DE3529109A1 - Oligosulfandiessigsaeure-bis-(5-(beta-trialkoxysilylethyl) -norborn-2(3)-yl)-ester und diese und strukturverwandte, oligomere siloxane enthaltende gemische - Google Patents

Oligosulfandiessigsaeure-bis-(5-(beta-trialkoxysilylethyl) -norborn-2(3)-yl)-ester und diese und strukturverwandte, oligomere siloxane enthaltende gemische

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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
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Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung von Haftvermittlern in einem Verfahren zur Herstellung einer in der Hitze vulkanisierbaren Masse, die durch die folgenden Merkmale charakterisiert ist:
- Siebesteht aus einer Kautschukkomponente, aktivem, verstärkendem Füllstoff, einer wirksamen Menge eines Vulkanisationsmittels und üblichen Zusatzstoffen.
- Das Vulkanisationsmittel ist ein Vulkanisationssystem, das Schwefel in Kombination mit den üblichen Beschleunigern enthält.
- Die Kautschukkomponente besteht aus einem oder mehreren, olefinisch ungesättigten Kautschuken, die zur Vulkanisation mit dem Vulkanisationsmittel befähigt sind.
Das Verfahren zur Herstellung der in der Hitze vulkanisierbaren Masse ist durch die folgenden Merkmale charakterisiert:
- In der ersten Stufe wird eine Grundmischung (Vorbatch) durch Heißmischen der Komponenten mit Ausnahme des Vulkanisationsmittels bei größer 130°C in einem Kneter (Innenmischer) hergestellt.
- In der zweiten Stufe wird das Vulkanisationsmittel bei kleiner 100°C, insbesondere bei kleiner/gleich 70°C, d. h. im allgemeinen weit unterhalb der Anspringtemperatur des Vulkanisationsmittels, beispielsweise auf einer Walze, zugemischt (Warmmischen).
Die bisher wichtigsten, aktiven, verstärkenden Füllstoffe sind Reifenruße. Man hat versucht, diese teilweise oder vollständig durch andere aktive, verstärkende Füllstoffe, insbesondere hochdisperse Kieselsäuren und Silikate, zu ersetzen. Dabei erwies es sich als notwendig, diese mit Haftvermittlern zu behandeln (beschichten). Diese sollen einerseits Gruppen aufweisen, die zur Bildung einer stabilen chemischen Bindung mit der Füllstoffoberfläche in der Lage sind (Siloxanbindung). Sie sollen andererseits Gruppen aufweisen, die bei der Vulkanisation zur Bildung einer stabilen chemischen Bindung mit der Kautschukkomponente in der Lage sind (Schwefelbrücken). Sie sollen somit die Herstellung von Vulkanisaten ermöglichen, die einen guten Füllstoff/ Kautschuk-Verbund aufweisen.
Ein bekannter Haftvermittler ist Gamma-Mercaptopropyltriethoxysilan. Nachteilig ist die bei seiner Handhabung auftretende Geruchsbelästigung (Flüchtigkeit). Ein weiterer Nachteil ist die Tatsache, daß bei der Weiterverarbeitung einer vulkanisierbaren Masse, welche einen mit diesem Haftvermittler behandelten Füllstoff enthält, vorzeitige Vulkanisation (Beeinträchtigung des Fließverhaltens, scorch) auftreten kann.
Man ist daher dazu übergegangen, Haftvermittler einzusetzen, die diese Nachteile überwinden und durch die folgende Formel charakterisiert sind:
(C2H5O)3Si-CH2CH2CH2-S x - CH2CH2CH2-Si(OC2H-5)3
x ist die durch Elementaranalysen bestimmte, mittlere Zahl der S-Atome, bezogen auf zwei Si-Atome (DE-PS 27 12 866). x ist bei einem handelsüblichen Haftvermittler ungefähr 4 ("Tetrasulfan").
Der Haftvermittler wird in der Regel in der ersten Verfahrensstufe zugemischt. Er kann auch in der zweiten Verfahrensstufe und zwar vor der Zugabe des Vulkanisationsmittels zugemischt werden.
Mit den Haftvermittlern des zuletzt geschilderten Standes der Technik erhaltene, vulkanisierbare Massen zeigen in Einzelfällen eine signifikante Verminderung der Vulkanisationsgeschwindigkeit im Vergleich zu einer vulkanisierbaren Masse, welche ohne Haftvermittler erhalten ist (Blindversuch).
Die Aufgabe der Erfindung ist es, Haftvermittler bereitzustellen, mit denen dieser Nachteil überwunden werden kann. Sie sollen bei der Handhabung keinen Anlaß zur Geruchsbelästigung geben. Bei der Weiterverarbeitung der vulkanisierbaren Masse soll kein scorch auftreten. Die anwendungstechnischen Eigenschaften der Vulkanisate sollen den Anforderungen der Praxis entsprechen.
Die Aufgabe wurde in überraschender Weise wie in den Patentansprüchen angegeben gelöst.
Der Ester der Formel II ist neu. Er kann aus 5-Vinylnorborn-2-en, welches im Handel erhältlich ist, in einem zweistufigen Verfahren hergestellt werden.
In der ersten Stufe erfolgt die selektive Anlagerung von Chloressigsäure an die endocyclische Doppelbindung unter Bildung eines Isomeren gemisches (Chloressigsäure-[5-vinylnorborn-2(3)-yl]-ester). Dieses ist neu.
In der zweiten Stufe erfolgt die Anlagerung von Trichlorsilan an die Doppelbindung der Vinylgruppe unter Bildung des Esters der Formel II (vgl. DE-PS 26 02 171 wegen der analogen Anlagerung von Trichlorsilan an Vinylbenzylchlorid).
Es ergibt sich folgendes Reaktionsschema:
Wegen der Struktur der im Merkmal b.3 angegebenen Nebenprodukte siehe W. Noll, Chemie und Technologie der Silikone, Verlag Chemie (1968), Seite 71 ff.
Die im Merkmal c.1 angegebene, zweite Verfahrensstufe ist grundsätzlich bekannt (Analogieverfahren, DE-PS 27 12 866).
Der Ester der allgemeinen Formel I kann analog Merkmal c.1 und entsprechend Merkmal c.2 erhalten werden. Anstatt des im Merkmal c.1 angegebenen und in der ersten Verfahrensstufe gemäß Merkmal b.3 erhaltenen Reaktionsproduktes (Gemisches) wird der Ester der allgemeinen Formel III, der aus dem Gemisch (Rohprodukt) durch Destillation unter vermindertem Druck erhalten wird, eingesetzt.
Der Ester der allgemeinen Formel III kann auch direkt durch Anlagerung eines Trialkoxysilans an die Doppelbindung der Vinylgruppe erhalten werden.
Geeignete Kautschuke in den vulkanisierbaren Massen sind beispielsweise NBR, NR, 1,4-cis-IR, BR, SBR, EPDM, IIR (IISRP) und Polyalkenylen- Kautschuke, wie Polypentenylen-, Polyoctenylen- und Polydodecenylen-Kautschuk.
Als Zusatzstoff in den vulkanisierbaren Massen können die in der Kautschuktechnik üblichen Weichmacheröle eingesetzt werden. Bevorzugt sind aromatische, aliphatische und naphthenische Kohlenwasserstoffe. Sie können in üblichen Mengen zugesetzt werden.
Als Zusatzstoff können auch weiter übliche Hilfsmittel, wie beispielsweise Zinkoxid, Stearinsäure, Harzsäure, Alterungsschutzmittel und Ozonschutzwachse, in üblichen Mengen zugesetzt werden.
Der aktive, verstärkende Füllstoff besteht in der Regel aus größer/ gleich 10, insbesondere größer/gleich 30 Massen-% eines hochdispersen Füllstoffs aus der Gruppe der Kieselsäuren, Silikate und ihrer Gemische, der mit dem Haftvermittler in Gegenwart der Kautschukkomponente (in situ) behandelt (beschichtet) ist, und kleiner/gleich 90, insbesondere kleiner/gleich 70 Massen-% anderen aktiven verstärkenden Füllstoffen (Haftvermittler + Kieselsäuren und/oder Silikate = Menge des in situ behandelten Füllstoffs).
Die Oberfläche des Füllstoffs vor der Behandlung ist in der Regel 30 bis 500, insbesondere 35 bis 300 m2/g, bestimmt durch Stickstoffadsorption nach BET.
Die Menge des Haftvermittlers ist in der Regel 2 bis 20, insbesondere 4 bis 15 Massen-%, bezogen auf den unbehandelten Füllstoff (Kieselsäuren, Silikate).
Der Haftvermittler kann in der ersten Verfahrensstufe zugemischt werden.
In der Regel wird er in der zweiten Verfahrensstufe und zwar vor der Zugabe des Vulkanisationsmittels zugemischt.
Man kann auch einen Teil der erforderlichen Menge des Haftvermittlers, beispielsweise 40 bis 80 Massen-%, in der ersten und den restlichen Teil in der zweiten Verfahrensstufe zumischen.
Die Erfindung wird durch die folgenden Herstellungsvorschriften und anwendungstechnischen Beispiele erläutert.
In den Herstellungsvorschriften bedeuten Prozent (%) Massenprozent, M die relative Molekülmasse und n die zahlenmittlere, relative Molekülmasse. Die Molekülmassen werden dampfdruckosmometrisch bestimmt.
In den Beispielen bedeuten Teile (T.) Massenteile. Die nicht erfindungsgemäßen Vergleichsbeispiele, vulkanisierbaren Massen (Compounds) und Vulkanisate (Probekörper) werden mit großen Buchstaben bezeichnet.
Herstellung von Chloressigsäure-[5-vinylnorborn-2(3)-yl]-ester
In einem 3-Halskolben mit Innenthermometer, Rührer und Rückflußkühler wurden unter trockenem Stickstoff 720 g 5-Vinylnorborn-2-en gaschromatographische Reinheit größer/gleich 98%) und 842 g Chloressigsäure unter Zusatz von 4,8 g 2.2′-Methylen-bis-(6-tert.butyl-4-methylphenol) auf 140°C erhitzt, wobei die leicht exotherme Reaktion einsetzte. Die Temperatur des Reaktionsgemisches wurde noch zwei Stunden auf 140°C gehalten, nach dem Abkühlen die überschüssige Chloressigsäure durch Lösen in Wasser abgetrennt und die organische Phase mit wäßriger Natriumbicarbonat-Lösung und Wasser neutral gewaschen. Nach dem Trocknen über Calciumchlorid ergab die Destillation im Vakuum 928 g (72% der Theorie) einer farblosen Flüssigkeit (n : 1,4951). Die angegebene Struktur (Isomerengemisch) wurde durch NMR- und GC-Analysen bestätigt.
Herstellung von Chloressigsäure-[5-(Beta-trimethoxysilylethyl)- norborn-2(3)-yl)ester
214 g Chloressigsäure-[5-vinylnorborn-2(3)-yl]-ester wurden unter Zusatz von 400 mg Phenothiazin und einer Lösung von 200 mg Hexachlor- platinwasserstoffsäure in 10 cm3 Tetrahydrofuran in einem 3-Halskolben mit Innenthermometer, Rührer, Rückflußkühler und Tropftrichter unter trockenem Stickstoff auf 80°C erwärmt und anschließend 110 cm3 Trichlorsilan innerhalb von 30 Minuten zugetropft, wobei die Temperatur der exothermen Reaktion durch Kühlung auf 80°C gehalten wurde. Nach der vollständigen Zugabe des Trichlorsilans wurde das Reaktionsgemisch noch 1,5 Stunden auf 80°C gehalten. Danach wurden leichtflüchtige Anteile im Vakuum abdestilliert.
Das erhaltene Reaktionsprodukt (Chloressigsäure-[5-(Beta-trichlorsilylethyl) norborn-2(3)-yl]-ester) wurde über einen Tropftrichter unter trockenem Stickstoff einem stark gerührten Gemisch aus 1 l Methanol und 60 cm3 Triethylamin zugesetzt. Die Temperatur der Vorlage wurde dabei durch Kühlung zwischen 10 bis 15°C gehalten. Gleichzeitig wurden weitere 478 cm3 Triethylamin zugetropft, so daß die Zugabe beider Flüssigkeiten gleichzeitig nach ca. 30 Minuten beendet war. Das ausgefallene Salz (Aminhydrochlorid) wurde abgesaugt und mit trockenem Toluol gewaschen. Das Filtrat wurde nach Abdestillieren des Methanols am Rotationsverdampfer mit 400 cm3 trockenem Toluol versetzt, das ausgefallene Salz abgesaugt, mit Toluol gewaschen und das Filtrat vom Toluol befreit. Es wurden 299 g (89% der Theorie) eines Rohproduktes (n : 1,4720; M: 360) erhalten, das nach Destillation im Vakuum 265 g (79% der Theorie) einer farblosen Flüssigkeit (n : 1,4700; M: 350) ergab. Die angegebene Stuktur (Isomerengemisch) wurde durch NMR- und GC-Analysen bestätigt.
Herstellung von Chloressigsäure-[Beta-(triethoxysilylethyl)- norborn-2(3)-yl]-ester
Die vorstehende Vorschrift wurde in der Weise abgeändert, daß das Methanol durch Ethanol ersetzt wurde. Es wurden 306 g (81% der Theorie) eines Rohproduktes (n : 1,4649; M: 420) erhalten, das nach Destillation im Vakuum 254 g (67% der Theorie) einer farblosen Flüssigkeit (n : 1,4628; M: 390) ergab.
Herstellung der Haftvermittler der Erfindung Herstellung von Oligosulfandiessigsäure-bis-[5-(Beta-trimethoxysilylethyl)- norborn-2(3)-yl]-ester, Haftvermittler 1
In einen Rührreaktor wurden unter einer Schutzatmosphäre von trockenem Stickstoff 200 cm3 trockenes Methanol und dann 4,8 g Natrium gegeben. Zur erhaltenen Natriummethylatlösung wurde ein Gemisch aus 11,7 g feinteiligem Natriumhydrogensulfid und 20 g feinteiligem Schwefel gegeben. Zur soerhaltenen, orangeroten Reagenslösung wurden langsam und unter Kühlung 135 g Chloressigsäure-[5-(Beta-trimethoxysilylethyl)- norborn-2(3)-yl]ester gegeben (Reaktionstemperatur 50 bis 60°C). Das Reaktionsgemisch wurde nach 2 h unter Rückfluß erhitzt. Das ausgefallene Natriumchlorid wurde abgetrennt und mit Methanol gewaschen. Die vereinigten Filtrate wurden im Rotationsverdampfer unter vermindertem Druck vom Methanol befreit. Ausbeute: 136 g eines orangefarbenen, flüssigen Reaktionsproduktes (n : 1,5098; n: 700; 13,9% S; 7,9% Si; im Mittel 3,1 S-Atome/2 Si-Atome). Die angegebene Struktur wurde durch IR- und NMR-Analysen bestätigt.
Herstellung von Oligosulfandiessigsäure-bis-[5-(Beta-triethoxysilylethyl)- norborn-2(3)-yl]-ester, Haftvermittler 2
Die Vorschrift zur Herstellung des Haftvermittlers 1 wurde in der Weise abgewandelt, daß statt Methanol Ethanol und statt der 135 g Chloressigsäure-[5-(Beta-trimethoxysilylethyl)-norborn-2(3)-yl]-ester 151 g Chloressigsäure-[5-(Beta-triethoxysilylethyl)-norborn- 2(3)-yl]-ester eingesetzt wurden. Ausbeute: 147 g eines orangefarbenen, flüssigen Reaktionsproduktes (n : 1,5000; n: 790; 12,9% S; 7,35% Si; im Mittel 3,1 S-Atome/2 Si-Atome). Die angegebene Struktur wurde durch IR- und NMR-Analysen bestätigt.
Herstellung eines Gemisches aus Oligosulfandiessigsäure-bis-[5-(Beta- trimethoxysilylethyl)-norborn-2(3)-yl]-ester und strukturverwandten, oligomeren Siloxanen, Haftvermittler 3
Die Vorschrift zur Herstellung des Haftvermittlers 1 wurde in der Weise abgewandelt, daß statt Chloressigsäure-[5-(Beta-trimethoxysilylethyl)- norborn-2(3)-yl]-ester die gleiche Menge des Rohproduktes (Gemisch aus Chloressigsäure-[5-(Beta-trimethoxysilylethyl)-norborn- 2(3)-yl]-ester und oligomeren Siloxanen eingesetzt wurde. Ausbeute: 132 g eines orangefarbenen, flüssigen Reaktionsproduktes (n : 1,5103; n: 790; 14,1% S; 9,5% Si; im Mittel 2,6 S-Atome/2 Si-Atome).
Herstellung des Compounds
In einem Innenmischer wurden zunächst die Grundmischungen gemäß den folgenden Rezepturen hergestellt. Dabei stieg die Temperatur jeweils bis ca. 140°C (erste Verfahrensstufe). Auf der Walze wurde dann bei ca. 50°C das Vulkanisationsmittel oder zunächst der Haftvermittler und dann das Vulkanisationsmittel zugemischt (zweite Verfahrensstufe).
Beispiel 1(Compound 1)
Rezeptur der Grundmischung (1. Verfahrensstufe):
NBR [Massenverhältnis der zugrundeliegenden Monomeren Acrylnitril]
1,3-Butadien: 28/72; Warmpolymerisat;
Mooney-Viskosität (ML 1+4, 100°C, DIN 53 523) : 65]100 T.Stearinsäure2 T.Zinkoxid7 T.
hochdisperse, gefällte Kieselsäure (Oberfläche: 170 m2/g,60 T.
bestimmt durch Stickstoffadsorption nach BET)
Haftvermittler 12 T.handelsübliches Dispergiermittel5 T.Cumronharz6 T.Dioctylphthalat12 T.
Vulkanisationsmittel (2. Verfahrenstufe):Dibenzothiazyldisulfid1 T.Diphenylguanidin1 T.Tetramethylthiurammonosulfid0,8 T.Schwefel2,5 T.
Beispiel 2 (Compound 2)
Das Beispiel 1 wurde in der Weise abgewandelt, daß der Haftvermittler 1 nicht in der ersten sondern in der zweiten Verfahrensstufe und zwar vor dem Vulkanisationsmittel zugemischt wurde.
Beispiel A (Compound A)
Das Beispiel 1 wurde in der Weise abgewandelt, daß anstelle des Haftvermittlers 1 der Haftvermittler des Standes der Technik (Tetrasulfan) eingesetzt wurde.
Beispiel B (Compound B)
Das Beispiel 2 wurde in der Weise abgewandelt, daß anstelle des Haftvermittlers 1 das Tetrasulfan eingesetzt wurde.
Beispiel C (Compound C, Blindversuch)
Das Beispiel 1 wurde in der Weise abgewandelt, daß der Haftvermittler 1 weggelassen wurde.
Prüfung der Vulkanisationsgeschwindigkeit der Compounds
Die Vulkanisationsgeschwindigkeit der Compounds wurde mit einem Zwick-Schwingelastrometer bei 160°C und einer Verformungsamplitude von 1° und 3 Schwingungen pro Minute bestimmt.
Tabelle 1: Vulkanisationsgeschwindigkeit der Compounds
Die Compounds 1 und 2 mit dem Haftvermittler 1 der Erfindung weisen eine deutlich höhere Vulkanisationsgeschwindigkeit auf als die Compounds A und B mit dem Haftvermittler des Standes der Technik (Tetrasulfan).
Zu ähnlichen Ergebnissen gelangt man, wenn man bei der Herstellung der Compounds anstelle des Haftvermittlers 1 den Haftvermittler 2 oder 3 einsetzt.
Herstellung und Prüfung der vulkanisierten Probekörper
Aus den Compounds 1, 2 und A bis C wurden in einer Presse bei 160°C die Probekörper 1, 2 und A bis C erhalten (Zeit [min]: 6, 9, 12, 13 bzw. 6).
Sie wurden wie in Tabelle 2 angegeben charakterisiert (Dicke der entsprechend den Normen geschnittenen Prüfkörper: 4 mm).
Tabelle 2: Anwendungstechnische Eigenschaften der vulkanisierten Probekörper
Die Probekörper 1 und 2 mit dem Haftvermittler 1 der Erfindung ergeben günstigere Prüfwerte als die Probekörper A und B mit dem Haftvermittler des Standes der Technik (Tetrasulfan).
Zu ähnlichen Ergebnissen gelangt man, wenn man bei der Herstellung der den Probekörpern 1 und 2 zugrundeliegenden Compounds 1 und 2 anstelle des Haftvermittlers 1 den Haftvermittler 2 oder 3 einsetzt.

Claims (4)

1. Oligosulfandiessigsäure-bis-[5-(Beta-trialkoxysilylethyl)- norborn-2(3)-yl]-ester der allgemeinen Formel I (Oligosulfid), in welcher R Methyl- oder Ethylreste, die gleich oder verschieden sein können, und x im Mittel 2 bis 6 bedeuten (x ist die durch Elementaranalysen bestimmte, mittlere Zahl der S-Atome, bezogen auf zwei Si-Atome).
2. Oligosulfid nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch das folgende Merkmal:
a x ist im Mittel 2.5 bis 5.
3. Gemisch aus einem Oligosulfandiessigsäure-bis-[5-(Beta- trialkoxysilylethyl)-norbon-2(3)-yl]-ester und strukturverwandten, oligomeren Siloxanen, welches durch ein Verfahren mit den folgenden Merkmalen erhältlich ist:
b.1 in der ersten Stufe wird Chloressigsäure-[5-(Beta-trichlorsilylethyl)- norborn-2(3)-yl]-ester der Formel II in Gegenwart eines aliphatischen, tertiären Amins mit Methanol und/oder Ethanol umgesetzt (Alkoholyse);
b.2 das gebildete Aminhydrochlorid und das Lösemittel werden abgetrennt;
b.3 das Reaktionsprodukt ist ein Gemisch aus einem Chloressigsäure- [5-(Beta-trialkoxysilylethyl)-norborn-2(3)-yl]-ester der allgemeinen Formel III in welcher R Methyl- oder Ethylreste, die gleich oder verschieden sein können, bedeutet (Hauptprodukt), und oligomeren Kondensationsprodukten (Siloxane);
c.1 in der zweiten Stufe wird das erhaltene Reaktionsprodukt unter Luft- und Feuchtigkeitsausschluß mit einem Reagens umgesetzt, das aus Natriummethylat und/oder -ethylat, feinteiligem Natriumhydrogensulfid und feinteiligem Schwefel in Methanol und/oder Ethanol erhalten ist;
c.2 das gebildete Natriumchlorid und das Lösemittel werden abgetrennt;
c.3 das Verfahrenserzeugnis ist dadurch charakterisiert, daß die durch Elementaranalysen bestimmte, mittlere Zahl der S-Atome, bezogen auf zwei Si-Atome, 2 bis 6 ist.
4. Gemisch nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch das folgende Merkmal:
d das Verfahrenserzeugnis ist dadurch charakterisiert, daß die mittlere Zahl der S-Atome, bezogen auf zwei Si-Atome, 2.5 bis 5 ist.
DE19853529109 1985-02-08 1985-08-14 Oligosulfandiessigsaeure-bis-(5-(beta-trialkoxysilylethyl) -norborn-2(3)-yl)-ester und diese und strukturverwandte, oligomere siloxane enthaltende gemische Withdrawn DE3529109A1 (de)

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