DE3542919A1 - Treibmittelzusammensetzung und diese enthaltende gasexpandierbare polymerzusammensetzung - Google Patents
Treibmittelzusammensetzung und diese enthaltende gasexpandierbare polymerzusammensetzungInfo
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Description
3 5 U 2 9 1
on ι (.
Beschreibung
Die Erfindung bezieht sich auf eine verbesserte Nitroharnstoffverbindung,
die sich als Treibmitte!zusammensetzung eignet, sowie auf deren Herstellung und Anwendung.
Bei der Herstellung von expandiertem Material, wie geschäumtem Polymermaterial, wird das jeweilige Polymermaterial
üblicherweise mit einem Treibmittel, wie Azodicarbonamid, vermischt. Die Anforderungen an die Leistungsfähigkeit
solcher Treibmittel werden immer höher und kritischer, zumal Veränderungen in der Zusammensetzung der Treibmittel
signifikante Einflüsse auf das Endprodukt haben können. Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung eines neuen
Treibmittels, das sich gegenüber den bekannten Treibmitteln durch eine bessere Leistung auszeichnet.
Diese Aufgabe wird nun erfindungsgemäß durch eine neue Verbindung gelöst, die aus einem Zinksalz von Nitroharnstoff
besteht. Diese neue Verbindung läßt sich entweder direkt als Treibmittel oder auch als Teil einer Treibmittelzusammensetzung
verwenden, um hierdurch gasexpandierbare Polymere zu blähen oder zu expandieren, wie
Polyethylen, Polyvinylchlorid und natürliche oder synthetische Kautschuke. Die neue Verbindung eignet sich insbesondere
zur Expansion von Siliconelastomeren.
Siliconkautschuke lassen sich bisher nur schwierig unter Erzielung zufriedenstellender Ergebnisse expandieren.
Es sind bereits die verschiedensten Verfahren zur Herstellung von Nitroharnstoff bekannt. Ein solches Verfahren
wird beispielsweise in US-PS 2 311 784 beschrieben. Zinksalze von Nitroharnstoff werden darin jedoch nirgends
erwähnt.
3 6016
In dem Artikel New Blowing Agents for Foaming Plastics
von Reed in British Plastics, Oktober 1960, wird über die Anwendung von Nitroharnstoff als Treibmittel berichtet.
Der Einsatz eines Zinksalzes von Nitroharnstoff wird darin jedoch nirgends angesprochen.
In DE-PS 11 09 876 werden bestimmte Nitroharnstoffderivate
beschrieben, die als Treibmittel Verwendung finden. Die Anwendung von Zinksalzen von Nitroharnstoff wird darin
jedoch weder erwähnt, noch hierdurch nahegelegt.
Die erfindungsgemäßen Zusammensetzungen lassen sich ganz allgemein zum Verschäumen irgendeines gasexpandierbaren
Polymermaterials verwenden, und zwar vor allem von Polymermaterial, das zu einem normalerweise festen Zustand härten
kann und bei der Verarbeitungstemperatur oder durch die bei der Verarbeitung angewandte abgeschlossene Vorrichtung
über eine solche Konsistenz und Festigkeit verfügt, daß das Gas zurückgehalten und eine zellulare Struktür
im expandierten Produkt beibehalten wird. Die Verarbeitungstemperatur hängt von einer Reihe Faktoren ab, wie
der Art des Polymermaterials und seinen viskoelastisehen
Eigenschaften, der angewandten Formvorrichtung und der Art des gewünschten Endprodukts. Die besten Ergebnisse
lassen sich im allgemeinen dann erzielen, wenn das zu expandierende Polymermaterial über eine so hohe Konsistenz
und Zugfestigkeit verfügt, daß die einzelnen Mikroporen an Gas als diskrete Zellen erhalten bleiben und so eine
Koaleszenz zu einer unerwünschten groben Zellstruktur verhindert wird. Dies läßt sich im Falle warmhärtender
Harze im allgemeinen erreichen, indem man das Ausmaß und den Zustand der Härtung so einstellt, daß die jeweilige
Zusammensetzung bei der Temperatur der Gasbildung über die gewünschte Viskosität und Festigkeit verfügt. Im Falle
thermoplastischer Harze läßt sich die gewünschte Konsistenz und Festigkeit im allgemeinen erreichen, indem man die Temperatur
bis zur Erzielung der geeigneten Viskosität einstellt. Die Temperatur der Gasbildung ist abhängig von
3542319
4 6016
der jeweils verwendeten Treibmittelzusammensetzung und wird in Abhängigkeit von dem zu expandierenden Polymeren
ausgewählt.
Als warmhärtende Polymermaterialien lassen sich alle Kautschukarten verwenden, die zu einem festen Zustand
härtbar oder vulkanisierbar sind, wie Naturkautschuk oder synthetische kautschukartige Polymere, die aus Diolefinen,
wie Butadien oder Isopren, oder ihren Copolymeren mit
Styrol, Acrylnitril und dergleichen hergestellt werden, Butylkautschuk, polymerisierte Halogendiolefine, wie
Neopren und dergleichen, oder auch Ethylen-Propylen-Copolymerisate
und elastomere Terpolymerisate aus Ethylen, Propylen und nichtkonjugierten Dienen oder
Siliconkautschuke. Zu thermoplastischen Polymeren, die unter Verwendung der erfindungsgemäßen Treibmittel
expandiert werden können, gehören Polyethylen, Polypropylen, Polystyrole, Polyvinylchlorid, Polyamide, Styrol-Acrylnitril-Polymere,
Polyacrylate und dergleichen.
Die Treibmittelzusammensetzungen werden mechanisch mit den Polymermaterialien gewünschtenfalls unter Zusatz
anderer herkömmlicher Hilfsstoffe, Füllstoffe, Weichmacher,
Stabilisatoren und dergleichen vermischt, bevor man das Gemisch auf Temperaturen erhitzt, bei denen es
zu einer Zersetzung des Treibmittels kommt. Die im Polymeren vorhandene Menge an Treibmittel kann zwischen etwa
0,5 und 20 % schwanken, wobei die jeweils angewandte Treibmittelmenge abhängig ist von der jeweils gewünschten
3Q Dichte und Anwendung des herzustellenden geschäumten
Polymermaterials. Gewöhnlich sind Treibmittelmengen von 0,1 bis 15 % ausreichend, wobei normalerweise Treibmittelmengen
von 1,0 bis 10 % angewandt werden.
Die neue Nitroharnstoffverbindung wird erfindungsgemäß
hergestellt, indem man Nitroharnstoff mit Zinkoxid umsetzt. Hierzu geht man normalerweise wie folgt vor:
5 6016
Man suspendiert zuerst praktisch stöchiometrische Mengen
an Zinkoxid und Nitroharnstoff in einer geeigneten Menge
an Wasser bei Raumtemperatur. Das Ganze wird dann während etwa 30 Minuten bis zu 4 Stunden gerührt, wobei sich normalerweise
eine exotherme Reaktion beobachten läßt. Sodann wird das Reaktionsprodukt von der Suspension abfiltriert,
mit Wasser gewaschen und getrocknet. Wahlweise kann man das Zinkoxid und den Nitroharnstoff auch in ein Polymeres
einmischen und einarbeiten und diese Zusammensetzung dann
als Treibmittelzusammensetzung verwenden.
Eine weitere Ausfuhrungsform der Erfindung besteht in einem
Gemisch aus Azodicarbonamid und dem oben erwähnten Zinksalz von Nitroharnstoff oder in einem Gemisch aus Nitroharnstoff
und Zinkoxid. Wird die erfindungsgemäße Verbindung in einer Treibmittelzusammensetzung verwendet, die Azodicarbonamid
enthält, dann wirkt sie gleichzeitig auch als Aktivator.
Treibmittelzusammensetzungen, bei denen von den erfindungsgemäßen neuen Verbindungen Gebrauch gemacht wird, werden
in den folgenden Beispielen beschrieben. Durch diese Beispiele werden spezielle Ausführungsformen der Erfindung
erläutert, ohne daß hierdurch ihr Schützumfang eingeschränkt werden soll.
Herstellung eines Zinksalzes von Nitroharnstoff
(a) Herstellung von Harnstoffnitrat
Ein 2000 ml fassender Dreihalskolben, der mit einem mechanischen Rührer und einem Thermometer ausgerüstet ist, wird
mit 1500 ml Eisessig versetzt. Hierauf stellt man den Rührer an und gibt auf einmal 112,5 g Harnstoff zu. Nach
Auflösung des gesamten Harnstoffes setzt man während einer Zeitdauer von 5 Minuten allmählich 180 ml konzentrierte
Salpetersäure zu. Hierdurch komir.t es praktisch unmittelbar
6 6016
zur Bildung von Kristallen. Die Temperatur des Kolbeninhalts
wird mit einem Wasserbad auf 250C gehalten. Das Peaktionsgemisch
wird über Nacht weiter gerührt. Das angefallene weiße kristalline Produkt wird durch Filtration auf einer
Sinterglasnutsche gesammelt, und der erhaltene Filterkuchen wird mehrmals mit getrennten Anteilen an Benzol (insgesamt
300 ml) gewaschen. Das Produkt wird dann an der Luft bei Raumtemperatur getrocknet. Hierdurch erhält man 218,6 g
Produkt, was einer Ausbeute von 94 % der Theorie entspricht. Dieses Produkt schmilzt bei 159°C.
(b) Herstellung von Nitroharnstoff
Ein 3000 ml fassender Dreihalskolben, der mit einem mechanischen Rührer, einem Heizmantel und einem Thermometer ausgerüstet
ist, wird mit 2000 g (1905 ml) Eisessig und mit 200 g Essigsäureanhydrid beschickt. Das Gemisch wird unter
Rühren auf 630C erwärmt. Sodann entfernt man den Heizmantel
und versetzt das Reaktionsgemisch auf einmal mit 20 0 g Harnstoffnitrat. Hierdurch fällt die Temperatur des Reaktionsgemisches
auf 58°C ab, bleibt jedoch während des anschließenden
30 Minuten langen Rührens des Gemisches ständig bei 57 bis 58°C. Während dieser Zeitdauer geht der
suspendierte Feststoff allmählich in Lösung, so daß schließlich eine klare Lösung gebildet wird. Sodann wird
das Reaktionsgemisch kurzzeitig erhitzt (auf 650C), worauf
man den Heizmantel wiederum entfernt. Hierauf läßt man das Reaktionsgemisch unter weiterem Rühren über Nacht abkühlen.
Sodann wird das Gemisch auf 14°C abgekühlt (mit einem Eis-
3Q Wasser-Bad), und das dabei angefallene kristalline Produkt
wird durch Filtration auf einer Sinterglasnutsche gesammelt. Das Produkt wird zuerst dreimal mit jeweils 100 ml Benzol
und dann mit 100 ml Hexan gewaschen. Hierauf gibt man das Material auf ein Trocknungspapier und läßt es über Nacht
stehen. Auf diese Weise erhält man 136,3 g des gewünschten Nitroharnstoffs, was einer Ausbeute von etwa 80 % der
Theorie entpricht. Diese Verbindung schmilzt bei 144 bis
145°C.
7 6016
(c) Herstellung des Zinksalzes von Nitroharnstoff
Ein 500 ml fassender Dreihalskolben, der mit einem mechanischen
Rührer und einem Thermometer ausgerüstet ist, wird 5
bei Raumtemperatur mit 105 g Nitroharnstoff, 200 ml Wasser
und 4 0,7 g Zinkoxid beschickt. Die erhaltene Suspension wird 1 Stunde gerührt, wobei die Temperatur von 240C auf
300C ansteigt. Der nach Filtration der Suspension erhaltene
Niederschlag wird zweimal mit kaltem Wasser gewaschen, worauf man das Gemisch über Nacht bei 6O0C in einem Ofen
trocknet.Auf diese Weise gelangt man zu 102 g des gewünschten Produkts, das sich bei einer Temperatur von
125°C zersetzt.
In diesem Beispiel unterzieht man das Zinksalz von Beispiel 1 sowie Gemische hiervon mit Azodicarbonamid einer
Beurteilung bezüglich der Eignung als Treibmittel. In der folgenden Tabelle I sind die Zersetzungspunkte und
die in einer Gasbürette gemessenen Mengen an Gasentwicklung für die angegebenen Treibmittel, deren Mengen jeweils
auf Gewichtsteile gezogen sind, angeführt.
Versuch | 1 | AZ | ZSN | Zersetzungspunkt | Gasentwicklung |
Nr. | 2 | (°C) | (ml/g) | ||
3 | 1,0 | 0 | 218 | 205 | |
4 | 0,9 | 0,1 | 122 | 161 | |
5 | 0,5 | 0,5 | 124 | 180 | |
0,35 | 0,65 | 125 | 195 | ||
0 | 1,0 | 122 | 20 4 |
6016
Bemerkungen:
AZ = Azodicarbonamid ZSN = Erfindungsgemäßes Zinksalz von Nitroharnstoff
Versuch 1 = Außerhalb der Erfindung
Die obigen Daten zeigen, daß die Anwendung von nur 10 % ZSN eine Erniedrigung der Zersetzungstemperatur von Azodicarbonamid
von über 2000C auf 122°C ergibt.
Dieses Beispiel zeigt, daß sich die Gasentwicklung in Bezug auf ihr Ausmaß und ihre Geschwindigkeit durch Verwendung
bestimmter erfindungsgemäßer Zusammensetzungen beschleunigen läßt. Dieses Verhalten geht aus der folgenden
Tabelle II hervor.
1,0 0,95 0,95 0,95 |
Nitroharn- stoff (g) |
05 035 |
Tabelle | II | Gasentwicklung (ml/σ) Zeit bis zu 90% |
2 7 min 1 4 min 1 0 min |
|
Bemerkungen: | o, 0, |
ZSN (g) |
ZnO (g) |
Keines 30 193 195 |
|||
Versuch AZ Nr. (g) |
|||||||
6 7 8 9 |
|||||||
0,05 | 0,015 | ||||||
Alle Versuche werden bei 155°C durchgeführt. Die obigen Daten zeigen, daß sich nicht nur eine Erniedrigung der
Zersetzungstemperatur von Azodicarbonamid ergibt, sondern daß es hierdurch auch zu einer beachtlichen Beschleunigung
der Gasentwicklung kommt.
9 6016
1 Beispiel 4
Bei diesem Beispiel werden bestimmte erfindungsgemäße Treibmittelzusammensetzungen bezüglich ihres Verhaltens
bei der Expansion von Siliconkautschuk untersucht. Hierzu geht man wie folgt vor:
Man gibt Treibmittel und Härter zu dem auf einem Walzenstuhl befindlichen Elastomeren, wobei das Walzwerk auf
einer Temperatur von etwa 38°C gehalten wird. Nach gründlicher Durchmischung zieht man die kompoundierte Masse
vom Walzenstuhl als etwa 0,64 cm starkes Walzfell ab. Hierauf wird das Walzfell zuerst 15 Minuten bei 1500C und dann
4 Stunden bei 2050C preßgehärtet, worauf man den erhaltenen
geschäumten Siliconkautschuk auf Raumtemperatur abkühlt und untersucht.Die dabei verwendete Rezeptur (in
Gewichtsteilen angegeben) und die hiermit erhaltenen Ergebnisse gehen aus der folgenden Tabelle III hervor.
Siliconkautschuk Härter 1 Härter 2
25 Nukleierungsmittel ZSN
Dichte in g/cm3 Dichteverringerung in
30 Bemerkungen:
Härter 1: 2,4-Dichlorbenzoylperoxid
Härter 2: Dicumylperoxid
Nukleierungsmittel: Diatomeenerde
Nukleierungsmittel: Diatomeenerde
Tabelle III | 100 | 2 |
1, | 5 | |
2, | 0 | |
3, | 0 | |
2, | 87 | |
o, | ||
19 | ||
in % | ||
35A2919
6016
1 Beispiel 5
Unter Verwendung des obigen Zinksalzes von Nitroharnstoff
(ZSN) expandiert man Polyethylen, indem man Niederdruckpolyethylen (Polyethylen niedriger Dichte) zuerst mit den
Treibmittelzusammensetzungen trocken vermischt und die erhaltenen Mischungen dann mit einem Brabender-Extruder
bei 25 upm durch ein kreisförmiges Mundstück (Temperatur 19O0C, Durchmesser 0,64 cm) verschäumt. Die Zusammensetzung
der hierzu verwendeten Mischungen und die mit ihnen erhaltenen Ergebnisse gehen aus der folgenden Tabelle IV hervor.
15 Versuch Nr.
12
Polyethylen | 100 | 100 | 100 |
Azodicarbonamid | 0,95 | 1,0 | |
ZSN | 1,0 | 0,05 | |
20 Schaumdichte in g/cm3 | 0,765 | 0,558 | 0,7 |
25 30 35
Claims (3)
- 35429136016 1Uniroyal Chemical Company, Inc., Middlebury, CT, V.St.A.Treibmittelzusammensetzung und diese enthaltende gasexpandierbare PolymerzusammensetzungPatentansprüche1 . Treibmittelzusammensetzung, dadurch g e k e η η zeichnet , daß diese Zusammensetzung ausgewählt ist aus einem Zinksalz von Nitroharnstoff und/oder einem Gemisch aus Nitroharnstoff und Zinkoxid und/oder einem Gemisch aus Azodicarbonamid und einen; Zinksalz von Nitroharnstof f und/oder einem Gemisch aus Azodicarbonamid, Nitroharnstoff und Zinkoxid.
- 2. Gasexpandierbare Polymerzusammensetzung, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein gasexpandierbares Polymeres und eine wirksame Menge der Treibmittelzusammensetzungvon Anspruch 1 enthält. t
- 3. Zusammensetzung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Polymere ein Elastomeres oder thermoplastisches Polymeres ist.
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