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Gebiet
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Die
Erfindung betrifft EPDM- und EPR-basierte Kautschukzusammensetzungen,
die mit Peroxid zusammen mit einer spezifizierten Kombination von
Schwefel- und Acrylat-Coagentien vulkanisiert werden. Die Erfindung
betrifft weiter Gegenstände,
die wenigstens eine Komponente daraus aufweisen.
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Hintergrund
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Verschiedene
industrielle Produkte werden hergestellt, die wenigstens eine Komponente
als eine Kautschukzusammensetzung aufweisen, welche auf einem EPDM-
oder EPR-Kautschuk basiert ist.
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Manchmal
ist es erwünscht,
die Aushärteeffizienz
für die
Peroxidaushärtung
einer EPDM-basierten oder EPR- basierten
Kautschukzusammensetzung zu verbessern, nämlich ein schnelleres Aushärtesystem
für eine
Verringerung der Aushärtezeit
zu verschaffen, einhergehend mit einer geeigneten Verarbeitungssicherheit,
oder Verarbeitung ohne Erzeugung anvulkanisierten Kautschuks.
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In
der Praxis werden Kautschukzusammensetzungen auf Basis von EPDM
(Ethylen-Propylen-nichtkonjugiertes Dien-Terpolymer-Elastomere), sowie Kautschukzusammensetzungen
auf Basis von gummiartigem Ethylen-Propylenpolymer (EPR) oft mit Peroxidaushärtemitteln
und manchmal mit einer Kombination von Peroxid und einem Coagens,
wie beispielsweise Schwefel- oder Acrylat-Coagens, ausgehärtet (vulkanisiert).
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Es
ist jedoch nicht ersichtlich, wo eine Kombination von Schwefel-
und Acrylat-Coagentien zur Peroxidaushärtung von EPDM- oder EPR-Elastomeren
in Erwägung
gezogen wurde.
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Es
ist zu würdigen,
dass Peroxidaushärtemittel
freie Radikale für
den EPDM- oder EPR-, je nachdem, Aushärtevorgang erzeugen, die zur
Vernetzung des EPDM oder EPR mit Kohlenstoff-Kohlenstoff-Vernetzungen
dienen. Einige Peroxidaushärtemittel
fördern
eine raschere Aushärtung
von EPDM- und EPR-Kautschuken als andere.
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Zur
Peroxidaushärtung
von EPDM- und EPR-Kautschuken werden während seiner peroxidbasierten Aushärtung gebildete
freie Radikale typischerweise von einer kleinen Menge von Nebenreaktionen
begleitet, wie beispielsweise Beta-Spaltung eines Teils des Kautschuks
selbst, was die Molmasse des Polymers verringert und dazu neigt,
physikalische Eigenschaften zu verschlechtern.
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Um
die Auswirkungen solcher Nebenreaktionen zu minimieren oder zu verzögern, kann
ein Coagens in Kombination mit dem Peroxidaushärtemittel verwendet werden,
um mit den während
des Aushärtevorgangs gebildeten
freien Radikalen zu reagieren und die besagten Radikale zu stabilisieren.
Auf diese Weise neigt ein Coagens dazu, die totale Vernetzungseffizienz
zu verbessern, wodurch es zu einer höheren Aushärterate und Aushärtezustand
führt.
Dies ist den Fachleuten in solcher Technik geläufig.
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Verarbeitungssicherheit
bezieht sich, für
die Zwecke dieser Erfindung, auf das Verarbeiten einer Kautschukzusammensetzung
mit herkömmlicher
Kautschukmischapparatur bis zu Temperaturen von etwa 130°C, oder manchmal
sogar bis zu etwa 150°C,
für akzeptable
Zeitspannen, ohne nennenswertes Anvulkanisieren der Kautschukzusammensetzung
selbst. Der Begriff "Anvulkanisieren" bezieht sich auf
vorzeitiges Aushärten der
Kautschukzusammensetzung, während
sie in dem vorgenannten Gummimischer, insbesondere in einem Innengummimischer,
gemischt beziehungsweise verarbeitet wird. Der unerwünschte Aspekt
des Anvulkanisierens oder Vor-Aushärtens von Kautschuk während seines
Mischens in einem Innengummimischer ist den Fachleuten in solcher
Technik geläufig.
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Dementsprechend
werden Peroxidaushärtemittel
für EPDM- und EPR-Kautschuke
oft gemäß ihrer Zerlegungsrate
gewählt,
nämlich
ihrer Rate der Bildung freier Radikaler während der Aushärtung eines
EPDM oder EPR.
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Beispielsweise
wenden Produktfertigungsvorgänge,
die relativ rasche Aushärtezeiten,
oder relativ kurze Formzeiten, erstreben, typischerweise Peroxidaushärtemittel
mit einer relativ kurzen Halbwertszeit an, wie beispielsweise Diacylperoxide,
obwohl solche Peroxide eine verringerte Verarbeitungssicherheit
oder eine größere Neigung,
zu einer anvulkanisierten Kautschukzusammensetzung zu führen, aufweisen
können.
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Andererseits
weisen Peroxidaushärtemittel,
die typischerweise langsamere Aushärtewerte zum Aushärten von
EPDMs und EPMs aufweisen, wie beispielsweise Di-tert-Alkylperoxide, üblicherweise eine gute Prozesssicherheit
oder Widerstand gegen Anvulkanisieren des EPDMs oder EPRs, je nachdem,
auf, erfordern jedoch relativ lange Aushärtezeiten.
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Eine
Philosophie der Auswahl von Peroxidaushärtemitteln zum Ausbalancieren
von Aushärtegeschwindigkeit
mit der Eliminierung oder wenigstens Verringerung des Anvulkanisierens
von EPDM- und EPR-Kautschukzusammensetzngen
ist den Fachleuten in solcher Technik geläufig.
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In
der Praxis wird Schwefel manchmal als Coagens für die Peroxidaushärtung von
EPDMs und EPRs verwendet, wie den Fachleuten in solcher Technik
geläufig
ist.
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Andere
manchmal als Additive für
peroxidbasierte Aushärtesysteme
für Kautschukzusammensetzungen
verwendete Coagentien sind typischerweise polyfunktionelle Chemikalien,
die gut mit freien Radikalen reagieren, welche durch das Peroxidaushärtesystem
erzeugt werden. Solche Reaktion durch ein Coagens neigt dazu, die
Nebenreaktionen von freien Radikalen zu verringern, die durch das
Peroxidaushärtemittel
während des
Aushärtens
des EPDM-Kautschuks
erzeugt worden sind, einschließlich
Kettenspaltung des Kautschuks selbst. In der Praxis werden solche
Coagentien grundlegend zur Verbesserung sowohl der Aushärterate
als auch des Aushärtezustands
der Kautschukzusammensetzung verwendet.
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EP-A-0504920
betrifft zum Teil die Verringerung von Anvulkanisierung organischer
Peroxidaushärtung eines
niedrig-ungesättigten
Kautschuks durch Einschlüsse
einer Mischung eines Hydrochinons und Schwefelbeschleunigers, die
auch einen monomeren Allyl-, Methacryl-, Acryl- oder Dientyp von
Coagens enthalten kann.
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Beispiele
der Anwendung von Schwefel und verschiedener Coagentien bei der
Peroxidaushärtung
von Polymeren findet sich beispielsweise in Rubber Chem. and Tech.,
Band 61, Seite 238 (1988) von R. C. Keller.
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In
einem Aspekt dieser Erfindung wird angestrebt, ein Verfahren zum
merklichen Erhöhen
einer Aushärterate
für eine
EPDM-basierte oder EPM-basierte Kautschukzusammensetzung zu verschaffen,
während ihre
Verarbeitbarkeit oder Anvulkanisiersicherheit im Wesentlichen behalten
oder sogar verbessert wird.
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In
der Beschreibung dieser Erfindung bezieht sich der Begriff "ThK", wie hierin verwendet,
und gemäß konventioneller
Praxis, auf Teile eines jeweiligen Materials pro 100 Gewichtsanteile
Kautschuk. In der hierin vorliegenden Beschreibung werden Kautschuk,
Gummi und Elastomer austauschbar benutzt, wenn nicht anders vermeldet.
Die Begriffe "aushärten", "vulkanisiert" und "vernetzt" werden auch austauschbar
verwendet, wenn nicht anders vermeldet. Weiter werden die Begriffe "unausgehärtet", "unvulkanisiert" und "unvernetzt" austauschbar verwendet,
um auf eine Kautschukzusammensetzung zu verweisen, die nicht ausgehärtet, vulkanisiert
oder vernetzt" worden
ist, wenn nicht anderweitig vermeldet.
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Zusammenfassung
und Praxis der Erfindung
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In Übereinstimmung
mit dieser Erfindung wird ein Prozess verschafft, der das Vermischen
einer EPDM-basierten und/oder EPR-basierten Kautschukzusammensetzung
mit einem Peroxidaushärtemittel
zusammen mit einer Kombination von Schwefel- und Acrylat-Co-Aushärtemitteln
umfasst, gefolgt vom Peroxidaushärten
der Kautschukzusammensetzung auf einer erhöhten Temperatur.
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Insbesondere
wird ein Prozess zur Herstellung einer Zusammensetzung verschafft,
umfassend
- (A) Mischen, vorzugsweise auf einer
Temperatur in einem Bereich von 100°C bis 130°C und auf Basis von 100 ThK
Elastomer;
(1) 10 bis 100, vorzugsweise 100, und alternativ
40 bis 80, ThK wenigstens eines niedrig-ungesättigten Kautschuks oder gesättigten
Kautschuks, gewählt
aus EPDM und EPR, und Null bis 90, vorzugsweise Null und alternativ
20 bis 60, ThK wenigstens eines hoch-ungesättigten Kautschuks, gewählt aus
Homopolymeren und Copolymeren konjugierter Diene und Copolymeren
wenigstens eines konjugierten Diens mit einer Vinylaromatenverbindung,
gewählt
aus Styrol und Alphamethylstyrol;
(2) 20 bis 200, alternativ
90 bis 110, ThK partikelförmiger
Verstärkung,
gewählt
aus wenigstens einem von Ton, Carbon Black und ausgefälltem Silika,
vorzugsweise Ton und/oder Silika mit nur einer kleineren Menge,
falls überhaupt,
an Carbon Black;
(3) 0,5 bis 10, alternativ 2 bis 6, ThK Peroxidaushärtemittel
für besagten
niedrig-ungesättigten
Kautschuk bzw. Kautschuke;
(4) 0,25 bis 10, alternativ 1,5
bis 5,5, ThK Acrylat-Co-Aushärtemittel,
das homogen innerhalb des bzw. der besagten Elastomer(e) dispergiert
ist, wobei besagtes Acrylat aus wenigstens einem von Monoacrylat-,
Diacrylat-, Triacrylat-, Tetraacrylat-, Pentaacrylat- und Hexaacrylat-Co-Aushärtemitteln
für Peroxidaushärtemittel,
und Mischungen davon, gewählt
ist; und
(5) 0,05 bis 0,6, alternativ 0,2 bis 0,4, ThK elementarem
Schwefel-Co-Aushärtemittel;
wobei das Gewichtsverhältnis
besagter Schwefel- und Acrylat-Co-Aushärtemittel
zu besagtem Peroxidaushärtemittel
in einem Bereich von 1:1 bis 1:30 liegt und das Gewichtsverhältnis besagten
Acrylat-Co-Aushärtemittels
zu besagtem Schwefel-Co-Aushärtemittel
in einem Bereich von 2:1 bis 200:1 liegt, gefolgt von
- (B) Erhitzen und Aushärten
der hergestellten Zusammensetzung auf einer Temperatur in einem
Bereich von 150°C
bis 180°C.
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Es
ist somit erforderlich, dass das Acrylat-Co-Aushärtemittel
deutlich in der Mehrheit der Schwefel- und Acrylat-Co-Aushärtemittel ist.
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In
weiterer Übereinstimmung
mit dieser Erfindung wird ein Gegenstand verschafft, der wenigstens
eine durch solchen Prozess hergestellte Komponente aufweist.
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In
zusätzlicher Übereinstimmung
mit dieser Erfindung ist besagter Gegenstand ein industrieller Fertigungsgegenstand.
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Insbesondere
kann besagter industrieller Fertigungsgegenstand aus wenigstens
einem von Riemen, Schläuchen,
Abdichtungen, Dichtungen und elektrischen Vorrichtungen gewählt sein.
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In
zusätzlicher Übereinstimmung
mit dieser Erfindung wird eine unausgehärtete Kautschukzusammensetzung
auf Basis von EPDM und/oder EPR verschafft, welche aufweist, basiert
auf 100 ThK Elastomer(en):
- (1) 100 Gewichtsteilen
(ThK) unvernetzten Elastomers bzw. Elastomeren, aufweisend (a) 10
bis 100, vorzugsweise 100, und alternativ 20 bis 60, ThK niedrig-ungesättigter
Kautschuke, gewählt
aus wenigstens einem von EPDM-Kautschuk und EPM-Kautschuk, und (b)
Null bis 90, vorzugsweise Null und alternativ 40 bis 80, ThK wenigstens
eines dienbasierten Kautschuks, gewählt aus Homopolymeren und Copolymeren konjugierter
Diene und Copolymeren wenigstens eines konjugierten Diens mit einer
Vinylaromatenverbindung, gewählt
aus Styrol und Alphamethylstyrol;
- (2) 20 bis 200, alternativ 90 bis 110, ThK partikelförmige Verstärkung, gewählt aus
wenigstens einem von Ton, Carbon Black und ausgefälltem Silika,
vorzugsweise Ton und/oder Silika mit einem kleineren Anteil, falls überhaupt,
an Carbon Black;
- (3) 0,5 bis 10, alternativ 2 bis 6, ThK wenigstens eines Peroxidaushärtemittels
für besagtes
EPDM und EPR;
- (4) 0,25 bis 6, alternativ 1,5 bis 3,5, ThK einer Acrylatverbindung
als ein Co-Aushärtemittel,
das homogen innerhalb des bzw. der besagten Elastomer(e) dispergiert
ist; wobei besagtes Acrylat aus wenigstens einem von Monoacrylat-,
Diacrylat-, Triacrylat-, Tetraacrylat-, Pentaacrylat- und Hexaacrylat-Co-Aushärtemitteln für Peroxidaushärtemittel,
und Mischungen davon, gewählt
ist; und
- (5) 0,05 bis 0,6, alternativ 0,2 bis 0,4, ThK elementares Schwefel-Co-Aushärtemittel;
wobei
das Gewichtsverhältnis
besagter Schwefel- und Acrylat-Co-Aushärtemittel zu besagtem Peroxidaushärtemittel
in einem Bereich von 1:1 bis 1:30 liegt und das Gewichtsverhältnis von
Acrylat-Co-Aushärtemittel
zu besagtem Schwefel-Co-Aushärtemittel
in einem Bereich von 2:1 bis 200:1 liegt.
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Die
unausgehärtete
Zusammensetzung wird typischerweise ausgehärtet durch Erhitzen auf eine
erhöhte
Temperatur, üblicherweise
in einer geeigneten Form und typischerweise auf einer Temperatur
in einem Bereich von 150°C
bis 180°C.
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In
weiterer Übereinstimmung
mit dieser Erfindung wird ein Gegenstand verschafft, welcher wenigstens eine
Komponente aus solcher ausgehärteter
Zusammensetzung aufweist.
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In
zusätzlicher Übereinstimmung
mit dieser Erfindung ist besagter Gegenstand ein industrieller Fertigungsgegenstand.
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Insbesondere
kann besagter industrieller Fertigungsgegenstand aus wenigstens
einem von Riemen, Schläuchen,
Abdichtungen, Dichtungen und elektrischen Vorrichtungen gewählt sein.
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In
einem Aspekt dieser Erfindung ist vorzugsweise das niedrig-ungesättigte Elastomer
EPDM unter Ausschluss von EPR.
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In
einem anderen Aspekt dieser Erfindung ist vorzugsweise das niedrig-ungesättigte Elastomer
EPR unter Ausschluss von EPDM.
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Peroxidaushärtemittel
werden verwendet, um freie Radikale zu erzeugen, welche ihrerseits
gewisse Elastomere und insbesondere EPDMs und EPRs vernetzen.
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Repräsentativ
für solche
Peroxidaushärtemittelverbindungen
sind beispielsweise Diacylperoxide, Acetylalkylsulfonylperoxide,
Dialkylperoxydicarbonate, Tere-Alkylperoxyester, α,α'-(Tert-alkylperoxy)ketale,
Dialkylperioxide, Di-tert-Alkylperoxide und Tert-Alkylhydroperoxide.
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Repräsentative
Beispiele von Dialkylperoxid-Aushärtemitteln
sind Dicumylperoxid und 2,5-Dimethyl-2,5-di(t-butylperoxy)hexan.
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Repräsentative
Beispiele von Diacylperoxid-Aushärtemitteln
sind Dibenzoylperoxid und 2,4-Dichlorobenzylperoxid.
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Bevorzugte
Peroxidaushärtemittel
sind Dicumylperoxid und 2,5-Dimethyl-2,5-di(t-butylperoxy)hexan, sowie α,α'-Bis(t-butylperoxy)-diisopropylbenzen.
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Es
ist ein signifikantes Merkmal dieser Erfindung, dass das Acrylat-Co-Aushärtemittel
in Kombination mit einem elementaren Schwefel-Co-Aushärtemittel
verwendet wird.
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Repräsentativ
für in
Erwägung
gezogene Monoacrylat-Co-Aushärtemittel
sind beispielsweise Stearylacrylat, Stearylmethacrylat, Laurylacrylat,
Laurylmethacrylat und Isodecylmethacrylat.
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Repräsentativ
für in
Erwägung
gezogene Diacrylat-Co-Aushärtemittel
sind beispielsweise 1,4-Butandioldiacrylat,
1,4-Butandioldimethacrylat, Tetraethylenglycoldiacrylat, ethoxyliertes
Bisphenol-A-diacrylat
und ethoxyliertes Bisphenol-A-dimethacrylat.
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Repräsentativ
für in
Erwägung
gezogene Triacrylat-Co-Aushärtemittel
sind beispielsweise Trimethylpropantriacrylat, Trimethylpropantrimethacrylat,
Glyceroltriacrylat, Glyceroltrimethacrylat, Trimethylethantriacrylat,
propoxyliertes Glyceroltriacrylat und ethoxyliertes Trimetholpropantriacrylat.
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Repräsentativ
für in
Erwägung
gezogene Tetraacrylat-Co-Aushärtemittel
sind beispielsweise Pentaerythritoltetraacrylat, Pentaerythritoltetramethacrylat,
Di-Trimethylolpropantetraacrylat
und exothyliertes Pentaerythritoltetraacrylat.
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Repräsentativ
für in
Erwägung
gezogene Pentaacrylat-Co-Aushärtemittel
sind beispielsweise Dipentaerythritolpentaacrylat und Pentaacrylatester.
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Die
EPDM- und EPR-Kautschuke sind EPDM- und EPR-Kautschuke in herkömmlichem Sinn. Daher ist der
EPDM-Kautschuk ein
Terpolymer von Ethylen, Propylen und einer kleinen, oder kleineren,
Menge nichtkonjugierten Diens. Der EPR-Kautschuk (der manchmal als
ein "EPM"-Kautschuk bezeichnet
sein könnte)
ist ein Copolymer von Ethylen und Propylen. Dementsprechend denkt
man an das EPDM herkömmlich
als an einen relativ niedrig-ungesättigten Kautschuk (niedrige
Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindungsungesättigtheit). Üblicherweise
besteht solch EPDM-Kautschuk mit niedriger Ungesättigtheit aus 45 bis 75 aus
Ethylen gewonnenen Gewichtsprozenteinheiten, aus 25 bis 55 aus Propylen
gewonnenen Gewichtsprozenteinheiten und ein bis 15, üblicher
3 bis 7, aus dem nichtkonjugierten Dien gewonnenen Gewichtsprozenteinheiten.
Solche nichtkonjugierten Diene werden herkömmlich aus beispielsweise Hexadien,
Dicyclopentadien und Ethylidennorbornen, wie beispielsweise 5-Ethyliden-2-norbornen, gewählt.
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Die
in Erwägung
gezogenen unvernetzten hoch-ungesättigten
(Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindung), dienbasierten Elastomere
sind Homopolymere und Copolymere konjugierter Dienkohlenwasserstoffe und
Copolymere konjugierte Diene und Aromatenvinylverbindungen, wie
beispielsweise Styrol und Alphamethylstyrol. Repräsentativ
für verschiedene
Diene sind beispielsweise Isopren und Butadien. Repräsentativ
für verschiedene
Elastomere sind beispielsweise cis-1,4-Polyisopren-Naturkautschuk, synthetisches
cis-1,4-Polyisopren,
cis-1,4-Polybutadien, Styrol-Butadien-Copolymere als durch Emulsionspolymerisation
hergestellte Copolymere und als durch organische Lösungspolymerisation
hergestellte Copolymere, Isopren-Butadien-Copolymere,
Styrol-Isopren-Copolymere, 3,4-Polyisopren,
relativ hoch-vinylhaltiges Polybutadien, das 30 bis 85 Prozent Vinylgehalt
enthält,
und Styrol-Isopren-Butadien-Terpolymere.
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Bevorzugte
hoch-ungesättigte
Elastomere, falls verwendet, sind cis-1,4-Polyisopren, cis-1,4- Polybutadien und
Styrol-Butadien (durch Emulsions- und Lösungsmittelpolymerisation gewonnen).
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Die
hergestellte unvernetzte Kautschukzusammensetzung auf Basis von
EPDM oder auf Basis von EPR, welche das Peroxidaushärtemittel
zusammen mit einer Kombination von Schwefel- und Acrylat-Coagentien
enthält,
kann dann zum Aufbau eines Industrieprodukts, wie beispielsweise
industrieller Riemen, Schläuche,
Abdichtungen, Dichtungen und verschiedener elektrischer Vorrichtungen
verwendet werden.
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Das
resultierende Produkt kann dann in einer geeigneten Form auf einer
Temperatur in einem Bereich von 125°C bis 180°C, und üblicherweise von 135°C bis 160°C, für eine geeignete
Zeitspanne, wie beispielsweise 15 bis 20 Minuten, peroxid-ausgehärtet werden.
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Das
Mischen der auf EPDM und EPR basierten Kautschukzusammensetzungen
kann mittels den Fachleuten in solcher Technik bekannter Verfahren
vollzogen werden. Beispielsweise können die Inhaltsstoffe in Innengummimischern
in wenigstens zwei aufeinanderfolgenden Stufen gemischt werden,
nämlich
wenigstens einer nicht-produktiven Mischstufe ohne die Aushärtemittel,
gefolgt von einer produktiven Mischstufe, wo Aushärtemittel
zugesetzt werden, wo das Mischen auf einer Temperatur (z.B. 110-120°C) vollzogen
wird, die niedriger als die der produktiven Mischstufen ist (z.B.
150-170°C).
Solcher Mischprozess ist den Fachleuten in solcher Technik geläufig.
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Für die Praxis
dieser Erfindung kann, während
Peroxidaushärtemittel
und Schwefel-Coagens in der letzten, produktiven Mischstufe zuzusetzen
sind, das Acrylat-Coagens in entweder einer nicht-produktiven Mischstufe
oder einer produktiven Mischstufe zugesetzt werden.
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Wie
hierin vorangehend erläutert,
können
Verstärkungsfüllstoffe
Ton, Silika und/oder Carbon Black sein, wobei das Carbon Black einen
kleineren Anteil solchen Füllstoffs
darstellt, wenn Carbon Black verwendet wird. Dementsprechend können Silika
und Ton, oft insbesondere Ton, bevorzugt werden.
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Ton
kann generell als ein "hydriertes
Aluminiumsilikat" bezeichnet
werden. Eine bekannte Form natürlichen
Tons ist beispielsweise Kaolinit. Natürliche Tone sind den Fachleuten
in solcher Technik geläufig.
Oft wird Kaolinit bevorzugt.
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Silika
kann ausgefälltes
Silika oder pyrogenes Silika sein. Ausgefälltes Silika wird üblicherweise
bevorzugt.
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Ausgefällte Silikas,
wie beispielsweise die durch Bildung eines löslichen Natriumsilikats aus
einem Silikondioxid (z.B. mittels Natriumhydroxid) erhaltenen, gefolgt
von anschließender
Ausfällung
mittels Zusetzen einer geeigneten Base (z.B. Natriumhydroxid).
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Verschiedene
kommerziell erhältliche
Silikas können
zur Verwendung in dieser Erfindung in Betracht gezogen werden, wie
beispielsweise, hier nur als Beispiel und ohne Einschränkung aufgeführt, von
PPG Industries unter dem Markennamen Hi-Sil kommerziell erhältliche
Silikas mit den Bezeichnungen 210, 243 usw.; von Rhone-Poulenc erhältliche
Silikas, wie beispielsweise Zeosil 1165MP, und von der Degussa AG
erhältliche Silikas
mit Bezeichnungen wie beispielsweise VN2, VN3 und BV3370GR, und
von J. M. Huber als Zeopol 8746.
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Oft
wird ein Kopplungsmittel mit dem Silika und/oder Ton verwendet,
um einen Verstärkungseffekt
für das
Silika und/oder den Ton, je nachdem, auf das bzw. die Elastomer(e)
zu erhöhen.
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Verbindungen,
die in der Lage sind, sowohl mit der Silikaoberfläche als
auch dem Kautschukelastomermolekül
zu reagieren, auf eine Weise, um zu verursachen, dass das Silika
einen Verstärkungseffekt
auf den Kautschuk hat, wovon viele den Fachleuten in solcher Technik
als Kopplungsmittel oder Koppler allgemein bekannt sind, werden
oft verwendet. Solche Kopplungsmittel können beispielsweise mit den
Silikapartikeln vorgemischt oder vorreagiert werden oder der Kautschukmischung
während
der Kautschuk-Silika-Verarbeitungs- oder Mischstufe zugesetzt werden.
Wenn das Kopplungsmittel und Silika der Kautschukmischung während der
Kautschuk-Silika-Misch-
oder Verarbeitungsstufe getrennt zugesetzt werden, wird erachtet,
dass das Kopplungsmittel sich dann in situ mit dem Silika kombiniert.
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Insbesondere
können
solche Kopplungsmittel beispielsweise aus einem Silan zusammengesetzt
sein, das eine bestandteilbildende Komponente, oder Anteil (den
Silananteil) aufweist, die bzw. der in der Lage ist, mit der Silikaoberfläche zu reagieren,
und auch eine bestandteilbildende Komponente, oder Anteil, die bzw. der
in der Lage ist, mit dem Kautschuk zu reagieren, insbesondere einem
schwefelvulkanisierbaren Kautschuk, der Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindungen
oder Ungesättigtheit
enthält.
Auf diese Weise wirkt der Koppler dann als eine Verbindungsbrücke zwischen
dem Silika und dem Kautschuk und verbessert daher den Kautschukverstärkungsaspekt
des Silikas.
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In
einem Aspekt bildet das Silan des Kopplungsmittels offensichtlich
eine Bindung an die Silikaoberfläche,
möglicherweise
durch Hydrolyse, und die mit dem Kautschuk in Wechselwirkung tretende
Komponente des Kopplungsmittels kombiniert sich mit dem Kautschuk
selbst.
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Zahllose
Kopplungsmittel werden zur Anwendung beim Kombinieren von Silika
und Kautschuk gelehrt, wie beispielsweise Silankopplungsmittel,
die eine Polysulfidkomponente oder -struktur enthalten, wie beispielsweise
Bis-(3-trialkoxysilylalkyl)polysulfide, die 2 bis 8 verbindende
Schwefelatome in der Sulfidbrücke enthalten,
wofür beispielsweise
Bis-(3-triethoxysilylpropyl)polysulfid,
das einen Durchschnitt von 3,5 bis 4 verbindenden Schwefelatomen
in seiner Sulfidbrücke
aufweist, das manchmal als ein "Tetrasulfid" bezeichnet wird,
repräsentativ
ist.
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Von
den Fachleuten in der Technik wird leicht verstanden, dass die EPDM-
und EPR-Kautschuke durch allgemein in der Kautschukmischtechnik
bekannte Verfahren gemischt sein können, wie etwa Mischen mit
verschiedenen üblicherweise
verwendeten Additivmaterialien, wie beispielsweise der vorgenannten
Kombination von Schwefel- und Acrylat-Coagentien, und Peroxidaushärtemitteln,
sowie verschiedenen Vulkanisationsaktivatoren, Verzögerern und
Beschleunigern, Verarbeitungszusätzen,
wie etwa Ölen,
Harzen einschließlich
klebrigmachender Harze, Verstärkungsfüllstoffen,
wie hierin vorangehend besprochen, und Weichmachern, Pigmenten,
Fettsäure, Zinkoxid,
Wachsen, Antioxidantien und Ozonschutzmitteln, und Peptisatoren. Wie
den Fachleuten in der Technik bekannt ist, werden die oben erwähnten Additive,
abhängig
von der beabsichtigten Verwendung der EPDM-basierten peroxid- und schwefelvulkanisierbaren
Kautschukzusammensetzungen, ausgewählt und üblicherweise in konventionellen
Mengen verwendet.
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Typische
Zusätze
von Carbon Black-, Ton- und Silika-Verstärkungsfüllstoffen für diese Erfindung sind hierin
vorangehend ausgeführt.
Typische Mengen klebrigmachender Harze, falls verwendet, umfassen
0,5 bis 10 ThK, üblicherweise
1 bis 5 ThK. Typische Mengen Verarbeitungshilfsmittel umfassen 1
bis 50 ThK. Solche Verarbeitungshilfsmittel können beispielsweise aromatische,
naphthenische und/oder paraffinische Verarbeitungsöle umfassen.
Typische Mengen Antioxidantien umfassen 1 bis 5 ThK. Repräsentative
Antioxidantien können
beispielsweise Diphenyl-p-phenylendiamin
und andere sein, wie beispielsweise die in The Vanderbilt Rubber
Handbook (1978), Seiten 344 bis einschließlich 346, offenbarten. Typische
Mengen Ozonschutzmittel umfassen 1 bis 7 ThK. Typische Mengen Fettsäuren, falls
verwendet, die Stearinsäure
umfassen können,
umfassen 0,5 bis 3 ThK. Typische Mengen Zinkoxid umfassen 2 bis
5 ThK. Typische Mengen Wachse umfassen 1 bis 5 ThK. Oft werden mikrokristalline
Wachse verwendet. Typische Mengen Peptisatoren umfassen 0,1 bis 1
ThK. Typische Peptisatoren können
beispielsweise Pentachlorthiophenol und Dibenzamidodiphenyldisulfid sein.
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Die
Vulkanisation oder Aushärtung
wird in Gegenwart von Peroxid und einer Kombination von Schwefel-
und Acrylat-Coagentien,
wie hierin vorangehend erörtert, durchgeführt, obwohl
Vorhandensein und relative Mengen der obigen zusätzlichen Additive im allgemeinen
nicht als ein Aspekt der vorliegenden Erfindung betrachtet werden,
welche primärer
auf die Herstellung einer EPDM-basierten
Kautschukzusammensetzung, die Peroxidaushärtemittel zusammen mit einer
spezifizierten Kombination von Schwefel- und Acrylat-Co-Aushärtemitteln
enthält,
gerichtet ist.
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Die
Erfindung kann besser verstanden werden unter Verweis auf die nachfolgenden
Beispiele, worin die Anteile und Prozentsätze gewichtsbezogen sind, wenn
nicht anderweitig angedeutet.
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BEISPIEL I
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Proben
von EPDM-basierten Elastomerzusammensetzungen werden hergestellt
und hierin als Proben A, B, C und D identifiziert.
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Probe
A ist eine Kontrollprobe, worin ein Peroxid-Aushärtemittel
verwendet wird.
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Proben
C und D sind Kontrollproben, die individuell ein Peroxid mit entweder
Schwefel-Coagens (Probe B) oder Acrylat-Coagens (Probe C) enthalten.
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Probe
D enthält
ein Peroxid-Aushärtemittel
zusammen mit einer Kombination von Schwefel- und Acrylat-Coagentien
und soll repräsentativ
für diese
Erfindung sein.
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Die
Proben werden in einem Zwei-Stufen, sequentiellen Mischprozess in
einem Innengummimischer hergestellt, nämlich einer ersten nicht-produktiven
Mischstufe, gefolgt von einer produktiven Mischstufe.
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Die
Elastomere und Mischbestandteile, unter Ausschluss des Peroxid-Aushärtemittels
sowie der Schwefel- und Acrylat-Co-Aushärtemittel, werden in der ersten,
nicht-produktiven
Mischstufe zugesetzt, wo das Mischen drei Minuten lang bis auf eine
Temperatur von 140°C
vollzogen wird.
-
Das
Peroxid und, wo angebracht, Schwefel- und/oder Acrylat-Coagentien,
je nachdem, werden dann in der produktiven Mischstufe, vier Minuten
lang bis auf eine Temperatur von 104°C, zugesetzt.
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Die
verwendeten Mengen der verschiedenen Inhaltsstoffe sind in der nachfolgenden
Tabelle 1 aufgeführt. Tabelle
1
- 1) EPDM als Nordel 4640 von du Pont Dow
Elastomers and Co. als ein Terpolymerkautschuk von Ethylen, Propylen
und 5-Ethyliden-2-Norbornen (FNB) konjugiertem Dien mit einer Tg
von -45°C,
zusammengesetzt aus 4,5 Prozenteinheiten gewonnen aus besagtem Norbornen
und 55 Prozenteinheiten gewonnen aus Ethylen.
- 2) Kaolinton als Translink 37 von der Englehard Company.
- 3) Paraffinisches Kautschukprozessöl, ASTM D2226, Type 104B als
Sunpar 2280 von R. E. Carroll Company.
- 4) N299.
- 5) Trimethlolpropantrimethacrylat als SR350 von der Santomer
Company.
- 6) Dicumylperoxid als Dicup 40KE von Hercules Inc.
- 7) 2,5-Dimethyl-2,5-di(t-butyl-peroxy)hexen als Varox DBPH-50
von der R. T. Vanderbilt Company.
-
Die
EPDM-basierten Kautschukzusammensetzungen wurden in einer geeigneten
Form durch Erhitzen für
10 Minuten bis auf eine Temperatur von 170°C vulkanisiert.
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Verschiedene
physikalische Eigenschaften der vulkanisierten Kautschukzusammensetzungen
sind in der nachfolgenden Tabelle 2 dargestellt.
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Die
TS1-, T90- und Maximale Drehkraft-Werte wurden mittels eines MDR
2000-Instruments bei 165°C ermittelt.
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300-Prozent-Modul,
Zugfestigkeit und Verlängerung
wurden unter Nutzung eines Hantel-Exemplars der Kautschukprobe ermittelt.
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Der
Tan. delta wurde mittels eines Flexsys-Kautschukprozessanalysators (RPA) 2000
ermittelt, womit eine Probe 10 Minuten lang bis auf eine Temperatur
von 175°C
bei 0,7% Verlängerung
ausgehärtet
wird. Der Tan. delta wird bei einer Dehnung von 5 Prozent bei 11
Hz und 100°C
ermittelt. Eine detailliertere Beschreibung des RPA 2000 und seiner
Verwendung findet sich in: Rubber World, Juni 1992, von H. A. Pawlowski
et al., und Rubber & Plastics
News, 26. April und 10. Mai 1993, von J. S. Dick et al. Tabelle
2
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Der
Ts1-Wert ist ein Maß der Verarbeitungssicherheit.
Er stellt die Zeit dar für
die Erhöhung
des Drehkraftwerts des Probenexemplars um eine Drehkrafteinheit
während
des Aushärtens.
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Der
T90-Wert ist ein Maß der Zeit, bis das Probenexemplar
einen 90-prozentigen Aushärtungszustand erreicht
hat.
-
Der
maximale Drehkraftwert ist ein Maß des maximalen Drehkraft,
die von dem Probenexemplar während
der Aushärtung
erfahren wird.
-
Die
Delta-Drehkraft ist die Differenz zwischen der obigen maximalen
Drehkraft und einer während
der Aushärtung
erfahrenen minimalen Drehkraft.
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Der
Tan. delta-Wert ist ein Maß der
Hysterese des Probenexemplars, oder Verhältnis von Verlustmodul zu Lagermodul,
und ist ein den Fachleuten in solcher Technik geläufiger Begriff.
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Aus
Tabelle 2 ist leicht ersichtlich, dass Probe B, welche die Peroxidaushärtung mit
dem Schwefel-Coagens und ohne das Acrylat-Coagens anwendete, im
Vergleich zu Kontrollprobe A, welche nur die Peroxidaushärtung anwendete,
das aufwies, was als eine gute Anvulkanisationszeit (Ts1)
von 1,38 Minuten und eine akzeptable 90 Prozent-Aushärtungszeit
von 16,66 Minuten erachtet wird.
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Der
Aushärtungszustand
von Probe B, wie durch den maximalen Drehkraftwert dargestellt,
ist jedoch um 19 Prozent signifikant reduziert und die kritischen
Eigenschaften von 300% Modul, Zugfestigkeit und Tan. Delta sind
verschlechtert.
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Aus
Tabelle 2 ist auch leicht ersichtlich, dass Probe C, welche die
Peroxidaushärtung
mit dem Acrylat-Coagens und ohne das Schwefel-Coagens anwendete,
im Vergleich zu Kontrollprobe A, welche nur die Peroxidaushärtung anwendete,
das aufwies, was als eine nicht zufriedenstellende Anvulkanisationszeit (Ts1) von 0,87 Minuten und eine akzeptable 90
Prozent Aushärtungszeit
von 19,4 Minuten erachtet wird.
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Der
Aushärtungszustand
von Probe C, wie durch die maximalen Drehkraft- und Tan. Delta-Werte
von 13,47 beziehungsweise 0,136 dargestellt, wird hierin als zufriedenstellend
erachtet, ebenso wie die angedeutete Zugfestigkeit, obwohl die Höchstverlängerungseigenschaft
etwas reduziert ist.
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Insbesondere
war der Aushärtungszustand
(maximale Drehkraft) von Probe C gegenüber demjenigen von Probe B,
welche nur das Schwefel-Coagens verwendete, signifikant verbessert,
jedoch, wie oben angegeben, ist die Verarbeitungssicherheit (Ts1) um 29 Prozent im Vergleich zu Kontrollprobe
A und 36 Prozent im Vergleich zu Kontrollprobe D signifikant reduziert.
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Weiter
ist aus Tabelle 2 leicht ersichtlich, dass Probe D, welche die Peroxidaushärtung mit
der Kombination von Schwefel- und Acrylat-Coagentien anwendete,
im Vergleich zu Kontrollprobe A, welche nur die Peroxidaushärtung anwendete,
synergetische Resultate hervorrief.
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Insbesondere
wurde eine zufriedenstellende Anvulkanisationszeit (Ts1)
von 1,36 beobachtet und es wurde auch eine akzeptable 90 Prozent-Aushärtezeit
von 16,67 Minuten beobachtet.
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Der
Aushärtungszustand
von Probe D, wie durch den maximalen Drehkraftwert von 11,58 dargestellt, wird
hierin als zufriedenstellend und eine Verbesserung gegenüber dem
von Probe B, welche nur das Schwefel-Coagens anwendete, erachtet.
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Die
Zugfestigkeit von Probe D war gegenüber der von Probe B, die nur
das Schwefel-Coagens anwendete, verbessert.
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Die
Zugfestigkeits- und Höchstverlängerungseigenschaften
von Probe D waren gleich oder verbessert gegenüber denjenigen von Probe C,
welche nur das Acrylat-Coagens anwendete.
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Der
Tan. delta-Wert für
Probe D ist besser (niedriger) als solche Werte für alle Proben,
außer
Probe C. Dies ist zu erwarten, da Probe C einfach einen höheren Aushärtungszustand
hat.
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Dementsprechend,
und zusammengefasst, ist ersichtlich, dass die Verwendung eines
Peroxid-Aushärtemittels,
zusammen mit einer Kombination von Schwefel- und Acrylat-Coagentien,
wie durch Probe D dargestellt, im Vergleich zur Verwendung nur des
Schwefelagens oder des Acrylatagens allein, auf eine synergetische
Weise wirkte, indem es eine bessere Ausgewogenheit der wichtigen
EPDM-basierten Kautschukeigenschaften verschaffte, nämlich von
Verarbeitungssicherheit (Ts1), Aushärtezeit
(T90) und Aushärtezustand (maximale Drehkraft),
als die Kontrollprobe A, worin die Kombination von Schwefel- und
Acrylat-Coagentien nicht angewendet wurde, Probe B, worin nur das
Schwefel-Coagens
angewendet wurde, und Probe C, worin nur das Acrylat-Coagens angewendet
wurde.
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Insbesondere
ist in Tabelle 2 leicht zu beobachten, dass, während die Einbeziehung von
Schwefel-Coagens in ein Peroxid-Aushärtesystem für einen EPDM-Kautschuk (Probe
B) zu einer relativ kurzen Aushärtezeit
(T90) und einer akzeptablen Anvulkanisierung
(Verarbeitungssicherheit), wie durch die Ts1-Werte
nachgewiesen, geführt
hat, ein relativ niedriger Aushärtezustand
erhalten wurde, wie durch verringerte Maximumdrehkraft- und 300%-Modul-Werte
für die resultierende,
ausgehärtete
Kautschukzusammensetzung nachgewiesen wurde, verglichen mit einer
Aushärtung
des EPDM mit dem Peroxid ohne ein solches Coagens.
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Insbesondere
ist in Tabelle 2 leicht zu beobachten, dass, während die Einbeziehung eines
Acrylat-Coagens in ein Peroxid-Aushärtesystem für einen EPDM-basierten Kautschuk
(Probe C) zu einer guten und akzeptablen Aushärtezeit (T90)
führte,
seine Verarbeitungssicherheit (Ts1) signifikant
reduziert war.
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Insbesondere
wird aus Tabelle 2 geschlussfolgert, dass die Verwendung einer Kombination
von Schwefel- und Acrylat-Coagentien in einem Peroxid-Aushärtesystem
für einen
EPDM-Kautschuk (Probe D) eine synergetische Wechselwirkung zwischen
den beiden Coagentien demonstriert, wenn sie bei der Peroxidaushärtung der
EPDM-basierten Kautschukzusammensetzung verwendet wird. Die resultierenden
angedeuteten Eigenschaften werden nicht als additiv angesehen und
werden somit als synergetischer Natur erachtet. Die Kombination
von Coagentien gestattet dadurch ein Einstellen einer Ausgewogenheit
zwischen steigender Verarbeitungssicherheit und Verringerung der
Aushärtezeit
unter Aufrechterhaltung verschiedener wünschenswerter physikalischer
Eigenschaften.