 eingesetzt.
b) Füllstoff-Suspension
Jeweils 300 g der in der Tabelle angegebenen Füllstoffart wurden in 2 1 Wasser aufgeschlämmt und
unttr Rühren auf 80 bis 85° C erwärmt Die Füllstoffsuspension
wurde dann bei den Beispielen 1 bis 6 mit jeweils 900 ml einer 0,5gewichtsprozen>igen Lösung des
Copolymerisats aus Acrylamid und Dimethylaminoethylmethacrylat,
vorgewärmt auf 80 bis 85° C, unter Rühren ίο vermischt
c) Kautschuk-Füllstoff-Mischung
Jeweils 2 kg der unter a) beschriebenen Lances —
erwärmt auf 80 bis 85° C gemäß b) — wurden mit einer Füllstoff-Suspension, und zwar bei den Beispielen 1 bis 6
unter Zusatz des erfindungsgemäßen Copolymerisats und bei den Vergleichsbeispielen A bis E ohne diesen
Zusatz, in 51 Wasser von 80 bis 85° C intensiv eingerührt Danach wurde mit 20gewichtsprozentiger
Schwefelsäure auf einen pH-Wert von 3 bis 3,5 eingestellt Nach weiteren 10 Minuten Rühren wurde die
gefällte Kautschuk-Füllstoff-Mischung dekantiert, mit 2x101 Wasser neutral gewaschen und dann abfiltriert
und getrocknet
Die Ergebnisse zeigt die nachfolgende Tabelle. Aus dieser geht auch hervor, daß bei den Beispielen 4 bis 6
und den Vergleichsbeispielen D und E noch zusätzlich ein handelsübliches hocharomatisches Strecköl und
gegebenenfalls feinteiliger Ruß (SAF) zugesetzt wurden. Diese Zusatzstoffe wurden folgendermaßen eingebracht:
Das öl wurde in der angegebenen Menge dem Latex zugegeben und darin emulgiert Der Ruß wurde
als 7gewichtsprozentige wäßrige Suspension — vorgewärmt auf 80 bis 850C — gleichzeitig mit der
J5 Füllstoff-Suspension gemäß b) mit dem Kautschuk-Latex
wie unter c) angegeben vermischt
Beispiel bzw. Vergleichs- Beispiel Nr. |
Einsalzstoffe vor Koagulation in (%) Latex- Heller Art des hellen Feststoff Füllstoff Füllstoffs |
37,5 | Kieselsäure1) | Öl | Ruß (N-IlO) |
Erhaltene Asche (%) ber. |
Kautschuk-Füllstoff-Mischung Heller Füllstoff (%) gef. eingebaut Verlust |
12,0 | 88,0 |
A | 62,5 | 37,5 | Kieselsäure') | — | _ | 37,5 | 4,5 | 99,2 | 0,8 |
1 | 02,5 | 37,5 | Kieselsäure2) | - | - | 37,5 | 37,2 | 17,9 | 82,1 |
B | 62,5 | 37,5 | Kieselsäure2) | - | - | 37,5 | 6,7 | 99,2 | 0,8 |
2 | 62,5 | 37,5 | Al-Silikat3) | - | - | 37,5 | 37,2 | 28,8 | 71,2 |
C | 62,5 | ■ 375 | Al-Silikat3) | - | - | 37,5 | 10,8 | 98,t | 1,6 |
3 | 62,5 | 33,7 | Kieselsäure') | - | - | 37,5 | 36,0 | 21,7 | 78,3 |
D | 48,2 | 33,7 | Kieselsäure1) | 18,1 | - | 33,7 | 7,3 | 100,0 | - |
4 | 48,2 | 29,6 | Kieselsäure1) | 18,1 | - | 33,7 | 33,7 | 97,3 | 2,7 |
5 | 49,4 | 29,6 | Kieselsäure2) | 18,5 | 2,5 | 29,6 | 28,8 | 35,1 | 64,9 |
E | 49,4 | 29,6 | Kieselsäure2) | 18,5 | 2,5 | 29,6 | 10,3 | 98,0 | 2,0 |
6 | 49,4 | 18,5 | 2,5 | 29,6 | 29,0 |
') = Spez. Oberfläche 130 m2/g (BET-Methode).
2) = Spez. Oberfläche 210 m2/g (BET-Methode).
3) = Spez. Oberfläche 60 m2/g (BET-Methode).
Claims (4)
1. Verfahren zur Herstellung einer gegebenenfalls Strecköle enthaltenden Kautschuk-Füllstoff-Mischung
durch gemeinsame Fällung eines homogenen Gemisches aus einem Latex eines synthetischen
Dienkautschuks, der durch Emulsionspolymerisation unter Verwendung eines anionenaktiven Emulgatorsystems
hergestellt worden ist, und der wäßrigen Suspension eines Füllstoffes auf Kieselsäurebasis mit
Hilfe von Säuren sowie gegebenenfalls von Elektrolyten und/oder anderen Flockungsmitteln, Abtrennung
und Trocknung der Mischung, dadurch
gekennzeichnet, daß die Füllstoffsuspension 0,1 bis 5 Gewichtsprozent, bezogen auf den Füllstoff,
eines Copolymerisats aus Acrylamid und Dimethylaminoethylmethacrylat enthält
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Copolymerisat 5 bis 95 Gewichtsprozent
Acrylamid enthält
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Copolymerisat 40 bis 80 Gewichtsprozent
Acrylamid enthält.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man das Copolymerisat als Wasser-in-Öl-Emulsion
der Kieseisäuresuspension zusetzt.
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