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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines
Dienelastomers, das einen verminderten Grad an Vinylverknüpfungen
aufweist, durch anionische Polymerisation eines oder mehrerer Monomere,
die mindestens ein konjugiertes Dienmonomer umfassen.
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Der
Einbau eines konjugierten Dienmonomers, wie beispielsweise von Butadien,
in ein auf anionischem Wege hergestelltes Polymer kann in der Form
cis-1,4, trans-1,4 oder -1,2 (Vinylverknüpfungen) erfolgen.
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Anionische
Polymerisationen werden gewöhnlich
durch eine Alkyllithium-Verbindung in Gegenwart eines Lösungsmittels
auf Kohlenwasserstoffbasis und eines oder mehrerer konjugierter
Dienmonomere initiiert. Die durch diese Reaktionen gebildeten Elastomere
weisen einen mittleren Gehalt an Vinylverknüpfungen auf, der vermindert
ist und im Allgemeinen im Bereich von 8 bis 15 % liegt. Zur Herstellung
von Elastomeren, die eine vorgegebene Glasübergangstemperatur (Tg) aufweisen,
kann bekanntlich ein polarer Stoff in das Polymerisationsmedium
gegeben werden, der außerdem
bewirkt, dass der mittlere Gehalt dieser Verknüpfungen in signifikanter Weise
erhöht
wird. Der Gehalt kann beispielsweise bis zu 90 % betragen.
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Wenn
die Polymerisation in Gegenwart eines polaren Stoffs durchgeführt wird,
wird versucht, den oben angegebenen Gehalt im Laufe der Polymerisation
zu vermindern, indem das Polymerisationsmedium verändert wird.
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Ein
bekanntes Verfahren für
diesen Zweck besteht darin, die Polymerisationstemperatur in Gegenwart eines
polaren Stoffes, der aus einer Lewis-Base besteht, und wahlweise
in Gegenwart einer Lewis-Säure
zu erhöhen.
Hierdurch kann eine Reduktion des Gehalts an Vinylverknüpfungen
in dem erhaltenen Copolymer von etwa 20 bis 50 % erreicht werden.
Für eine
detaillierte Beschreibung dieser Methode kann beispielsweise auf
die Patentschriften US-A-3 830 880 und JP-A-56/149413 verwiesen
werden.
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Ein
Hauptnachteil dieses Verfahrens besteht in den Kettenübertragungen,
die seine Durchführung
im Allgemeinen mit sich bringt.
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Ein
weiteres bekanntes Verfahren zur Verminderung des Gehalts an Vinylverknüpfungen
besteht darin, den polaren Stoff aus dem Polymerisationsmedium unter
vermindertem Druck zu entfernen und anschließend eine zusätzliche
Menge des Monomers in das auf diese Weise erhaltene Polymerisationsmedium
zu geben. Es kann für
die Beschreibung dieser Methode beispielsweise auf das Patent US-A
3 140 278 verwiesen werden.
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Die
zuletzt genannte Methode hat den Nachteil, dass, sie nur bei Copolymerisationen
anwendbar ist, die in Gegenwart eines flüchtigen polaren Stoffes durchgeführt werden.
Die Verminderung des Grades an Vinylverknüpfungen, die auf diese Weise
erhalten wird, ist außerdem
nicht signifikant und das Verfahren ist im industriellen Maßstab nur
schwierig durchzuführen.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren
zur Herstellung eines Dienelastomers durch anionische Polymerisation
anzugeben, mit dem den genannten Nachteilen abgeholfen werden kann.
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Die
Anmelderin hat in überraschender
Weise festgestellt, dass die Wirkung des polaren Stoffes aufgehoben
und in signifikanter Weise der mittlere Gehalt an Vinylverknüpfungen
in dem erhaltenen Monomer unabhängig
von der Art des verwendeten polaren Stoffes und des verwendeten
Initiators vermindert werden kann, indem ein Metall-organischer
Komplex der Formel LiAl(R)3(R'), (wobei Li das
Lithiumatom bedeutet, Al das Aluminiumatom ist und R und R' jeweils eine Alkylgruppe,
Cycloalkylgruppe oder Arylgruppe bedeuten), in ein Polymerisationsmedium
eingearbeitet wird, das enthält:
- – ein
Lösungsmittel
auf Kohlenwasserstoffbasis,
- – ein
oder mehrere konjugierte Dienmonomere,
- – einen
polaren Stoff, der ein oder mehrere Heteroatome enthält, und
- – einen
Lithium-organischen Initiator vom Monolithiumtyp oder Polylithiumtyp.
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Es
wird darauf hingewiesen, dass die Molmassen der erhaltenen Elastomere
und ihre Verteilungen durch den Zusatz des Komplexes praktisch nicht
verändert
werden.
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Es
wird ferner darauf hingewiesen, dass der Zusatz einer zusätzlichen
Menge des polaren Stoffes nach dem Einarbeiten des Metall-organischen Komplexes
in das Reaktionsmedium die Wirkung hat, dass der mittlere Grad an
Vinylverknüpfungen
in dem Dienelastomer nochmals erhöht wird. Es ist daher möglich, diesen Grad
im Laufe der Polymerisation so einzustellen, dass am Ende der gewünschte mittlere
Gehalt erhalten wird.
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Von
den Lösungsmitteln
auf Kohlenwasserstoffbasis, die in dem erfindungsgemäßen Verfahren
eingesetzt werden können,
sind beispielsweise Toluol, Benzol, Xylol, Cyclohexan, Methylcyclohexan,
Heptan, n-Hexan, Cyclopentan oder ein Gemisch dieser Lösungsmittel
zu nennen.
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Von
den konjugierten Dienmonomeren sind insbesondere 1,3-Butadien, 2-Methyl-1,3-butadien, 2,3-Di(C1-5-alkyl)-1,3-butadien, beispielsweise 2,3-Dimethyl-1,3-butadien,
2,3-Diethyl-1,3-butadien, 2-Methyl-3-ethyl-1,3-butadien, 2-Methyl-3-isopropyl-1,3-butadien,
Aryl-1,3-butadien, 1,3-Pentadien und 2,4-Hexadien geeignet.
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Von
den vinylaromatischen Verbindungen sind beispielsweise Styrol, ortho-,
meta-, para-Methylstyrol, das im Handel erhältliche "Vinyltoluol"-Gemisch, para-t-Butylstyrol und Divinylbenzol
geeignet. Es wird darauf hingewiesen, dass das Styrol bevorzugt
verwendet wird.
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Bei
dem nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
hergestellten Dienelastomer kann es sich vorteilhaft um beliebige
Homopolymere oder Copolymere mit Dienblöcken handeln, die durch Polymerisation
der folgenden Monomere erhalten werden:
- – eine konjugierten
Dienmonomers mit 4 bis 12 Kohlenstoffatomen oder mehrerer dieser
konjugierten Dienmonomere miteinander, oder
- – eines
oder mehrerer dieser konjugierten Dienmonomere mit einer oder mehreren
vinylaromatischen Verbindungen mit 8 bis 12 Kohlenstoffatomen.
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In
dem erfindungsgemäßen Verfahren
werden besonders bevorzugt Butadien und/oder Isopren als konjugierte
Dienmonomere und das Styrol als vinylaromatisches Monomer zur Herstellung
von Copolymeren mit Dienblöcken
verwendet, wobei jeder Block von dem oder den Monomeren abgeleitet
ist und beispielsweise aus den folgenden Einheiten gebildet sein
kann:
- – Styrol
und Butadien,
- – Styrol
und Isopren,
- – Butadien
und Isopren, oder auch
- – Butadien,
Styrol und Isopren.
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Die
Dienblöcke
des nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
hergestellten Elastomers weisen vorteilhaft Grade an Vinylverknüpfungen
auf, die bei den einzelnen Blöcken
signifikant voneinander abweichen.
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Es
wird darauf hingewiesen, dass es möglich ist, nach diesem neuen
Verfahren der anionischen Polymerisation ein Dienelastomer herzustellen,
das mehrere alternierende Dienblöcke
aufweist, die sehr unterschiedliche Grade an Vinylverknüpfungen
aufweisen (beispielsweise ein Elastomer vom Typ A-B-A-B, wobei A
und B zwei Dienblöcke
bedeuten, die hohe und niedrige Gehalte aufweisen), indem im Wechsel
der polare Stoff und der Metall-organische Komplex in das Polymerisationsmedium
gegeben werden (bei vorgegebenen Umwandlungsgraden).
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Es
wird auch darauf hingewiesen, dass der erfindungsgemäße metallorganische
Komplex die Herstellung von Elastomeren mit einem verminderten mittleren
Grad an Vinylverknüpfungen
im Anschluss an die Herstellung von Elastomeren mit einem hohen
mittleren Gehalt an diesen Verknüpfungen
ermöglicht,
wobei es wegen der "gegenläufigen" Wirkung auf diesen
Gehalt, den der erfindungsgemäße Komplex
hat, nicht erforderlich ist, den polaren Stoff, der für diesen
hohen Gehalt verantwortlich ist, aus dem Lösungsmittel zu entfernen.
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Nach
einer weiteren Charakteristik der Erfindung kann der Metall-organische Komplex
in beliebigen Stadien der Polymerisation eingearbeitet werden, auch
vor der Zugabe des Initiators in das Reaktionsmedium.
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Der
Komplex wird durch Umsetzung einer Alkyllithium-Verbindung mit einem
Trialkylaluminiumderivat in einem Lösungsmittel auf Kohlenwasserstoffbasis
bei Raumtemperatur hergestellt.
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Nach
einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird als Metall-organischer
Komplex ein Komplex der Formel LiAl(R)3(Bu)
verwendet, wobei Bu die Butylgruppe bedeutet.
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Nach
einer ersten Ausführungsform
dieses Beispiels verwendet man als Metall-organischen Komplex einen
Komplex der Formel LiAl(Oct)3(Bu), wobei
Oct die Octylgruppe ist.
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Es
wird darauf hingewiesen, dass dieser Komplex, der eine Octylgruppe
enthält,
eine besonders hohe Löslichkeit
in aliphatischen oder alicyclischen Lösungsmitteln auf Kohlenwasserstoffbasis
besitzt, beispielsweise in Cyclohexan.
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Nach
einer zweiten Ausführungsform
dieses Beispiels wird als Metall-organischer
Komplex ein Komplex verwendet, der der Formel LiAl(Et)3(Bu)
entspricht, wobei Et die Ethylgruppe ist.
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Nach
einer weiteren Charakteristik der Erfindung kann das Molverhältnis (Metall-organischer
Komplex / polarer Stoff) im Bereich von 0,1 bis 10 liegen. Dies
gilt auch für
das Molverhältnis
(polarer Stoff / Initiator).
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Von
den polaren Stoffen, die in dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendbar sind,
können
die polaren Stoffe mit nur einem Heteroatom (Sauerstoffatom oder
Stickstoffatom), die auch als "einzähnig" bezeichnet werden,
oder die polaren Stoffe mit mehreren Heteroatomen angegeben werden,
die auch "mehrzähnige" Stoffe heißen.
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Von
den "einzähnigen" polaren Stoffen,
die in dem erfindungsgemäßen Verfahren
verwendet werden können,
kann beispielsweise das Tetrahydrofuran (THF) genannt werden.
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Von
den "mehrzähnigen" polaren Stoffen,
die in diesem Verfahren ebenfalls verwendbar sind, kommen beispielsweise
die Diether und Diamine in Betracht, wie Tetramethylethylendiamin,
Dimethoxyethan (DME), Diethylcarbitol (DEC), Triethylenglykoldimethylether
(auch als "Triglyme" bezeichnet), Tetraethylenglykoldimethylether
(auch "Tetraglyme" genannt) oder Tetramethylethylendiamin
(TMEDA).
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Es
wird darauf hingewiesen, dass die "mehrzähnigen" polaren Stoffe in dem erfindungsgemäßen Verfahren
bevorzugt verwendet werden, da mit ihnen sogar wenn ihre Konzentration
im Vergleich mit der Konzentration des Initiators geringer ist,
hohe mittlere Grade an Vinylverknüpfungen erzielt werden können.
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Es
wird auch darauf hingewiesen, dass bei Verwendung eines polaren
Stoffes vom "mehrzähnigen" Typ der erfindungsgemäße metallorganische
Komplex den mittleren Gehalt an Vinylverknüpfungen signifikant vermindern
kann, sogar wenn er in einer im Vergleich mit der Menge des polaren
Stoffes geringeren Menge verwendet wird (beispielsweise indem 1
Moläquivalent
Komplex zu 1 Moläquivalent "mehrzähniger" polarer Stoff gegeben
wird).
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Im
Hinblick auf Styrol-Butadien-Copolymerisationen, die in Gegenwart
eines "mehrzähnigen" polaren Stoffes
durchgeführt
werden, sei darauf verwiesen, dass der Zusatz einer geeigneten Menge
des Metall-organischen Komplexes in das Polymerisationsmedium zu
Gehalten an Styrol- und Vinylverknüpfungen führt, die mit den Gehalten vergleichbar
sind, die in Abwesenheit eines polaren Stoffes erhalten werden.
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Von
den Lithium-organischen Initiatoren, die in dem erfindungsgemäßen Verfahren
verwendbar sind, können
vorteilhaft die Monolithium-Verbindungen angegeben werden, wie n-Butyllithium,
sek-Butyllithium, t-Butyllithium,
n-Propyllithium, Amyllithium, Cyclohexyllithium oder Phenylethyllithium.
Es können
auch Polylithium-Initatoren
oder funktionelle Initiatoren verwendet werden.
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Nach
einer weiteren Charakteristik: der Erfindung liegt die Polymerisationstemperatur
im Bereich von 0 bis 100 °C
und vorzugsweise 30 bis 80 °C.
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Es
wird darauf hingewiesen, dass das erfindungsgemäße Polymerisationsverfahren
kontinuierlich oder diskontinuierlich geführt werden kann.
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Im
Falle einer kontinuierlichen Polymerisation wird vorzugsweise ein
System von mehreren Reaktoren verwendet, wobei die Injektion des
Metall-organischen Komplexes zwischen zwei Reaktoren erfolgt.
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Im
Falle einer diskontinuierlichen Polymerisation kann der Metall-organische Komplex
bei beliebigen Stadien der Umwandlung des Monomers oder der Monomere
in das Polymerisationsmedium gegeben werden.
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Die
genannten Charakteristika der vorliegenden Erfindung und weitere
Charakteristika gehen aus der folgenden Beschreibung von mehreren
Ausführungsbeispielen
der Erfindung noch besser hervor, die zur Erläuterung angegeben und nicht
einschränkend
zu verstehen sind.
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Zur
Bestimmung der Molmassen und der Polymolekularitätsindizes der erhaltenen Elastomere
wird die SEC-Technik (Gelchromatographie, Size Exclusion Chromatographie)
angewandt. Nach diesen Ver fahren werden die Makromoleküle physikalisch
nach ihren jeweiligen Größen im gequollenen
Zustand in Säulen
getrennt, die mit einer porösen
stationären
Phase gefüllt
sind.
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Für die Trennung
wird ein Chromatograph verwendet, der unter der Bezeichnung "WATERS" Modell " 150C" im Handel angeboten
wird. Es werden zwei Säulen "WATERS" vom Typ "STYRAGEL HT6E" verwendet.
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Im Übrigen werden
die Mikrostruktureigenschaften der erhaltenen Elastomere mit 13C-Kernresonanz (13C-NMR)
ermittelt. Hierfür
wird ein Spektrophotometer eingesetzt, das unter der Bezeichnung "BRUKER" im Handel ist und
bei einer Frequenz von 200 MHz arbeitet.
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BEISPIEL 1:
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Herstellung
von Homopolymeren mit zwei Polybutadienblöcken (BR-BR)
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1) Synthese eines Metall-organischen
Komplexes der Formel LiAl(Et)3(Bu):
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In
einen entlüfteten
und verschlossenen Behälter,
der 100 ml einer Triethylaluminiumlösung von 0,1 mol pro Liter
in Toluol enthält,
werden 0,1 mol Butyllithium gegeben. Der Behälter wird 15 min bei Raumtemperatur
bewegt. Die Lösung
kann unter Stickstoffdruck mehrere Wochen bei Raumtemperatur aufbewahrt
werden.
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2) Herstellung von BR-BR
mit verschiedenen mittleren Graden an Vinylverknüpfungen
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Die
Polymerisationen werden unter einer inerten Atmosphäre in geschlossenen
Behältern
durchgeführt.
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a) "Vergleichs"-BR-BR-Elastomer mit einem hohen mittleren
Grad an Vinylverknüpfungen
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In
einem entlüfteten
Behälter
mit 81 ml Toluol werden 10 g Butadien und 5·10–5 mol
Tetramethylethylendiamin (TMEDA) gegeben. Die Verunreinigungen werden
mit n-BuLi neutralisiert, dann gibt man 5·10–5 mol n-BuLi
zu.
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Die
Polymerisation wird bei 50 °C
und mit 100 % Umwandlung des Butadien durchgeführt, die nach 55 min erreicht
wird.
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Zu
dem erhaltenen "Vergleichs"-Butadien gibt man
1 ml Methanol, dann erfolgt durch Zusatz von 0,3 g 4,4-Methylen-bis-2,6-t-butylphenol
die Antioxidation und man trocknet unter vermindertem Druck (200
mm Hg) bei 50 °C
24 h.
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b) Erfindungsgemäßes BR-BR-Elastomer
mit einem verminderten mittleren Grad an Vinylverknüpfungen
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In
einen entlüfteten
Behälter
mit 81 ml Toluol werden 10 g Butadien und 5·10–5 mol
Tetramethylethylendiamin (TMEDA) gegeben. Die Verunreinigungen werden
mit n-BuLi neutralisiert, dann gibt man 5·10–5 mol n-BuLi
zu.
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Die
Polymerisation erfolgt bei 50 °C,
nach 23 %-iger Umwandlung des Butadien gibt man 6·10–5 mol LiAl(Et)3(Bu) zu. Die Reaktion wird bis zur 100 %-igen
Umwandlung des Butadien ablaufen gelassen, die nach 75 min erreicht
ist.
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Zu
dem erfindungsgemäß hergestellten
Butadien gibt man 1 ml Methanol, worauf durch Zugabe von 0,3 g 4,4-Methylen-bis-2,6-t- butylphenol die Antioxidation
erfolgt; man trocknet unter vermindertem Druck (200 mm Hg) bei 50 °C während 24
h.
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c) Eigenschaften der auf
diese Weise erhaltenen BR-BR-Elastomere
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Die
Mikrostrukturen werden nach der genannten Technik des 13C-NMR
bei 200 MHz ermittelt. Das "Vergleichs"-BR-BR-Elastomer
hat einen mittleren Grad an Vinylverknüpfungen von 74 %, wobei der
Gehalt für
beide BR-Blöcke,
die das Elastomer enthält,
gleich ist.
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Das
erfindungsgemäße BR-BR-Elastomer
hat wegen der Zugabe des LiAl(Et)3(Bu) einen
mittleren Gehalt an Vinylverknüpfungen
von nur 28 %. Außerdem
weisen die beiden BR-BR-Blöcke,
die es enthält,
zwei deutlich verschiedene Vinylgehalte auf (der erste BR-Block
hat die Mikrostruktur des "Vergleichs"-Elastomers, wohingegen
der zweite BR-Block einen Gehalt an Vinylverknüpfungen von 14 % aufweist.
- – Der
Polymolekularitätsindex
(Ip), der nach dem genannten Verfahren der Gelchromatographie (SEC)
ermittelt wird, beträgt
für das "Vergleichs"-BR-BR-Elastomer
und das erfindungsgemäße Elastomer
1,09.
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Die
Molmassen des "Vergleichs"-BR-BR-Elastomers
und des erfindungsgemäßen Elastomers
sind 140 000 g/mol bzw. 130 000 g/mol
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3) Herstellung von weiteren
BR-BR mit verschiedenen mittleren Graden an Vinylverknüpfungen
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a) Polymerisationen:
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Sie
werden unter den in Abschnitt 2) des Beispiels 1) beschriebenen
Bedingungen durchgeführt
(mit dem gleichen Metall-organischen Komplex), abgesehen davon,
dass:
- – anstelle
des Tetramethylethylendiamin das Dimethoxyethan als polarer Stoff
verwendet wird, wobei die eingesetzten Mengenanteile den Mengenanteilen
in dem genannten Abschnitt 2) entsprechen, und
- – der
Komplex LiAl(Et)3(Bu) in das Polymerisationsmedium
gegeben wird, wenn der Umwandlungsgrad des Butadien 18 % erreicht
hat (anstelle von 23 % in Abschnitt 2)).
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b) Eigenschaften des "Vergleichs"-BR-BR-Elastomers
und des erfindungsgemäßen Elastomers:
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- – Die
Mikrostrukturen werden wie oben ermittelt.
- Das "Vergleichs"-BR-BR-Elastomer
weist einen mittleren Grad an Vinylverknüpfungen von 60 % auf, wobei der
Gehalt bei beiden BR-Blöcken, die
es enthält,
gleich ist. Das erfindungsgemäße BR-BR-Elastomer
hat einen mittleren Grad an Vinylverknüpfungen von nur 25 %, da das
LiAl(Et)3(Bu) zugegeben wurde. Außerdem haben
die beiden BR-BR-Blöcke,
die es enthält,
deutlich unterschiedliche Vinylgehalte (der erste BR-Block hat die
Mikrostruktur des "Vergleichs"-Elastomers, wohingegen
der zweite BR-Block einen Gehalt an Vinylverknüpfungen von 17 % aufweist.
- – Der
Polymolekularitätsindex
(Ip), der nach der SEC-Technik bestimmt wurde, beträgt wieder
1,09 für
das "Vergleichs"-BR-Elastomer und
das erfindungsgemäße Elastomer.
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Die
Molmassen des "Vergleichs"-BR-BR und des erfindungsgemäßen Elastomers
sind 140 000 g/mol bzw. 130 000 g/mol.
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BEISPIEL 2:
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Herstellung von Copolymeren
mit zwei Styrol/Butadien-Blöcken
(SBR-SBR)
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1) Herstellung von SBR-SBR
mit unterschiedlichen mittleren Gehalten an Vinylverknüpfungen
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Die
Polymerisationen erfolgen unter den in Abschnitt 2) des Beispiels
1) beschriebenen Bedingungen (mit dem gleichen Metall-organischen
Komplex), abgesehen davon, dass:
- – 10 g Butadien
durch 4 g Styrol und 6 g Butadien ersetzt werden, und
- – der
Komplex LiAl(Et)3(Bu) in das Polymerisationsmedium
gegeben wird, sobald der Umwandlungsgrad des Butadien 30 % erreicht
hat.
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2) Eigenschaften des "Vergleichs"-SBR-SBR und des
erfindungsgemäßen SBR-SBR:
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Es
werden Proben jedes SBR-SBR ("Vergleich" und erfindungsgemäß) bei unterschiedlichen
Umwandlungsgraden der Monomere entnommen. Jede entnommene Probe
wird mit Methanol gestoppt, antioxidiert und dann unter vermindertem
Druck getrocknet. Die verschiedenen Proben werden zur Ermittlung
des Gehalts an Styrolverknüpfungen
und Vinylverknüpfungen
durch Spektroskopie im nahen Infrarotbereich analysiert. Die Mikrostruktureigenschaften
sind in der folgenden Tabelle zusammengefasst.
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Dieses
Beispiel zeigt, dass durch den Zusatz des Komplexes LiAl(Et)3(Bu) in das Polymerisationsmedium der mittlere
Grad der Vinylverknüpfungen
in dem Elastomer mit zwei SBR-SBR-Blöcken signifikant vermindert
werden kann.