-
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
-
GEBIET DER ERFINDUNG
-
Diese
Erfindung betrifft eine Stoffmassenverstärkung aus polymeren Zusammensetzungen
als Mittel zum Erhöhen
der Zugmodule derartiger Zusammensetzungen. Die erfindungsgemäße Stoffmasse
ist ein spezielles Zweikomponentenmaterial.
-
BESCHREIBUNG DES STANDS DER
TECHNIK
-
Die
am 3. November 1998 auf Anmeldung durch G. Vercesi et al. herausgegebene
Patentschrift der
Vereinigten
Staaten Nr. 5830395 offenbart die Herstellung einer Zusammensetzung
mit einer Stoffmasse, die gleichförmig in einem Polymer dispergiert
ist. Die Stoffmasse ist ein Einkomponentenmaterial.
-
Die
Forschungsoffenbarungen 329110 und 330093, im September bzw. Oktober
1991 veröffentlicht, offenbaren
die Verwendung von Aramidstoffmasse als Verstärkung für Elastomermaterialien.
-
Die
Japanische Patentveröffentlichung
Kokai Nr. 59-163418 , am 14. September 1984 veröffentlicht, offenbart
Fasern, die 80–99
Gewichtsprozent Poly(p-phenylenterephthalamid) und 1–20 Gewichtsprozent
aliphatisches Polyamid umfassen. Die Fasern sind zur Stoffmasse
verarbeitet und werden in Papier- und möglicherweise bei anderen Anwendungen
verwendet.
-
Die
Patentschrift der
Vereinigten
Staaten Nr. 5094913 , am 10. März 1992 herausgegeben, offenbart eine
Zweikomponentenstoffmasse, die als Verstärkung in Polymerzusammensetzungen
verwendet werden kann.
-
Die
Japanische Patentveröffentlichung
Kokai Nr. 53-111120 , am 28. September 1978 veröffentlicht,
offenbart Fibride, bei denen es sich um eine gemischte Kombination
von Para-Aramid und einem zweiten Polymer handelt, die unter anderem
als Papierkomponente und als Verstärkung für Gummireifen nützlich ist.
-
WO 96/10105 offenbart eine
faserartige Stoffmasse aus einer Kombination von Poly(p-Phenylenterephthalamid)
und Poly(vinylpyrrolidon).
-
KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER
ERFINDUNG
-
Diese
Erfindung betrifft eine faserartige Verstärkungszusammensetzung umfassend
20 bis 99 Gewichtsprozent Elastomer und 1 bis 80 Gewichtsprozent
faserartige polymere Stoffmasse, die gleichförmig damit kombiniert ist,
wobei die faserartige Stoffmasse eine Kombination von mindestens
zwei organischen polymeren Materialien ist und einen Oberflächenbereich
von mehr als 6 m2/g (Quadratmetern pro Gramm)
aufweist.
-
In
einer Ausgestaltung der Erfindung sind die Komponenten der Stoffmasse
in Schwefelsäure
löslich und
gegenseitig nicht mischbar und die Stoffmasse kann eine raffinierter
Faserflock sein.
-
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
-
Es
besteht heute und schon seit langer Zeit ein Bedarf für eine elastomere
Verstärkung,
die den Zugmodul von Gegenständen,
die mit Hilfe des Elastomers hergestellt werden, erhöht. Diese
Erfindung ist diesem Bedarf gewidmet.
-
Polymermodule
sind in der Vergangenheit durch Zugabe verschiedener Zusatzmittel
zum Polymer erhöht
worden. Teilchen, insbesondere Ruß oder Siliciumdioxid, sind
als Verstärkung
für Kautschuk
verwendet worden, um einen erhöhten
Modul, wie ihn faserartige Materialien wie Stoffmasse aufweisen,
zu erreichen.
-
Die
vorliegende Erfindung hat das Ziel, den Elastomermodul durch Zugabe
einer Stoffmasse zum Elastomer noch weiter zu erhöhen. Die
Stoffmasse befindet sich jedoch in einer Form mit Qualitäten, die
für die
Dispersion in einem Elastomer und zum Erhöhen der Haftung an einem Elastomer
besonders geeignet sind. Die erfindungsgemäße Stoffmasse weist einen besonders
großen
Oberflächenbereich
auf und ist aus einer Kombination von mindestens zwei organischen
polymeren Materialien hergestellt.
-
Erfindungsgemäße faserartige
polymere Stoffmassen können
durch Raffinieren eines Faserflocks hergestellt werden, der aus
aus der erwünschten
Komponente bestehenden polymeren Materialien hergestellt ist; und
der Flock kann durch Zerschneiden von Fasern hergestellt werden,
die aus einer Mischung der am der Komponente bestehenden polymeren
Materialien gesponnen worden ist. Die am gewöhnlichsten für diese
Erfindung verwendete Stoffmasse ist eine Stoffmasse, die hauptsächlich aus
Para-Aramid besteht.
Das Para-Aramid kann aus einer Lösung
von Schwefelsäure
gesponnen werden; und irgendwelche anderen Komponentenmaterialien
müssen
in diesem Fall in Schwefelsäure
löslich
und beständig
sein.
-
Mit „Para-Aramid" ist ein Polyamid
gemeint, bei dem mindestens 85% der Amid-(-CO-NH-) Verknüpfungen
direkt in Para-Orientierung an zwei aromatischen Ringen angeknüpft sind.
-
Mit
dem Para-Aramid können
Zusatzmittel verwendet werden und es hat sich erwiesen, dass bis
zu 10 Prozent, auf das Gewicht bezogen, anderes polymeres Material
mit dem Para-Aramid gemischt werden können oder dass Copolymere verwendet
werden können,
bei denen bis zu 10 Prozent anderes Diamin für das Diamin des Para-Aramids
substituiert oder bis zu 10 Gewichtsprozent anderes Disäureschlorid
für das
Disäurechlorid
des Para-Aramids substituiert werden können. Poly(p-phenylenterephthalamid)
(PPD-T) ist das bevorzugte Para-Aramid für die praktische Anwendung
dieser Erfindung. Mit PPD-T ist das Homopolymer gemeint, das am
der Polymerisation von Mol für
Mol p-Phenylendiamin und Terephthaloylchlorid herrührt und auch
Copolymere, die aus dem Einarbeiten geringer Mengen anderer Diamine
mit dem p-Phenylendiamin und geringer Mengen anderer Disäurechloride
mit dem Terephthaloylchlorid herrühren. Gewöhnlich können andere Diamine und andere
Disäurechloride
in Mengen von bis zu etwa 10 Molprozent, auf das p-Phenylendiamin oder
das Terephthaloylchlorid bezogen, oder eventuell etwas mehr verwendet
werden, nur vorausgesetzt, dass die anderen Diamine und Disäurechloride
keine reaktiven Gruppen aufweisen, die die Polymerisationsreaktion
stören.
PPD-T bedeutet auch Copolymere, die aus dem Einarbeiten anderer
aromatischer Diamine und anderer aromatischer Disäurechloride,
wie beispielsweise 2,6-Naphthaloylchlorid oder Chlor- oder Dichlorterephthaloylchlorid
herrühren,
nur vorausgesetzt, dass die anderen aromatischen Diamine und aromatischen
Disäurechloride
in Mengen vorliegen, die die Herstellung anisotroper Spinndotiermittel
erlauben. Die Herstellung von PPD-T ist in den Patentschriften der
Vereinigten Staaten Nr. 3869429 ;
4308374 und
4698414 beschrieben.
-
Beispiele
polymerer Materialien, die in der erfindungsgemäßen Stoffmasse verwendet werden
können,
umfassen: Para-Aramide und Copolymere, wie oben aufgeführt, cycloaliphatische
Polyamide und aliphatische Polyamide, wie Nylon 6 und Nylon 66,
Poly(vinylpyrrolidon), Meta-Aramide wie Poly(m-Phenylenisophthalamid) und Copolymere.
-
Die
bei dieser Erfindung verwendete Stoffmasse weist, wie angegeben,
einen großen
Oberflächenbereich
auf; und dieser große
Oberflächenbereich
wird während
des Verfahrens erreicht, bei dem Faserflock aus der Kombination
von Polymeren zum Herstellen einer Stoffmasse raffiniert wird. Die
Fasern und die so gebildete Stoffmasse müssen aus aus mindestens zwei
Komponenten bestehenden polymeren Materialien hergestellt werden
und die polymeren Komponentenmaterialien dürfen gegenseitig nicht mischbar
sein, so dass die polymeren Materialien in den Fasern in gut gemischten,
jedoch getrennten Feste Phasen vorliegen. Die Fasern der gut gemischten,
jedoch getrennten fest Phasen, werden sie zu einer Stoffmasse raffiniert,
ergeben Stoffmassenteilchen mit Bereichen von zwei verschiedenen
polymeren Materialien; – wobei
eine Phase die kontinuierliche, primäre, polymere Phase, gewöhnlich das
Para-Aramidpolymer,
und die andere Phase die diskontinuierliche, sekundäre Polymerphase,
gewöhnlich
die andere Polymerkomponente in der Kombination ist.
-
Das
primäre
Polymer ist, wie angegeben, eine kontinuierliche Polymerphase in
den Fasern und in der faserartigen Stoffmasse nach dem Raffinieren.
Im Aufbau der Stoffmassenzusammensetzungen stellt das primäre Polymer
65 bis 97 Gewichtsprozent der gesamten Zusammensetzung dar. Das
sekundäre
Polymer stellt 3 bis 35 Gewichtsprozent der gesamten Zusammensetzung
dar, liegt als diskontinuierliche Polymerphase in den Fasern vor
und ist an den Außenflächen der
faserartigen Stoffmasse nach dem Raffinieren konzentriert.
-
Im
Raffinationsvorgang, bei dem Flock gemahlen oder zerfasert wird,
um einzelne Fasern zu Stoffmassenteilchen zu zerbrechen, liegt das
diskontinuierliche sekundäre
Polymer als kleine Bereiche von Material vor, die sich durch die
Fasern hindurziehen und im Raffinationsvorgang als Störstellen
in der Faserstruktur zum Unterstützen
einer direkten und vollständigeren
Raffination zur Stoffmasse dienen. Nach dem Raffinieren liegt ein
Teil des diskontinuierlichen sekundären Polymers von der Störstelle
auf oder an der Oberfläche
jedes Stoffmassenteilchens vor, das aus dem Raffinationsvorgang
hervorgeht.
-
Aus
Flock raffinierte Stoffmasse, die aus einem einzigen polymeren Material
oder aus einer mischbaren Mischung von polymeren Materialien hergestellt
ist, die die Bereiche von diskontinuierlichem sekundärem Polymer
nicht aufweist, wird keinen derartigen großen Oberflächenbereich aufweisen oder,
falls sie ausreichend raffiniert ist, um einen derartigen großen Oberflächenbereich
aufzuweisen, wird sie diesen deshalb aufweisen, weil die Stoffmassenteilchen
mit einem geringeren Seitenverhältnis
kleiner und deshalb nicht so nützlich
sind.
-
Eine
wichtige Qualität
der ZweikomponentenStoffmasse, die bei dieser Erfindung verwendet
wird, ist der Oberflächenbereich
oder der spezifische Oberflächenbereich
der Stoffmasse. Wie hier schon anderswo angegeben, wird der Faserflock,
der aus der Zweikomponentenmischung von polymeren Materialien hergestellt
ist, durch Bruchstellen, die durch das Vorliegen von Bereichen des
diskontinuierlichen zweiten Polymers bereitgestellt werden, ohne
Weiteres zu Stoffmasse von großem
Oberflächenbereich
raffiniert. Ein großer Oberflächenbereich
ist deshalb wichtig, weil der Oberflächenbereich einen Hinweis auf
das Ausmaß der
Fibrillierung der Flockfasern bietet. Ein großer Oberflächenbereich (und daher ein
hoher Grad an Fibrillierung) bedeutet, dass die Stoffmasse einen
größeren Kontakt
mit den Matrixpolymermaterialien und daher eine stärkere Wirkung
auf die Qualitäten
der Matrixpolymermaterialien ausübt.
Die Stoffmasse dieser Zusammensetzung sollte einen spezifischen
Oberflächenbereich
von mindestens 6 m2/g aufweisen – mindestens
8 m2/g ist bevorzugt und mindestens 10 m2/g ist noch bevorzugter.
-
Im
Gegensatz zur Verwendung der nicht mischbaren Kombination von mindestens
zwei polymeren Materialien in den Fasern ist die Herstellung der
erfindungsgemäßen Stoffmasse
im Wesentlichen die gleiche wie die Herstellung von Stoffmasse aus
Fasern einer einzigen Phase von polymerem Material. Die Fasern von Zweikomponentenmaterialien
werden auf die gleiche Weise wie Einkomponentenfasern gesponnen.
Für Fasern,
die Para-Aramid als Hauptkomponente aufweisen, wird das allgemein
bekannte sogenannte Luftspaltspinnen vorgezogen, wie es in der oben
erwähnten
US 5094913 gelehrt wird.
Das Raffinieren der Zweikomponentenfasern erfordert im Allgemeinen
weniger Energie als das Raffinieren von Einkomponentenfasern, weil, wie
vorher schon erklärt,
die Zweikomponentenfasern sich unter Raffinationskräften leichter
fibrillieren.
-
Die
erfindungsgemäße Stoffmasse
wird zum Verstärken
von Elastomeren zum Herstellen einer Zusammensetzung mit einem erstaunlich
hohen Zugmodul im Vergleich mit Zusammensetzungen, die durch andere
teilchenförmige
Materialien verstärkt
sind, einschließlich
herkömmlicher
Einkomponentenstoffmassen, verwendet.
-
Die
erfindungsgemäße Zusammensetzung
umfasst 1 bis 80 Gewichtsprozent des faserartigen, aus ZweikomponentenStoffmasse
bestehenden Verstärkungsmaterials
und 20 bis 99 oder eventuell sogar mehr Gewichtsprozent zu verstärkendes
Polymer. Die Menge an Stoffmassenverstärkungsmaterial kann über einen breiten
Bereich, je nach der beabsichtigten Endanwendung des verstärkten Elastomers
variieren. Beispielsweise können
bei Anwendungen, bei denen das verstärkende Elastomer Kautschuk
ist, Kraftübertragungsriemen
bis zu 5 bis 20 Gewichtsprozent der Stoffmasse aufweisen, während Reifen
nur 0,5 bis 5 Gewichtsprozent Stoffmasse aufweisen können. Auch
kann die erfindungsgemäße Zusammensetzung
mit einer sehr hohen Konzentration an Stoffmasse – wie 50
bis 80 Gewichtsprozent – als „Konzentrat"-Material zur Verwendung
bei der Herstellung zusätzlicher
Elastomermischungen durch Erleichtern des Dispergierens der Stoffmasse
verwendet werden.
-
Beispiele
von Elastomeren, die durch die erfindungsgemäße Stoffmasse verstärkt werden
können, sind:
Styrolbutadienkautschuk (SBK); Naturkautschuk (NK); Isoprenkautschuk;
Butylkautschuk (BK); Butadienkautschuk, Ethylenpropylendien-Copolymer
(EPDM); Polychloropren (CR); Nitrilkautschuk (NK); hydrierter Nitrilkautschuk
(HNK); Polyurethan; Ethylen-Octylen-Copolymer; elastomeres Ethylen-Acryl-Copolymer;
Fluorelastomer; Siliconkautschuk.
-
Die
erfindungsgemäße Zweikomponentenstoffmasse
wird mit dem Elastomer zum Verstärken
durch irgendeine Möglichkeit
kombiniert, die eine innige, im Wesentlichen homogene Mischung von Stoffmasse
und Elastomer ergibt. Ein bevorzugtes Verfahren zum Kombinieren
von Stoffmasse und Elastomer besteht darin, die Stoffmasse mit dem
Elastomer in einem Extruder der Lehre des
US-Patents 5830395 gemäß zu mischen. Das
Verfahren dieses Patents umfasst das Einführen von feuchter Stoffmasse
in einen Extruder, das Trocknen der Stoffmasse im Extruder, das
Einführen
von Polymer in den Extruder zum Mischen mit der getrockneten Stoffmasse
und das Ausstoßen
einer im Wesentlichen gleichförmigen
Stoffmasse und Polymerzusammensetzung aus dem Extruder. Eine bevorzugte
Methode für
das Kombinieren von Stoffmasse und Elastomer besteht darin, die
Stoffmasse mit einem Latex des Elastomers in einem Extruder der
Lehre der
US-Patente 5205972 und
5205973 gemäß zu mischen.
Die Methode dieser Patente umfasst das Mischen feuchter Stoffmasse
und eines Latex des Elastomers in einem Extruder, das Koagulieren
des Latex in dem Extruder, das Entwässern der Mischung, Verdampfen
des überbleibenden
Wassers und das Ablassen der Stoffmasse und der Elastomerzusammensetzung
von dem Extruder.
-
Andere
Mittel zum Kombinieren der Stoffmasse und des Elastomers umfassen:
das Dispergieren von trockener Stoffmasse in einer Lösungsmittellösung des
Elastomers und das Verdampfen des Lösungsmittels; das Mischen der
trockenen Stoffmasse mit einem flüssigen Elastomer; das Mischen
der Stoffmasse mit einer wässrigen
Emulsion des Elastomers und das Verdampfen des Wassers. Das Verfahren
zum Erreichen der Kombination ist nicht wichtig, solange das Produkt
eine im Wesentlichen gleichförmige
Dispersion von Stoffmasse und Polymer ist.
-
PRÜFMETHODEN
-
Elastomerzugeingenschaften
-
Die
Eigenschaften werden unter Anwendung von ASTM D412-98a mit der Prüfmethode
A und der Düse
C bestimmt. Modulwerte, die durch diesen Test bestimmt werden, werden
als Zugspannung bei einer vorgegebenen Dehnung bezeichnet und stellen
die Spannung dar, die zum Strecken des gleichförmigen Querschnitts eines Prüflings auf
eine vorgegebene Dehnung erforderlich ist. Die Düse C ergibt Hantelprüflinge mit einem
reduzierten Abschnitt einer Breite von weniger als 25 Millimetern
und einer Dicke von etwa 2 Millimeter. Eine Prüfstückmesslänge von 50 Zentimetern und
eine Kreuzkopfgeschwindigkeit von 50 Zentimetern pro Minute werden
angewendet. Es werden Werte für
verschiedene Dehnungen, die in den Beispielen aufgeführt sind,
angegeben.
-
Faserlänge
-
Die
Faserlänge
wird mit Hilfe eines Kajaani-Instruments FS-200 (Kajaani Electronics,
Kajaani, Finnland) gemessen. Eine wässrige Aufschlämmung von
Fasern wird in einer Konzentration hergestellt, die für eine Analyserate
von 40–60
Fasern pro Sekunde ausreicht. Die Aufschlämmung wird durch die Kapillare
des Instruments zum Aussetzen einem Laserstrahl und einem Detektor
gegenüber
geführt,
um die Faserlänge
zu bestimmen. Das Instrument führt
Berechnungen aufgrund der Detektorleistung durch und gibt drei verschiedene Längen an: – die arithmetische
Durschschnittslänge,
die längengewichtete
Durchschnittslänge
und die gewichtgewichtete Durchschnittslänge.
-
Spezifischer Oberflächenbereich
-
Die
Oberflächenbereiche
werden mit Hilfe der Methode der Einzelpunkt-BET-Stickstoffabsorption
unter Anwendung eines Strohlein-Oberflächenbereichsmessers (Standard
Instrumentation, Inc., Charleston, WV) bestimmt. Gewaschene Stoffmasseproben
werden in einem tarierten Probekolben, der gewogen und auf den Apparat
gestellt wird, getrocknet. Stickstoff wird bei der Temperatur von
flüssigem
Stickstoff adsorbiert. Die Adsorption wird durch den Druckunterschied
zwischen der Probe und den Bezugskolben (Druckmesserablesungen)
gemessen und der spezifische Oberflächenbereich wird aus den Druckmesserablesungen,
dem Barometerdruck und dem Probengewicht errechnet.
-
BEISPIELE
-
Eine
erfindungsgemäße Zusammensetzung
umfasst Stoffmasse, die aus Flock hergestellt worden ist, die aus
kontinuierlichen Fasern geschnitten worden ist, die aus einer Kombination
von Polymeren hergestellt worden sind. Die Fasern für den Flock
können
aus Lösungen
der erwünschten
Polymerkombination gesponnen werden. Kontinuierliche Fasern dieser
Beispiele wurden aus Lösungen,
die Poly(p-phenylenterephthalamid) (PPD-T) und mindestens eines
der Folgenden enthielten: Poly(vinylpyrrolidon) (PVP); Nylon 6,6
und Poly(m-phenylenisophthalamid) (MPD-I) unter Anwendung des Luftspaltspinnens
aus konzentrierter Schwefelsäure,
wie in der
US-Patentschrift Nr.
5094913 beschrieben ist, gesponnen.
-
Flockfasern
wurden aus diesen kontinuierlichen Fasern geschnitten und der Flock
wurde in einen Laborraffinator von 30 Zentimeter, von Sprout-Bauer
hergestellt, eingespeist. Die Flockfasern wiesen eine lineare Dichte
von 1,5 Denier und eine Länge
von 0,64 cm auf und wurden als Aufschlämmung von 1,5 Gewichtsprozent
in Wasser eingespeist. Die Fasern wurden durch mehrere Durchgänge durch
den Raffinator bei verschiedenen Plattenspalteinstellungen zu einer
Stoffmasse raffiniert. Nach dem Raffinieren wurde das so gebildete Stoffmassenprodukt
in einen Filterbeutel gepumpt und auf einen Feststoffgehalt von
etwa 8–16
Gewichtsprozent Feststoffe entwässert
und die charakteristischen Stoffmasseneigenschaften wurden bestimmt.
Diese Stoffmassencharakteristiken sind in Tabelle I gezeigt. TABELLE I Stoffmassenkomponenten und Charakteristiken
| 2. Polymer | Bereich | Kajannilänge, mm | < 0,2 mm |
| Kode | Typ | %
en poids | m2/g | *AR | *LWT | *WWT | *P |
| A | keines | 0 | 8,30 | 0,16 | 0,62 | 1,69 | 76,3 |
| B | keines | 0 | 9,0 | 0,18 | 0,62 | 1,41 | 72,7 |
| C | PVP | 10,7 | 13,9 | 0,22 | 0,69 | 2,04 | 60,6 |
| D | PVP | 10,7 | 21,2 | 0,22 | 0,57 | 1,28 | 60,4 |
| E | Nylon
6,6 | 10 | 11,9 | 0,24 | 0,65 | 1,47 | 58,7 |
| F | Nylon
6,6 | 10 | 19,5 | 0,23 | 0,60 | 1,44 | 59,1 |
| G | MPD-I | 10 | 9,7 | 0,22 | 0,80 | 2,34 | 62,9 |
| H | MPD-I | 10 | 18,9 | 0,22 | 0,59 | 1,39 | 61,7 |
| I | PVP | 20 | 21,9 | 0,26 | 0,64 | 1,48 | 54,4 |
| J | PVP | 3,7 | 10,4 | 0,21 | 0,92 | 2,86 | 68,8 |
| K | PVP | 20 | 18,3 | 0,29 | 0,74 | 1,62 | 48,2 |
| L | PVP | 16,7 | 22,0 | 0,24 | 0,61 | 1,36 | 56,2 |
| M | PVP | 10,7 | 8,8 | 0,24 | 0,81 | 2,67 | 59,7 |
| N | PVP | 10,7 | 19,5 | 0,23 | 0,67 | 1,62 | 59,5 |
| O | PVP | 16,7 | 16,6 | 0,26 | 0,72 | 1,73 | 54,8 |
| P | PVP | 20 | 12,3 | 0,24 | 0,65 | 1,69 | 57,3 |
| Q | PVP | 16,7 | 10,5 | 0,27 | 0,83 | 2,53 | 53,9 |
| R | PVP | 3,7 | 17,3 | 0,16 | 0,41 | 0,84 | 72,2 |
| S | PVP | 10,7 | 14,5 | 0,24 | 0,69 | 1,89 | 58,7 |
| T | MPD-I | 5 | 9,5 | 0,24 | 0,90 | 2,58 | 63,0 |
| U | MPD-I | 5 | 14,1 | 0,23 | 0,68 | 1,67 | 60,3 |
| V | MPD-I | 10 | 10,8 | 0,26 | 0,78 | 2,14 | 56,5 |
| W | MPD-I | 10 | 20,2 | 0,25 | 0,65 | 1,40 | 56,0 |
| ZZ | Keine Faserkontrolle | |
- *LMA = Arithmetische Durchschnittslänge
- *LPL = längengewichtete
Durchschnittslänge
- *LPP = gewichtgewichtete Durchschnittslänge
- *P = Prozentsatz Fasern von weniger als 0,2 mm im Material
-
Um
ein Fasermatrixkonzentrat, das zum Herstellen der erfindungsgemäßen Zusammensetzung
und der Kontrollzusammensetzungen verwendet wird, herzustellen,
wurde die Stoffmasse zuerst mit einem Elastomer kombiniert. Um die
Zusammensetzung für
diese Beispiele herzustellen, wurde diese Kombination wie folgt
erreicht: 400 Gewichtsteile einer wässrigen Masse von 10 Gewichtsprozent
Stoffmasse wurden in 3000 Gewichtsteilen Wasser unter kräftigem Rühren bei
hoher Schergeschwindigkeit dispergiert. 25 Gewichtsteile einer Lösung von
12 Gewichtsprozent und 3 Gewichtsteile einer Lösung von 20 Gewichtsprozent
Alcogum 6940 und Alcogum SL-76, die jeweils von Alco Chemical Company
verkauft werden, wurden der Stoffmassendispersion als Rheologiemodifikatoren
zugegeben. Eine Menge von Elastomerlatex wurde zugegeben, um 133 Teile
Kautschuk, auf das Trockengewicht bezogen, für die Mischung bereitzustellen.
Beispielsweise 700 Teile eines Styrol-Butadien-Kautschuklatex von
19 Gewichtsprozent oder 222 Teile von Naturkautschuklatex von 60 Gewichtsprozent,
wobei die Latexmengen von der Latexkonzentration abhängen. Dieser
Mischung wurden 100 Gewichtsteile eines Koagulationsmittels zugegeben.
Das Koagulationsmittel war eine wässrige Lösung von 5 Gewichtsprozent
Essigsäure
und 25 Gewichtsprozent Calciumchlorid. Die Stoffmasse und das Elastomer
wurden zusammen koaguliert und die koagulierte Masse wurde in einer
von Hand getriebenen mechanischen Presse entwässert und dann getrocknet.
-
Um
die Wirksamkeit der erfindungsgemäßen Zusammensetzungen zu bestimmen,
wurden die oben beschriebenen Konzentrate mit einem Elastomer gemischt
und die Mischungen wurden geprüft.
Das Mischen erfolgte in einem Zweistufenvorgang mit Hilfe eines
Banbury-Mischer und einer aus zwei Walzen bestehenden Kautschukmühle. Die
Bestandteile für
jede beispielhaft angegebene Elastomermatrix sind einzeln in den
unten aufgeführten
Tabellen angegeben; man sollte sich jedoch im Klaren darüber sein,
dass diese Rezepturen allgemein verwendete Rezepturen sind, die
nur einige einer riesigen Anzahl derartiger Elastomerrezepturen
darstellen, die durch die erfindungsgemäße Zusammensetzung verbessert
werden. In der ersten Stufe des Vorgangs wurde der Banbury-Mischer
eingeschaltet und in folgender Reihenfolge mit 1/2 des Elastomers,
dem Stoffmassenkonzentrat und 1/2 des Elastomers beaufschlagt. Nach
etwa einer Minute wurden das Zinkoxid und 1/2 des Rußes zugegeben;
und nach weiteren 1½ Minuten
wurden alle übrigen
Bestandteile, mit Ausnahme der Aushärtungsmaterialien, zugegeben.
Nach etwa 4 weiteren Minuten wurde die Masse in eine aus zwei Walzen
bestehende Kautschukmühle überführt, wo
sie mit drei Schnitten auf jeder Seite und drei Enddurchgängen vor
dem Ablassen in Form von Platten bearbeitet wurde.
-
In
der zweiten Stufe des Verfahrens wurde der sich in Betrieb befindende
Banbury-Mischer in dieser Reihenfolge mit 1/2 des Produkts der ersten
Stufe, den Aushärtungsmaterialien
und 1/2 des Produkts der ersten Stufe beaufschlagt. Nach etwa zwei
Minuten wurde die Masse in die aus zwei Walzen bestehende Kautschukmühle überführt, wo
sie mit fünf
Schnitten auf jeder Seite und drei endgültigen Durchgängen vor
dem Ablassen in Form von Platten bearbeitet wurde.
-
Jede
der Zusammensetzungen wurde dem obigen Vorgang gemäß unter
Bildung eines stoffmassenverstärkten
elastomeren Materials gemischt. Das so gebildete elastomere Material
wurde auf den Zugmodul hin geprüft,
um die Unterschiede zwischen dem durch Stoffmasse verstärkten elastomeren
Material in der erfindungsgemäßen Zusammensetzung
und dem durch andere Stoffmasse oder keine Stoffmasse verstärkten elastomeren
Material zu bestimmen.
-
Genaue
Erklärungen
der Beispiele, die in Beispielgruppen unterteilt sind, sind unten
aufgeführt.
-
BEISPIELE 1–9
-
Bei
diesen Beispielen wurden eine Reibe verschiedener Stoffmassen mit
Nitril-Butadien-Kautschuk (NBK)
zum Herstellen von erfindungsgemäßen Zusammensetzungen
kombiniert. Zu Beginn wurden die Stoffmassen als Konzentrat in einer
Konzentration von 30 Teilen Stoffmasse in 100 Teilen NBK compoundiert.
Das Konzentrat wurde in einer Konzentration von 13 Teilen Konzentrat
in 90 Teilen NBK compoundiert. Die schließlich gebildete Zusammensetzung
wurde gegen eine Kontrolle durch Compoundieren derselben in einer
Konzentration von 3 Gewichtsteilen Stoffmasse je 100 Gewichtsteile
Elastomer und Bestimmen des Zugmoduls des compoundierten Materials
bei verschiedenen Dehnungen beurteilt. Die Elastomermatrix für diese
Beispiele ist in Tabelle II gezeigt. TABELLE
II
| Bestandteil | Funktion | Teile
(Gew.-%) |
| NBK | NBK-Kautschuk | 90 |
| Stoffmassenkonzentrat | Faserverstärkung | 13 |
| Zinkoxid | Aktivator | 5 |
| Stearinsäure | Prozesshilfsmittel | 5 |
| Agerite-Harz
D | Stabilisator | 2 |
| Durex
12687 | Aktivator | 2 |
| HiSil
233 | Siliciumdioxidverstärkung | 45 |
| Titandioxid | Pigment | 5 |
| Schwefel | Aushärtungsmittel | 1,5 |
| Altax | Aushärtungsmittel | 1 |
| Diethylenglykol | Beschleuniger | 1 |
-
Die
Tabelle III identifiziert die Stoffmasse durch die Menge an Zusatzmittel
und den Oberflächenbereich
und gibt den Zugmodul für
die verschiedenen Zusammensetzungen an. Es lässt sich feststellen, dass
die erfindungsgemäßen compoundierten
Zusammensetzungen immer Zugmodule aufwiesen, die signifikant höher sind
als die Module der Kontrolle. TABELLE III
| | Module (psi)
bei Dehnung in % |
| Kode | Bsp.
Nr. | 2.
Polymer (Gew.-%) | Oberflächenbereich
(m2/g) | 10 | 30 | 50 | 100 |
| A | 1C | keines | 8,3 | 413 | 810 | 1003 | 1228 |
| B | 2C | keines | 9,0 | 367 | 747 | 940 | 1161 |
| C | 3 | PVP | 13,9 | 591 | 1072 | 1316 | 1629 |
| D | 4 | (10,7) | 21,2 | 713 | 1065 | 1249 | 1490 |
| E | 5 | Nyl
6,6 | 11,9 | 723 | 1447 | 1825 | 2258 |
| F | 6 | (10) | 19,5 | 873 | 1307 | 1516 | 1767 |
| G | 7 | MPD-I | 9,7 | 650 | 1183 | 1454 | 1803 |
| H | 8 | (10) | 18,9 | 567 | 973 | 1175 | 1444 |
| ZZ* | 9 | Keine
Stoffmasse | | 159 | 227 | 258 | 323 |
- *ZZ = Keine Faserverstärkung
-
BEISPIELE 10–18
-
Bei
diesen Beispielen wurden eine Reihe verschiedener Stoffmassen mit
Naturkautschuk und Styrol-Butadien-Kautschuk (NK/SBK) zum Herstellen
von erfindungsgemäßen Zusammensetzungen
kombiniert. Zu Beginn wurden die Stoffmassen als Konzentrat in einer
Konzentration von 30 Teilen Stoffmasse in 100 Teilen SBK compoundiert.
Dieses Konzentrat wurde dann in einer Konzentration von 13 Teilen
Konzentrat in 90 Teilen einer Mischung von 50/40 von NK/SBK compoundiert.
Die endgültige
Elastomerzusammensetzung war 50/50 NK/SBK. Die Zusammensetzungen
wurden gegen eine Kontrolle durch Compoundieren derselben in einer
Konzentration von 3 Teilen Stoffmasse in 100 Teilen 50/50 NK/SBK
und Bestimmen des Zugmoduls des Compoundiermaterials bei verschiedenen
Dehnungen beurteilt. Die Elastomermatrix für diese Beispiele ist in Tabelle
IV gezeigt. TABELLE
IV
| Bestandteil | Funktion | Teile
(Gew.-%) |
| RSS#1 | Naturkautschuk
(trocken) | 50 |
| SBK
1502 | SB-Kautschuk
(trocken) | 40 |
| Stoffmassenkonzentrat | Faserverstärkung | 13 |
| GPT-Black
(N-299) | Verstärkungsmittel | 45 |
| Sundex
790 | Prozesshilfsmittel | 9 |
| VANWAX
H Special | Gleitmittel | 1 |
| Dustan
6PPD | Stabilisator | 2 |
| VANOX
2 | Stabilisator | 1 |
| Zinkoxid | Aktivator | 3 |
| Stearinsäure | Prozesshilfsmittel | 3 |
| Schwefel | Aushärtungsmittel | 1,6 |
| AMAX | Beschleuniger | 0,8 |
| Accelerator
DPG | Beschleuniger | 0,4 |
-
Die
Tabelle V identifiziert die Stoffmasse durch die Menge an Zusatzmittel
und den Oberflächenbereich und
gibt den Zugmodul für
die verschiedenen Zusammensetzungen an. Es lässt sich feststellen, dass
die erfindungsgemäßen compoundierten
Zusammensetzungen immer Zugmodule aufwiesen, die signifikant höher sind
als die Module der Kontrolle. TABELLE V
| | Module (psi)
bei Dehnung in % |
| Kode | Bsp
Nr. | 2.
Polymer (Gew.-%) | Oberflächenbereich
(m2/g) | 10 | 30 | 50 | 100 |
| A | 10C | keines | 8,3 | 540 | 842 | 888 | 914 |
| B | 11C | keines | 9,0 | 460 | 733 | 769 | 790 |
| C | 12 | PVP | 13,9 | 957 | 1238 | 1268 | 1273 |
| D | 13 | (10,7) | 21,2 | 843 | 1218 | 1283 | 1317 |
| E | 14 | Nyl
6,6 | 11,9 | 965 | 1237 | 1275 | 1290 |
| F | 15 | (10) | 19,5 | 1025 | 1273 | 1299 | 1306 |
| G | 16 | MPD-I | 9,7 | 696 | 964 | 1006 | 1034 |
| H | 17 | (10) | 18,9 | 978 | 1224 | 1255 | 1259 |
| ZZ* | 18 | Keine
Stoffmasse | | 74 | 127 | 164 | 263 |
- *ZZ = Keine Faserverstärkung
-
BEISPIELE 19–24
-
Bei
diesen Beispielen wurden eine Reihe verschiedener Stoffmassen mit
Naturkautschuk (NK) zum Herstellen von erfindungsgemäßen Zusammensetzungen
kombiniert. Zu Beginn wurden die Stoffmassen als Konzentrat in einer
Konzentration von 30 Teilen Stoffmasse in 100 Teilen NK compoundiert.
Das Konzentrat wurde in einer Konzentration von 21,75 Teilen Konzentrat
in 83,25 Teilen NK compoundiert. Die endgültige Zusammensetzung wurde
dann gegen eine Kontrolle durch Compoundieren derselben in einer
Konzentration von 3 Gewichtsteilen Stoffmasse in jeweils 100 Teilen
Elastomer und Bestimmen des Zugmoduls des compoundierten Materials
bei verschiedenen Dehnungen beurteilt. Die Elastomermatrix für diese
Beispiele ist in Tabelle VI gezeigt. TABELLE
VI
| Bestandteil | Funktion | Teile
(Gew.-%) |
| RSS#1 | Naturkautschuk | 83,25 |
| Stoffmassenkonzentrat | Faserverstärkung | 21,75 |
| Zinkoxid | Aktivator | 8 |
| Stearinsäure | Prozesshilfsmittel | 1,5 |
| Agerite-Harz
D | Stabilisator | 1,5 |
| Permanox
6PPD | Stabilisator | 1,5 |
| Circo
Leichtöl | Prozesshilfsmittel | 2 |
| FEF
N550 | Ruß | 30 |
| 80%
unlöslicher
Schwefel | Aushärtungsmittel | 4,5 |
| BBTS | Beschleuniger | 1 |
-
Die
Tabelle VI identifiziert die Stoffmasse durch die Menge an Zusatzmittel
und den Oberflächenbereich
und gibt den Zugmodul für
die verschiedenen Zusammensetzungen an. Es lässt sich feststellen, dass
die erfindungsgemäßen compoundierten
Zusammensetzungen immer Zugmodule aufwiesen, die signifikant höher sind
als die Module der Kontrolle. TABELLE VII
| | Module (psi)
bei Dehnung in % |
| Kode | Bsp.
Nr. | 2.
Polymer (Gew.-%) | Oberflächenbereich
(m2/g) | 10 | 25 | 50 | 100 |
| A | 19C | keines | 8.3 | 269 | 826 | 983 | 965 |
| B | 20C | keines | 9.0 | 403 | 816 | 906 | 909 |
| C | 21 | PVP | 13.9 | 1194 | 1447 | 1462 | 1469 |
| D | 22 | (10,7) | 21.2 | 1649 | 2015 | 1965 | 1920 |
| I | 23 | PVP
(20) | 21.9 | 920 | 1836 | 1878 | 1821 |
| ZZ* | 24 | Keine
Stoffmasse | | 35 | 68 | 109 | 183 |
- *ZZ = Keine Faserverstärkung
-
BEISPIELE 25–33
-
Bei
diesen Beispielen wurden eine Reihe verschiedener Stoffmassen mit
Neopren zum Herstellen von erfindungsgemäßen Zusammensetzungen kombiniert.
Zu Beginn wurden die Stoffmassen als Konzentrat in einer Konzentration
von 30 Teilen Stoffmasse in 100 Teilen Neopren compoundiert. Das
Konzentrat wurde in einer Konzentration von 26 Teilen des Konzentrats
in 80 Teilen Neopren compoundiert. Die endgültige Zusammensetzung wurde
gegen eine Kontrolle durch Compoundieren derselben in einer Konzentration
von 6 Teilen der Stoffmasse in 100 Teilen Neopren und Bestimmen
des Zugmoduls des compoundierten Materials bei verschiedenen Dehnungen
beurteilt. Die Elastomermatrix, die für diese Beispiele verwendet
wurde, ist in Tabelle VIII gezeigt. TABELLE
VIII
| Bestandteil | Funktion | Teile
(Gew.-%) |
| Neopren
GRT | Elastomerbasis | 80 |
| Stoffmassenkonzentrat | Faserverstärkung | 26 |
| Stearinsäure | Prozesshilfsmittel | 1 |
| Magnesiumoxid | Aushärtungsmittel | 4 |
| Agerite
Stalate S | Stabilisator | 2 |
| Sundex
790 | Prozesshilfsmittel | 10 |
| SRF
N774 | Ruß | 58 |
| Zinkoxid | Aushärtungsmittel | 5 |
-
Die
Tabelle IX identifiziert die Stoffmasse durch die Menge an Zusatzmittel
und den Oberflächenbereich
und gibt den Zugmodul für
die verschiedenen Zusammensetzungen an. Es lässt sich feststellen, dass
die erfindungsgemäßen compoundierten
Zusammensetzungen fast immer Zugmodule aufweisen, die signifikant höher sind
als die Module der Kontrolle. TABELLE IX
| | Module (psi)
bei Dehnung in % |
| Kode | Bsp.
Nr. | 2.
Polymer (Gew.-%) | Oberflächenbereich
(m2/g) | 10 | 25 | 50 | 100 |
| A | 25C | keines | 8,3 | 1583 | 2012 | 1964 | 1885 |
| B | 26C | keines | 9,0 | 1402 | 1776 | 1808 | 1797 |
| C | 27 | PVP | 13,9 | 1858 | 2253 | 2276 | - |
| D | 28 | (10,7) | 21,2 | 2080 | 2476 | - | - |
| E | 29 | Nyl
6,6 | 11,9 | 2038 | 2299 | - | - |
| F | 30 | (10) | 19,5 | 1573 | 1885 | 1996 | 2025 |
| G | 31 | MPD-I | 9,7 | 1778 | 1999 | 2028 | 1990 |
| H | 32 | (10) | 18,9 | 1797 | 2206 | 2403 | - |
| ZZ* | 33 | Keine
Stoffmasse | | 96 | 177 | 280 | 555 |
- *ZZ = Keine Faserverstärkung
-
BEISPIELE 34–53
-
Bei
diesen Beispielen wurden eine Reihe verschiedener Stoffmassen mit
Naturkautschuk (NK) zum Herstellen von erfindungsgemäßen Zusammensetzungen
kombiniert. Zu Beginn wurden die Stoffmassen als Konzentrat in einer
Konzentration von 30 Teilen Stoffmasse in 100 Teilen NK compoundiert.
Das Konzentrat wurde in einer Konzentration von 21,75 Teilen Konzentrat
in 83,25 Teilen NK compoundiert. Die endgültige Zusammensetzung wurde
dann gegen eine Kontrolle durch Compoundieren derselben in einer
Konzentration von 5 Gewichtsteilen Stoffmasse in 100 Teilen NK und
Bestimmen des Zugmoduls des compoundierten Materials bei verschiedenen
Dehnungen beurteilt. Die Elastomermatrix, die bei diesen Beispielen
verwendet wird, ist die gleiche wie diejenige, die für die Beispiele
19–24
verwendet wird.
-
Die
Tabelle X identifiziert die Stoffmasse durch die Menge an Zusatzmittel
und den Oberflächenbereich und
gibt den Zugmodul für
die verschiedenen Zusammensetzungen an. Es lässt sich feststellen, dass
die erfindungsgemäßen compoundierten
Zusammensetzungen immer Zugmodule aufweisen, die signifikant höher sind
als die Module der Kontrolle. TABELLE X
| | Module (psi)
bei Dehnung in % |
| Kode | Bsp.
Nr. | 2.
Polymer (Gew.-%) | Oberflächenbereich
(m2/g) | 10 | 25 | 50 | 100 |
| B | 34C | keines | 9,0 | 393 | 861 | 993 | 1036 |
| J | 35 | PVP
(3,7) | 10,4 | 842 | 1170 | 1331 | 1422 |
| K | 36 | (20) | 18,3 | 797 | 1312 | 1643 | 1797 |
| L | 37 | (16,7) | 22,0 | 1173 | 1594 | 1772 | - |
| M | 38 | (10,7) | 8,8 | 1377 | 1480 | 1466 | 1396 |
| I | 39 | (20) | 21,9 | 884 | 1528 | 1762 | - |
| N | 40 | (10,7) | 19,5 | 696 | 964 | 1006 | 1034 |
| K | 41 | (20) | 18,3 | 978 | 1224 | 1255 | 1259 |
| O | 42 | (16,7) | 16,6 | 1388 | 1723 | 1848 | 1952 |
| P | 43 | (20) | 12,3 | 1554 | 1861 | 1936 | - |
| I | 44 | (20) | 21,9 | 1199 | 1646 | 1772 | - |
| Q | 45 | (16,7) | 10,5 | 1504 | 1749 | 1808 | 1851 |
| R | 46 | (3,7) | 17,3 | 909 | 1451 | 1614 | 1678 |
| P | 47 | (20) | 12,3 | 1483 | 1718 | 1778 | 1781 |
| S | 48 | (10,7) | 14,5 | 1055 | 1476 | 1660 | 1752 |
| R | 49 | (3,7) | 17,3 | 747 | 1331 | 1554 | 1652 |
| T | 50 | MPD-I
(5) | 9,5 | 970 | 1331 | 1430 | 1485 |
| U | 51 | (5) | 14,1 | 923 | 1286 | 1372 | 1408 |
| V | 52 | (10) | 10,8 | 1004 | 1302 | 1372 | 1419 |
| W | 53 | (10) | 20,2 | 724 | 1234 | 1462 | 1602 |
-
BEISPIELE 54–73
-
Bei
diesen Beispielen wurden eine Reihe verschiedener Stoffmassen mit
Naturkautschuk (NK) zum Herstellen von erfindungsgemäßen Zusammensetzungen
kombiniert. Zu Beginn wurden die Stoffmassen als Konzentrat in einer
Konzentration von 30 Teilen Stoffmasse in 100 Teilen NK compoundiert.
Das Konzentrat wurde in einer Konzentration von 8,71 Teilen Konzentrat
in 93,29 Teilen NK compoundiert. Die endgültige Zusammensetzung wurde
dann gegen eine Kontrolle durch Compoundieren derselben in einer
Konzentration von 2 Gewichtsteilen Stoffmasse in 100 Teilen NK und
Bestimmen des Zugmoduls des compoundierten Materials bei verschiedenen
Dehnungen beurteilt. Die bei diesen Beispielen verwendete Elastomermatrix
ist in Tabelle XI gezeigt. TABELLE
XI
| Bestandteil | Funktion | Teile
(Gew.-%) |
| RSS#1 | Naturkautschuk | 93,29 |
| Stoffmassenkonzentrat | Faserverstärkung | 8,71 |
| Zinkoxid | Aushärtungsmittel | 8 |
| Stearinsäure | Prozesshilfsmittel | 1,5 |
| Agerite-Harz
D | Stabilisator | 1,5 |
| Permanox
6PPD | Stabilisator | 1,5 |
| Circo
Leichtöl | Prozesshilfsmittel | 2 |
| FEF
N550 | Ruß | 30 |
| 80%
Unlöslicher
Schwefel | Aushärtungsmittel | 4,5 |
| BBTS | Beschleuniger | 1 |
-
Die
Tabelle XII identifiziert die Stoffmasse durch die Menge an Zusatzmittel
und den Oberflächenbereich
und gibt den Zugmodul für
die verschiedenen Zusammensetzungen an. Es lässt sich feststellen, dass
die erfindungsgemäßen compoundierten
Zusammensetzungen fast immer Zugmodule aufweisen, die signifikant höher sind
als die Module der Kontrolle. TABELLE XII
| | Module (psi)
bei Dehnung in % |
| Kode | Bsp.
Nr. | 2.
Polymer (Gew.-%) | Oberflächenbereich
(m2/g) | 10 | 25 | 50 | 100 |
| B | 54C | keines | 9,0 | 131 | 392 | 581 | 668 |
| J | 55 | PVP
(3,7) | 10,4 | 392 | 755 | 885 | 987 |
| K | 56 | (20) | 18,3 | 392 | 856 | 1045 | 1176 |
| L | 57 | (16,7) | 22,0 | 581 | 929 | 1089 | 1248 |
| M | 58 | (10,7) | 8,8 | 392 | 755 | 885 | 929 |
| I | 59 | (20) | 21,9 | 493 | 885 | 1060 | 1176 |
| N | 60 | (10,7) | 19,5 | 769 | 1030 | 1132 | 1248 |
| K | 61 | (20) | 18,3 | 435 | 798 | 1060 | 1234 |
| O | 62 | (16,7) | 16,6 | 392 | 769 | 943 | 1045 |
| P | 63 | (20) | 12,3 | 479 | 914 | 1074 | 1176 |
| I | 64 | (20) | 21,9 | 435 | 914 | 1147 | 1306 |
| Q | 65 | (16,7) | 10,5 | 421 | 827 | 1001 | 1045 |
| R | 66 | (3,7) | 17,3 | 145 | 406 | 842 | 1001 |
| P | 67 | (20) | 12,3 | 232 | 639 | 1045 | 1161 |
| S | 68 | (10,7) | 14,5 | 160 | 392 | 784 | 1001 |
| R | 69 | (3,7) | 17,3 | 218 | 581 | 900 | 1030 |
| T | 70 | MPD-I
(5) | 9,5 | 189 | 522 | 769 | 856 |
| U | 71 | (5) | 14,1 | 102 | 305 | 653 | 885 |
| V | 72 | (10) | 10,8 | 160 | 406 | 682 | 798 |
| W | 73 | (10) | 20,2 | 232 | 624 | 827 | 914 |