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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer
vernetzten elastomerhaltigen thermoplastischen Polyolefinzusammensetzung
und insbesondere ein dynamisches Vernetzungsverfahren.
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Nach
herkömmlichen
Verfahren werden die zu vernetzenden Polymerzusammensetzungen mit
einem Vernetzungsmittel und Vernetzungs-Coagens (d.h. dem Vernetzungssystem),
die in einem Mischer oder Extruder gleichzeitig zugegeben werden,
vermischt. Alternativ dazu kann man bekanntlich auch das Vernetzungsmittel
später
als das Vernetzungs-Coagens in einen Extruder geben.
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Diese
beiden Methoden zur Herstellung eines vernetzten thermoplastischen
Elastomers werden beispielsweise in der US-PS 4,088,714 beschrieben.
Bei dem ersten Verfahren mischt man ein Polymerelastomer, ein vernetzbares
Polyethylen niederer Dichte, ein Vernetzungsmittel und ein Vernetzungs-Coagens
mit einem Polypropylenharz und erhitzt die erhaltene Mischung zur
vollständigen
Härtung
des Polymerelastomers und des Polyethylens auf eine erhöhte Temperatur.
Bei dem zweiten Verfahren stellt man durch Mischen eines Vernetzungs-Coagens
enthaltenden Polypropylens mit einer Vernetzungsmittel enthaltenden
vernetzbaren Zusammensetzung bei hoher Temperatur eine Mischung
her und erhöht
dann zur vollständigen
Härtung
der Elastomerphase die Temperatur.
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Das
zweite Vernetzungsverfahren wird beispielsweise auch in der europäischen Patentschrift
721 972 beschrieben. Dabei wird eine thermoplastische elastomere
Zusammensetzung vorher zu einem Vernetzungs-Coagens gegeben und erst danach wird
der thermoplastischen elastomeren Zusammensetzung auch Vernetzungsmittel
zur Härtung
der Zusammensetzung zugesetzt.
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Bei
eigenen Untersuchungen wurde nun ein effizienteres dynamisches Vernetzungsverfahren
gefunden, mit dem ein höherer
Vernetzungsgrad erzielt wird. Außerdem werden dank des erfindungsgemäßen Verfahrens
bei gleicher Einsatzmenge an Vernetzungssystem überlegene mechanische Eigenschaften
erhalten.
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Die
bekannten Vernetzungsverfahren finden im allgemeinen in Extrudern
mit hohem Länge/Durchmesser-Verhältnis statt.
Das Verhältnis
beträgt
normalerweise 50 oder mehr. Dieses hohe Verhältnis ist notwendig, damit
man das Vernetzungs-Coagens und das Vernetzungsmittel in zwei aufeinanderfolgenden
Schritten zugeben kann.
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Dank
des erfindungsgemäßen Verfahrens
sind derartige lange Extruder nicht mehr erforderlich. Das in Rede
stehende Verfahren umfaßt
nämlich
zwei separate Mastikations- und/oder Mischschritte, die in konventionellen
Extrudern mit einem Länge/Durchmesser-Verhältnis von
im allgemeinen etwa 10 bis 35 durchgeführt werden können.
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Gegenstand
der vorliegenden Erfindung ist daher ein Verfahren zum Vernetzen
einer elastomerhaltigen thermoplastischen Polyolefinzusammensetzung,
bei dem man
- 1) durch Mischen und/oder Mastizieren
eines elastomeren Polyolefins mit einem Vernetzungs-Coagens und gegebenenfalls
einem Additiv in Gegenwart eines thermoplastischen Polyolefins einen
Masterbatch herstellt;
- 2) den in Schritt (1) erhaltenen Masterbatch mindestens bis
zum Festwerden des thermoplastischen Polyolefins, vorzugsweise bis
Umgebungstemperatur (etwa 23°C)
abkühlt
und
- 3) den Masterbatch nach dem Abkühlungsschritt 2 mit einem Vernetzungsmittel
und gegebenenfalls einem Additiv mischt und/oder mastiziert.
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Das
thermoplastische Polyolefin kann unter einem kristallinen Homopolymer
von Propylen oder einem kristallinen statistischen Copolymer von
Propylen mit Ethylen und/oder einem C4-C10-α-Olefin,
wie 1-Buten, 1-Hexen
und 4-Methyl-1-penten, ausgewählt
werden. Bevorzugte Comonomer-Wiederholungseinheiten sind Ethylen
und 1-Buten. Der Gehalt an Comonomer-Wiederholungseinheiten beträgt in der
Regel bis zu 15 Gew.-%.
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Das
thermoplastische Polyolefin ist durch Polymerisation des Monomers
bzw. der Monomere in Gegenwart von hochspezifischen Ziegler-Natta-Katalysatoren,
beispielsweise gemäß bekannten
Verfahrensbedingungen, erhältlich.
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Das
elastomere Polyolefin wird in Mengen von 5 bis 90 Gewichtsteilen
und vorzugsweise 40 bis 90 Gewichtsteilen, bezogen auf 100 Gewichtsteile
des Polyolefinteils, d.h. des elastomeren Polyolefins plus dem thermoplastischen
Polyolefin, verwendet.
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Das
elastomere Polyolefin kann unter ungesättigten und vorzugsweise gesättigten
Polymeren ausgewählt
werden. Elastomere Polyolefine dieser Arten sind an sich gut bekannt
und sind im allgemeinen als Ethylen-Propylen-Kautschuke (EPR) und deren Modifikation
mit Dienen (EPDM) definiert. Sie haben im allgemeinen eine Dichte
von 0,88 g/ml oder weniger.
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Beispiele
für geeignete
elastomere Polyolefine sind Copolymere von Ethylen mit einem C3-C8-α-Olefin und
gegebenenfalls kleineren Mengen, vorzugsweise 0,5 bis 10 Gew.-%,
eines Diens. Bevorzugte Beispiele sind Copolymere von Propylen mit
25 bis 75 Gew.-% und vorzugsweise 30–75 Gew.-% Ethylen. Derartige
Polyolefine haben im allgemeinen ein Mw/Mn-Verhältnis
von mehr als 4 und werden im allgemeinen mit Ziegler-Natta-Katalysatoren
hergestellt.
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Das
Dien kann insbesondere unter 1,4-Butadien, 1,4-Hexadien, 2-Methyl-1-penten, Norbornadien
und 5-Ethyliden-2-norbornadien
ausgewählt
werden.
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Andere
geeignete Beispiele für
elastomere Polyolefine sind Ethylencopolymere mit mindestens 20 Gew.-%
und vorzugsweise 20 bis 70 Gew.-% eines C4-C8-α-Olefins
und einem Mw/Mn-Verhältnis von
weniger als 4. Als Beispiele seien im einzelnen Copolymere von Ethylen
mit 20–40
Gew.-% 1-Octen (13C-NMR-Analyse) genannt,
die in der Regel eine Dichte von weniger als 0,89 g/ml aufweisen.
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Das
elastomere Polyolefin hat im allgemeinen eine intrinsische Viskosität von mehr
als 1,5 dl/g und vorzugsweise mehr als 3 dl/g.
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Das
oben erwähnte
Coagens wird aus den für
diesen Zweck üblicherweise
verwendeten Coagentien ausgewählt.
Beispiele für
bevorzugte Coagentien sind Triallylcyanurat, Triallylisocyanurat
und 1,2-Polybutadien.
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Ganz
besonders bevorzugte Vernetzungsmittel werden unter radikalischen
Initiatoren, insbesondere organischen Peroxiden, ausgewählt.
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Die
organischen Peroxide, die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendet werden
können,
sind diejenigen, die bei Vernetzungsverfahren üblicherweise verwendet werden.
Bevorzugt ist insbesondere die Verwendung von Peroxiden mit langen
Halbwertszeiten, beispielsweise von 3 bis 20 Minuten, bei einer
bei dem Vernetzungsverfahren angewandten Temperatur. Als Beispiele
für diese
organischen Peroxide seien im einzelnen genannt:
Di-t-butylperoxid,
Isopropylbenzol, Dicumylperoxid, Monocumyl(t-butyl)peroxid, Di(t-butyl)peroxid,
2,5-Dimethyl-2,5-di(t-butylperoxy)hexan.
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Erfindungsgemäß kann es
sich bei der der Vernetzung unterworfenen elastomerhaltigen thermoplastischen
Zusammensetzung um eine mechanische Mischung handeln, die durch
separates Eintragen des elastomeren Polyolefins und des thermoplastichen
Polyolefins in die in Schritt (1) verwendete Einrichtung erhältlich ist.
In diesem Fall setzt man das Mastizieren und/oder Mischen der Polyolefine
vorzugsweise fort, bis man eine innige und homogene Mischung des
elastomeren Polyolefins in dem geschmolzenen thermoplastischen Polyolefin
erhält,
wobei das elastomere Polyolefin in Form von Teilchen mit Größen von
etwa 0,5 bis 5 Mikron vorliegt.
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Bei
der der Vernetzung unterworfenen elastomerhaltigen thermoplastischen
Polyolefinzusammensetzung kann es sich auch um einen Reaktorblend
handeln, d.h. eine direkt bei einem in zwei oder mehr separaten
und aufeinanderfolgenden Schritten, in denen das thermoplastische
Polyolefin und das elastomere Polyolefin hergestellt werden, durchgeführten Polymerisationsverfahren
erhaltene Mischung. In jeder auf die erste Stufe folgenden Stufe
findet die Polymerisation in Gegenwart des in der vorhergehenden
Stufe bzw. den vorhergehenden Stufen erhaltenen Polymers statt.
Vorzugsweise stellt man in der ersten Stufe bzw. den ersten Stufen
das thermoplastische Polyolefin her und in der nachfolgenden Stufe
bzw. den nachfolgenden Stufen das elastomere Polyolefin. Die Polymerisation
erfolgt in Gegenwart geeigneter Katalysatoren, wie hochspezifischer
Ziegler-Natta-Katalysatoren, und gegebenenfalls mit Metallocenkatalysatoren.
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Bei
dem ganz besonders bevorzugten erfindungsgemäßen Verfahren kommt die in
die in Schritt (1) verwendete Einrichtung eingetragene Reaktorblendzusammensetzung
direkt aus dem Polymerisationsreaktor, d.h. der Reaktorblend wird
vor dem Mischen oder Mastizieren mit dem Vernetzungs-Coagens und
dann mit dem Vernetzungsmittel nicht granuliert.
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Beispiele
für die
oben erwähnten
elastomerhaltigen thermoplastischen Polyolefinzusammensetzungen
sind die folgenden heterophasigen Zusammensetzungen (Angaben in
Gewichtsteilen und Gewichtsprozent):
- A) 10
bis 60 Teile und vorzugsweise 10 bis 50 Teile eines Homopolymers
von Propylen oder eines statistischen Copolymers von Propylen mit
Ethylen und/oder einem C4-8-alpha-Olefin
mit mehr als 80% Propylen, wobei das Homopolymer bzw. Copolymer
bei Umgebungstemperatur in Xylol zu mehr als 80% unlöslich ist;
- B) 0 bis 25 Teile, vorzugsweise 1 bis 25 Teile und besonders
bevorzugt 7 bis 15 Teile eines im wesentlichen linearen teilkristallinen
Copolymers von Ethylen mit Propylen und/oder einem C4-8-alpha-Olefin, das bei Umgebungstemperatur
in Xylol unlöslich
ist; und
- C) 15 bis 87 Teile und vorzugsweise 30 bis 85 Teile eines Copolymers
von Ethylen mit Propylen und/oder einem C4-8-alpha-Olefin
oder einem Gemisch davon und gegebenenfalls kleinen Mengen Dien,
das 25 bis 75% Ethylen enthält
und bei Umgebungstemperatur in Xylol löslich ist.
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Bei
Portion (A) handelt es sich um ein Propylenhomopolymer mit einer
Xylolunlöslichkeit
von mehr als 90 Gew.-%, besonders bevorzugt mehr als 95 Gew.-%,
oder ein Copolymer, das vorzugsweise mehr als 85 Gew.-% und besonders
bevorzugt 90 bis 99 Gew.-% Propylen enthält.
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Die
Portion (B) hat eine Kristallinität, die vorzugsweise im Bereich
von 20 bis 60% liegt, bestimmt durch Differentialkalorimetrie. Das
in dieser Fraktion enthaltene Copolymer wird vorzugsweise unter
den folgenden Copolymerarten ausgewählt: Ethylen-Propylen mit mehr
als 55 Gew.-% Ethylen; Ethylen-Propylen-C4-C8- α-Olefin mit
55–98
Gew.-% und vorzugsweise 80–95
Gew.-% Ethylen und C4-C8-α-Olefin und
1 bis 10 Gew.-% α-Olefin;
und Ethylen-C4-C8-α-Olefin mit
55–98
Gew.-% und vorzugsweise 80–95
Gew.-% α-Olefin.
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In
Portion (C) liegt der Ethylengehalt vorzugsweise im Bereich von
30 bis 75 Gew.-% und besonders bevorzugt unter 60 Gew.-%.
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Diese
heterophasigen Zusammensetzungen sowie die gewöhnlich für ihre Herstellung verwendeten Katalysatoren
und die Polymerisationsverfahren werden in den veröffentlichten
europäischen
Patentanmeldungen 400,333 und 472,946 beschrieben.
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Erfindungsgemäß wird die
elastomerhaltige thermoplastische Zusammensetzung mit einem Vernetzungs-Coagens in einer
Menge von vorzugsweise 1 bis 8 Gewichtsteilen, bezogen auf 100 Gewichtsteile
des elastomeren Polyolefins, vermischt. Die Menge an Vernetzungs-Coagens
hängt von
dem für
die fertige vernetzte Zusammensetzung gewünschten Vernetzungsgrad ab.
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Der
so erhaltene Masterbatch wird dann mit einem Vernetzungsmittel in
einer Menge, die vorzugsweise im Bereich von 0,5 bis 2 Gewichtsteilen,
bezogen auf 100 Gewichtsteile des elastomeren Polyolefins in der elastomerhaltigen
thermoplastischen Zusammensetzung, liegt, versetzt.
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Die
Schritte (1) und (3) des erfindungsgemäßen dynamischen Vernetzungsverfahrens
werden nach bekannten Verfahren durchgeführt. Insbesondere kann das
Mastizieren und/oder Mischen der Polyolefinzusammensetzung mit dem
Vernetzungs-Coagens in Schritt (1) in den für diesen Zweck üblicherweise
verwendeten Einrichtungen erfolgen, wie einem Innenmischer, z.B.
einem Banbury-Mischer,
einem Ein- oder Doppelschneckenextruder mit Mischkomponenten, z.B.
einem Buss-Extruder, und mit einem Länge/Durchmesser-Verhältnis von
etwa 35 oder weniger.
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In
Schritt (3) erfolgt das Vernetzen, immer unter Arbeiten im Mastizier-
oder Mischmodus, in der gleichen Einrichtung wie oben für Schritt
(1) beschrieben.
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Die
Masitizier- und/oder Mischbedingungen sind die dem Fachmann gemäß bekannten
Verfahren bekannten Bedingungen. Das Mastizieren und/oder Mischen
erfolgt bei einer über
der Schmelztemperatur der Polymere liegenden Temperatur; sie hängt auch
von der Art des Vernetzers ab. In der Regel liegt die Verfahrenstemperatur
im Bereich von 120 bis 250°C.
Vorzugsweise dauern die Schritte (1) und (3) jeweils 1 bis 10 Minuten.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
können
verschiedene Additive, die herkömmlicherweise
für die
Kautschukformulierung, thermoplastische Polyolefine und die Polymerverarbeitung
verwendet werden, zugefügt
werden. Derartige Additive sind u.a. Vernetzungsbeschleuniger (z.B.
ZnO), Mineralöl,
anorganische Füllstoffe,
Verarbeitungshilfsmittel, Wachs, Farbmittel, Weichmacher; Ruß, Antioxidantien
und Stabilisatoren, wie UV-Stabilisatoren,
gehinderte Phenole und HALS-Verbindungen.
Derartige Additive können
während Schritt
1 oder 3 oder beiden Schritten des erfindungsgemäßen Verfahrens zugegeben werden.
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Gegenstand
der vorliegenden Erfindung ist auch ein Masterbatch gemäß den Ansprüchen. Unter
dem Begriff „fest" ist hier zu verstehen,
daß in
dem am Ende des obigen Schritts (2) erhaltenen Masterbatch die Polymermischung
fest (und nicht schmelzflüssig)
ist, da der Masterbatch nach Abkühlen
bis zum Festwerden des thermoplastischen Polyolefins, vorzugsweise
auf Umgebungstemperatur (d.h. 23°C)
gewonnen wird.
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Die
folgenden Beispiele sollen die vorliegende Erfindung erläutern, ohne
sie einzuschränken.
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Die
in den Beispielen bezüglich
der Eigenschaften der erhaltenen Zusammensetzungen angegebenen Daten
wurden nach den nachstehend angegebenen Methoden bestimmt.
- – Löslichkeit
in Xylol: Es wird eine Lösung
der Probe in Xylol mit einer Konzentration von 1 Gew.-% hergestellt
und eine Stunde bei 135°C
gehalten. Die Lösung
wird unter fortgesetztem Rühren
auf 95°C
abkühlen gelassen
und dann 20 Minuten ohne Rühren
und 10 Minuten mit Rühren
belassen. Dann wird die Lösung filtriert,
und aus einem Aliquot des Filtrats wird durch Zugabe von Aceton
das darin gelöste
Polymer ausgefällt.
Das so erhaltene Polymer wird dann isoliert, gewaschen, getrocknet
und zur Bestimmung des Gewichts der in Xylol löslichen Fraktion gewogen.
- – Shore-A-Härte: ASTM
D-2240;
- – Reißdehnung:
ASTM D-412;
- – Zugfestigkeit:
ASTM D-412;
- – Druckverformungsrest:
ASTM D-395, Methode B.
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Die
in den erfindungsgemäßen Beispielen
verwendeten Substanzen sind nachstehend aufgeführt:
- – elastomerhaltige
thermoplastische Polyolefinzusammensetzung (1), bestehend aus den
folgenden Portionen:
- A) 17 Gew.-% eines (Propylen-co-ethylen)-Polymers mit 3,3 Gew.-%
Ethylen-Wiederholungseinheiten und einer Xylolunlöslichkeit
bei Raumtemperatur von 5,5 Gew.-% und
- B) 83 Gew.-% eines Ethylen-Propylen-Copolymerkautschuks (EPR)
mit 90 Gew.-% einer bei Raumtemperatur in Xylol löslichen
Portion, wobei das xylollösliche
Copolymer 44 Gew.-% Ethylen-Wiederholungseinheiten enthält und eine
intrinsische Viskosität
von 3,5 dl/g aufweist; das xylolunlösliche Copolymer enthält 70 Gew.-%
Ethylen-Wiederholungseinheiten;
- – elastomerhaltige
thermoplastische Polyolefinzusammensetzung (2), bestehend aus den
folgenden Portionen:
- A) 30 Gew.-% eines Propylenhomopolymers mit einer MFR von 0,2
(230, 2,16 kg);
- B) 70 Gew.-% eines Ethylen-Propylen-Copolymerkautschuks (EPR)
mit 90 Gew.-% einer bei Raumtemperatur in Xylol löslichen
Portion, wobei das xylollösliche
Copolymer 61 Gew.-% Ethylen-Wiederholungseinheiten enthält und eine
intrinsische Viskosität
von 3 dl/g aufweist; das xylolunlösliche Copolymer enthält 90 Gew.-%
Ethylen-Wiederholungseinheiten;
- – Rhenogran® ZnO
80: 80 Gew.-% ZnO-Masterbatch und 20 Gew.-% eines Ethylen-Propylen-Elastomers;
- – Rhenogran® TAC-50:
50 Gew.-% Triallylcyanurat und 50 Gew.-% eines Ethylen-Propylen-Dien-Elastomers;
- – Trigonox® 101/50:
50 Gew.-% 2,5-Bis (tert.-butylperoxy)-2-5-dimethylhexan-Masterbatch
in einem inerten Pulver.
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Beispiel 1
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Ein
Doppelschneckenextruder (L/D-Verhältnis > 15) wird bei 180–200°C mit 93 Gew.-% direkt aus einem
Polymerisationsreaktor kommender Polyolefinzusammensetzung (1),
2,5 Gew.-% Rhenogran® TAC 50 und 4,5 Gew.-%
Rhenogran® ZnO
80 beschickt. Die so erhaltene Mischung wird als Granulat-Masterbatch
ausgetragen und dann auf Raumtemperatur abgekühlt.
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Sukzessive
wird der Granulat-Masterbatch in einer solchen Menge in einen sich
mit 150 U/min drehenden und eine Temperatur von 200–220°C aufweisenden
Doppelschneckenxtruder (L/D-Verhältnis
36) eingetragen, daß er
84,5 Gew.-% des Ganzen ausmacht. Danach werden dem schmelzflüssigen Polymer
14 Gew.-% Paraffinöl
und 1,5 Gew.-% Trigonox® 101/50 zugegeben, wonach
die Extrusion für
mindestens eine verbleibende Schneckenlänge L/D von 15 fortgesetzt
wird.
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Schließlich wird
die vernetzte thermoplastische elastomere Polyolefinzusammensetzung
nach Eintrag eines herkömmlichen
Stabilisatorpakets in den Doppelschneckenextruder weiter geknetet.
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Die
so vernetzte thermoplastische elastomere Polyolefinzusammensetzung
hat die folgenden Eigenschaften:
Härte: 65 Punkte Shore A;
Reißdehnung:
200%;
Zugfestigkeit: 4,5 MPa;
Druckverformungsrest (70°C und 22
h): 50%.
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Beispiel 2
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Beispiel
1 wird auf einem Brabender-Innenmischer bei 190°C (Kammerbedingungen) und 90
U/min wiederholt. Das Rhenogran® TAC
50 und das Rhenogran® ZnO 80 werden zusammen
mit dem Polymer in den Mischer eingetragen, und nach 3 Minuten wird
die Mischung entnommen und abgekühlt.
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Die
Mischung wird sukzessive wieder in den Mischer eingetragen und mit
Paraffinöl
versetzt. Nach 2 Minuten wird das Trigonox® 101/50
in den Mischer eingetragen. Das Mischen wird bei einer Schmelzetemperatur
von 200°C
3 Minuten fortgesetzt.
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Dann
wird die vernetzte Zusammensetzung ausgetragen.
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Die
so vernetzte thermoplastische elastomere Polyolefinzusammensetzung
hat die folgenden Eigenschaften:
Härte: 65 Punkte Shore A;
Reißdehnung:
200;
Zugfestigkeit: 4,5 MPa;
Druckverformungsrest (70°C und 22
h): 50%.
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Beispiele 3–6
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Beispiel
2 wird wiederholt, jedoch mit der Abwandlung, daß die Polyolefinzusammensetzung
(2) in einem Brabender-Innenmischer mit verschiedenen Mengen von
Rhenogran® TAC
50 vermischt wird. Die verwendeten Coagens-Mengen und die so erhaltenen
Druckverformungsrestwerte sind nachstehend in Tabelle 1 aufgeführt.
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Vergleichsbeispiele 1V–4V
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Die
Beispiele 3–6
werden wiederholt, jedoch mit der Abwandlung, daß das Mischen in einem Schritt ohne
Zwischenabkühlung
durchgeführt
wird. Der Brabender-Innemischer
ist auf 190°C
(Kammertemperatur) und 90 U/min eingestellt. Das Rhenogran® TAC
50 und das Rhenogran® ZnO 80 werden zusammen
mit dem Polymer in den Mischer eingetragen, und nach 3 Minuten wird
das Paraffinöl
zugegeben. Nach 2 Minuten wird Trigonox® 101/50
in den Mischer eingetragen. Die Extrusion wird bei einer Schmelzetemperatur
von 200°C
3 Minuten fortgesetzt.
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Dann
wird die vernetzte Zusammensetzung ausgetragen.
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Die
verwendeten Coagens-Mengen und die so erhaltenen Druckverformungsrestwerte
sind nachstehend in Tabelle 1 aufgeführt.
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