JP2023546234A - カーボンブラックを含有する非硬化性シリコーン組成物 - Google Patents
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Abstract
カーボンブラックを含む非硬化性シリコーン組成物の製造のためのプロセス、および特に高電圧直流(HVDC)の用途において使用するための硬化性シリコーン組成物の製造におけるその使用である。
Description
本発明は、カーボンブラックを含有する非硬化性シリコーン組成物の製造プロセス、そのプロセスによって得られる非硬化性シリコーン組成物、およびそれを硬化性シリコーン組成物の製造のために使用すること、特に高電圧の直流を用いる用途に使用することに関する。
標準的なシリコーンは、交流(AC)に関して、高電圧(HV)業界において広く使用されている。しかしながらそれらの材料の使用は、直流(DC)用途についての最新の動向には適していない。カーボンブラック(CB)を充填材料として使用すると、シリコーンに対して有益な性質がもたらされ、長年にわたって確立されている標準的なCBペーストについて、325kVまでの作動電圧において肯定的な試験結果が得られる。この標準的なCBペーストは、3本ロールミルの技術や2軸(ブレード)混練機を用いて製造されている(US2017/0372815A1)。
しかしながら本発明者らは、500kVまでの高電圧においては、変性されたシリコーン系に絶縁破壊を生ずることによる限界が存在することを見出した。
また、現在の導電性液状シリコーンゴム(LSR)は、機械的性質の変動が非常に限定されており、幾つかの場合には電気導電性が不十分である。
充填材としてカーボンブラックを含有するシリコーン組成物は、例えば以下の先端技術文献に開示されている:
WO2016/110570およびUS2017/0372815A1はそれぞれ、
a)アルケニル基を有する少なくとも1つのポリオルガノポリシロキサン、
b)1つまたはより多くのポリオルガノハイドロジェンシロキサンを含む架橋剤成分、
c)1つまたはより多くの補強性シリカまたは樹脂を含む充填成分、
d)少なくとも1つの絶縁活性化合物、および
e)硬化触媒を含み、
ここで絶縁活性化合物d)がカーボンブラックから選択されてよいシリコーン組成物の使用を開示している。すなわちこれらは硬化性シリコーン組成物の使用を開示しているが、これに対して本願は非硬化性シリコーン組成物の使用を対象としている。
a)アルケニル基を有する少なくとも1つのポリオルガノポリシロキサン、
b)1つまたはより多くのポリオルガノハイドロジェンシロキサンを含む架橋剤成分、
c)1つまたはより多くの補強性シリカまたは樹脂を含む充填成分、
d)少なくとも1つの絶縁活性化合物、および
e)硬化触媒を含み、
ここで絶縁活性化合物d)がカーボンブラックから選択されてよいシリコーン組成物の使用を開示している。すなわちこれらは硬化性シリコーン組成物の使用を開示しているが、これに対して本願は非硬化性シリコーン組成物の使用を対象としている。
さらにWO2016/110570は、上記したシリコーン組成物をノズルまたは金型を介して押し出すことによって成型し、次いで成型された組成物を熱または光によって硬化することを含む、絶縁体または電界グレーディングアセンブリの製造方法を開示している。
本願はカーボンブラックを含有する非硬化性シリコーン組成物を押し出すことを含むプロセス、および押し出し工程を含むプロセスによって得られた特定の非硬化性カーボンブラックシリコーン組成物を含有する硬化性シリコーン組成物に関し、結果的にそうしたカーボンブラックペーストに基づいてDC用途に対する硬化シリコーン組成物の性質改善をもたらすものであるが、WO2016/110570およびUS2017/0372815A1は、上記したような硬化性シリコーン組成物を成型する手段として押し出しを開示している。
US2004/138370A1は、例えばプリンターにおける導電性液状ゴム組成物として使用するためのシリコーン組成物を開示しており、
a)アルケニル基を有するポリオルガノポリシロキサン、
b)少なくとも1つの絶縁活性化合物、つまりカーボンブラック、
c)硬化触媒、
d)1分子内にケイ素に結合した2またはより多くの水素原子を有するオルガノポリシロキサンを含む架橋剤を含み、
ここで上記した成分は好ましくは連続的に混合装置へと供給される。この混合装置は特に、押出機であってよい。
a)アルケニル基を有するポリオルガノポリシロキサン、
b)少なくとも1つの絶縁活性化合物、つまりカーボンブラック、
c)硬化触媒、
d)1分子内にケイ素に結合した2またはより多くの水素原子を有するオルガノポリシロキサンを含む架橋剤を含み、
ここで上記した成分は好ましくは連続的に混合装置へと供給される。この混合装置は特に、押出機であってよい。
したがって、本願における押し出しは非硬化性カーボンブラックシリコーンペーストの提供における必須の工程であるのに対して、US2004/138370A1は、そこに記載された硬化性シリコーン組成物を構成するすべての成分の混合工程が押出機によって実行されてよいことを開示している。
WO2020/063799A1はカーボンブラックを含む導電性液状シリコーンゴム組成物に関し、
a)1分子当たりに少なくとも2つのアルケニル基を有する1つまたはより多くのポリジオルガノシロキサン、
b)少なくとも1つのオルガノハイドロジェンポリシロキサン、
c)少なくとも1つの補強性充填材
d)少なくとも1つのヒドロシリル化触媒、および
e)以下を含有する電気導電性充填材
(i)追加の導電性カーボンブラック、および
(ii)単一壁カーボンナノチューブを含んでいる。すなわちこれは、硬化性シリコーンゴム組成物に関する。
a)1分子当たりに少なくとも2つのアルケニル基を有する1つまたはより多くのポリジオルガノシロキサン、
b)少なくとも1つのオルガノハイドロジェンポリシロキサン、
c)少なくとも1つの補強性充填材
d)少なくとも1つのヒドロシリル化触媒、および
e)以下を含有する電気導電性充填材
(i)追加の導電性カーボンブラック、および
(ii)単一壁カーボンナノチューブを含んでいる。すなわちこれは、硬化性シリコーンゴム組成物に関する。
こうした硬化性シリコーンゴム組成物に関しては、押し出しは上述の硬化性シリコーンゴム組成物の処理手段または成型手段として言及されており、かくして押し出しプロセスを使用した非硬化性カーボンブラックシリコーンマスターバッチの製造に関する本願とは異なる目的に資するものである。
WO2009/027133A2は成型された硬化シリコーン物品の製造プロセスに関し、硬化性シリコーン混合物の連続成型を含む成型工程を含んでいる。この文書の開示によれば、上記の混合物の一部、すなわち成分の未硬化混合物の一部は、
(i)少なくとも3つのアルケニル基を有しポリスチレンを標準としてGPCによる決定されるジオルガノシロキシ単位の平均数が少なくとも3000である少なくとも1つの線状ポリオルガノシロキサン、
(ii)任意選択的に、成分(i)によるポリオルガノシロキサンとは異なる、アルケニル基を有する1つまたはより多くのポリオルガノシロキサン、
(iii)少なくとも2つのSiH基を有する少なくとも1つのポリオルガノシロキサン、
(iv)少なくとも1つの光活性化可能な遷移金属触媒、
(v)任意選択的に1つまたはより多くの充填材、
(vi)任意選択的に1つまたはより多くの在来の添加剤を含み、
25℃においてCDCl3に可溶であり、ビシナルSi-アルケニル基の含有量が0.025モル%未満である。
(i)少なくとも3つのアルケニル基を有しポリスチレンを標準としてGPCによる決定されるジオルガノシロキシ単位の平均数が少なくとも3000である少なくとも1つの線状ポリオルガノシロキサン、
(ii)任意選択的に、成分(i)によるポリオルガノシロキサンとは異なる、アルケニル基を有する1つまたはより多くのポリオルガノシロキサン、
(iii)少なくとも2つのSiH基を有する少なくとも1つのポリオルガノシロキサン、
(iv)少なくとも1つの光活性化可能な遷移金属触媒、
(v)任意選択的に1つまたはより多くの充填材、
(vi)任意選択的に1つまたはより多くの在来の添加剤を含み、
25℃においてCDCl3に可溶であり、ビシナルSi-アルケニル基の含有量が0.025モル%未満である。
カーボンブラックを含有する非硬化性シリコーン組成物の製造プロセスに関する本願に包含される発明とは対照的に、上記した化合物(i)から(vi)の混合物は、シリコーン組成物の硬化に必要とされるすべての化合物:(i)アルケニルポリシロキサン、(iii)SiH官能性ポリシロキサン、および(iv)光活性化可能な遷移金属触媒を含んだ硬化性混合物を意味している
本願発明のプロセスの混合物においてはカーボンブラックの存在が必須であるが、上記した混合物の(v)充填材成分の存在は任意選択的である。
さらに、WO2009/027133A2は上記した混合物の連続成型を含むプロセスに言及しており、そこでは未硬化混合物の連続成型工程は押し出し工程であり、したがって成型装置は押出機である。WO2009/027133の実施例においては、硬化性シリコーン組成物の押し出しが例証されている。
WO2009/027133A2の開示とは対照的に、本願は1つまたはより多くのポリオルガノシロキサンおよび1つまたはより多くのカーボンブラックの押し出しを含む、組成物の製造プロセスに関しており、すなわちそれは非硬化性組成物の押し出しを含むプロセスに関する。
かくして本発明者らは詳細な検討を行い、電気的特性および機械的特性に関して先端技術のシリコーン組成物の欠点を改善した。
驚くべきことに本発明者らは、CBペーストは押し出し技術によって処理した場合に、従来のCBペーストと比較して大きく異なる挙動を示すことを見出した。CBナノ粒子はシリコーン材料中にはるかにより均一に分散され、そこから調製される硬化シリコーンゴム組成物には、幾つもの驚くほど改善された電気的特性が導かれる。また押し出しプロセスによれば、従来法で調製されたCBペーストの場合よりも、CBのより微細な粒子径での分散が達成される。
従来法で調製されたCBペーストと比較して、本発明の新規なCBペーストは、抵抗値が急激に低下するいわゆる臨界パーコレーション閾値に達することなしに、硬化シリコーンゴム組成物内により多くの量のカーボンブラックを取り入れることを可能にする。このことは、同程度の高い(またはより高い)抵抗値レベルにおいて絶縁体として使用する場合に、硬化シリコーン組成物内により多くのカーボンブラックを取り入れることを可能にする。これと軌を一にして、硬化シリコーンゴム組成物はより高濃度の電荷トラップを含むことになり、それは特にDC条件の下において電気的ストレスを低減することを可能にする。かくして、得られた硬化シリコーン組成物の電気的特性は、市場の需要が存在する超高電圧(500kVのような)において、DCシステムに対して与えられる信頼性をより高いものとする。
さらにまた、電気導電性のシリコーンゴム組成物に関して、本発明の新規なCBペーストの使用は、より多くの量のカーボンブラックを硬化性シリコーン中に取り入れることを可能にする。したがって、押し出しされたCBペーストは導電性LSRにおいて高いCB濃度を使用することを可能にし、それによって機械的性質が改善される。このことは、良好な機械的性質と、必要であれば特に高電圧の直流用途、具体的にはケーブル付属品における1つまたはより多くの層について使用するための、非常に高い電気導電性を備えたシリコーンゴム組成物を提供することを可能にする。
本発明によれば、カーボンブラックを含有する非硬化性シリコーン組成物の製造プロセスが提供され、このプロセスは1つまたはより多くのポリオルガノシロキサンa1)を1つまたはより多くのカーボンブラックd)と共に押し出すことを含んでいる。
本発明によれば、「非硬化性シリコーン組成物」という用語は、シリコーン組成物が通常のポリシロキサン硬化条件下において、そのシリコーン組成物を硬化させるのに必要な成分を含有していないことを意味することを意図している。白金で触媒される硬化系または付加硬化系のようなヒドロシリル化硬化系、縮合硬化系、過酸化物硬化系、またはオキシム硬化系などの、通常のシリコーンゴム硬化モードを前提とした場合、本発明によって得られる非硬化性シリコーン組成物は、特に押し出しプロセスはもちろんとして、硬化を行うのに必要とされる成分を含んでいない。そのため、白金で触媒される付加硬化系のようなヒドロシリル化硬化系において、非硬化性シリコーン組成物は、ヒドリド官能性、アルケニル官能性ポリシロキサンおよびヒドロシリル化触媒を同時に含有することができず、そして好ましくはアルケニル官能性ポリシロキサンのみを含有する。同様に、非硬化性シリコーン組成物は、ポリオルガノシロキサンa1)の硬化のために過酸化物を含むことができない。したがって、本発明の非硬化性シリコーン組成物は好ましくはポリオルガノハイドロジェンシロキサンまたはヒドロシリル化硬化触媒を含まず、好ましくはポリオルガノハイドロジェンシロキサンまたはヒドロシリル化硬化触媒のいずれも含まず、また過酸化物も含まない。
好適な実施形態において、1つまたはより多くのポリオルガノシロキサンa1)の全体の粘度は100Pa・s未満であり、好ましくは1から100Pa・sであり、より好ましくは5から100Pa・sであり、さらにより好ましくは10から65Pa・sである(それぞれは例えばDIN EN ISO3219による測定で20℃において剪断速度D=10s-1で測定される)。これに関して「全体の粘度」という用語は、1つよりも多いポリオルガノシロキサンが用いられる場合にはポリオルガノシロキサンa1)全部の粘度を指しており、またポリオルガノシロキサンa1)が1つだけ用いられる場合には1つのポリオルガノシロキサンa1)の粘度を指している。前者の場合には、個々のポリオルガノシロキサンa1)の粘度は、先に示した好ましい粘度範囲を逸脱してもよい。好ましい実施形態において、ポリオルガノシロキサンa1)は、1つまたはより多くの不飽和基、好ましくは後述する1つまたはより多くのアルケニル基を有するポリオルガノシロキサンから選択される。こうしたポリオルガノシロキサンa1)は、アルキル基およびハロゲン化アルキル基のような任意選択的に置換されたアルキル、フェニルのような任意選択的に置換されたアリールからなる群より好ましく選ばれる有機置換基R、ビニル基のようなアルケニル基からなる基から好ましく選択される不飽和置換基R1を有し、そして好ましくは100から12000シロキシ単位の間の平均重合度Pnを有する。こうしたポリオルガノシロキサンa1)については、以下で記載するように硬化性シリコーン組成物において使用される、アルケニル基を有するポリオルガノシロキサンa2)を参照することができる。本発明によるプロセスは、1つまたはより多くのポリオルガノシロキサンa1)を1つまたはより多くのカーボンブラックd)と混合し、押し出すことを含んでいる。
基本的には、一般的に知られた1軸スクリュー押出機、2軸スクリュー押出機、およびプラネタリローラー押出機のような、幾つかの種類の押出機を使用してよい。これらの中で1軸スクリュー押出機は好ましさが大きくないが、それは均一性と分散性が弱いからである。プラネタリローラー押出機は他のすべての種類の押出機と比較して混合性能が極めて良好であるが、搬送性能はずっと小さい。したがって、本発明においては一方では均一性および分散性の観点から、そして他方では搬送性能の観点から、2軸スクリュー押出機、特に同時に回転する2軸スクリュー押出機が好ましい。基本的には成分a1)およびd)の予備混合物を調製し、次いでそれを適切な投与装置によって押出機中へと供給することが可能であるが、成分a1)およびd)を別々に供給するために少なくとも2つの、そして好ましくは2つの投与装置を介して分割供給するプロセスが好ましい。好ましくは、押出機は2つのフィード区画を有し、その一方は好ましくは、通常は室温で粘稠な流体を形成するポリオルガノシロキサンa1)用である。それは例えば2軸スクリューロスインウェイト式フィーダのような2軸スクリューフィーダ、またはピストンドラムやギアポンプのような投与システムを用いて供給してよい。1つまたはより多くのカーボンブラックd)は、ポリオルガノシロキサン供給装置の下流側にある1つまたはより多くの、好ましくは1つまたは2つの、重量式フィーダのような投与装置で供給される。カーボンブラックとポリオルガノシロキサンの分配的で分散的な混合を可能にするために、カーボンブラック投与装置は好ましくは、ポリオルガノシロキサンが完全に液体であるような押出機の箇所に配置される。
押し出しは通常、押し出された塊が室温(25℃)から250℃の温度、好ましくは押し出された塊の温度が50℃から200℃の範囲において行われる。押出機における溶融および均質化プロセスは好ましくは、押出機内における剪断力によって生成される熱を加えることなしに行われる。任意選択的には外部の熱を供給することが可能であるが、しかしさらにより好ましくは、特に高いカーボンブラック添加量においてポリオルガノシロキサンの分解をもたらしうる温度に到達することがないように、外部冷却手段が提供される。好ましくは、押し出しは以下の条件の1つまたはより多くを使用して行われる:
・同時回転する2軸スクリュー、
・15mmから250mm、好ましくは20mmから100mmの範囲にあるスクリュー径、
・約1kg/時から600kg/時、好ましくは100kg/時から550kg/時、より好ましくは10kg/時から50kg/時の供給速度、
・50rpmから1200rpm、好ましくは100rpmから1000rpmのスクリュー速度、
・50℃から200℃の押し出し塊の温度、
・20から80、好ましくは30から70のL/D比、(Lは押出機の長さでありDはその直径である)、
・10秒から10分、好ましくは15秒から2分の滞留時間、
・シリンダー冷却の使用、
・スクリュー要素が強力な分散を可能にする幾何学形状を有するセグメント化された設計。
・同時回転する2軸スクリュー、
・15mmから250mm、好ましくは20mmから100mmの範囲にあるスクリュー径、
・約1kg/時から600kg/時、好ましくは100kg/時から550kg/時、より好ましくは10kg/時から50kg/時の供給速度、
・50rpmから1200rpm、好ましくは100rpmから1000rpmのスクリュー速度、
・50℃から200℃の押し出し塊の温度、
・20から80、好ましくは30から70のL/D比、(Lは押出機の長さでありDはその直径である)、
・10秒から10分、好ましくは15秒から2分の滞留時間、
・シリンダー冷却の使用、
・スクリュー要素が強力な分散を可能にする幾何学形状を有するセグメント化された設計。
好ましい押出機は例えばドイツ国ニュルンベルクのライストリッツ・エクストルーションテクニク社のZSE MAXXシリーズの同時回転2軸スクリュー押出機であり、そのスクリュー径は15mmから250mm、好ましくは20mmから100mmであり、高分散スクリューを使用している。
本発明の押し出しプロセスにおいて好ましくは、1つまたはより多くのポリオルガノシロキサンa1)の重量と1つまたはより多くのカーボンブラックd)の重量の重量比は90:10から75:25、好ましくは89:11から80:20、さらにより好ましくは88:12から81:19である。
好ましい実施形態においては、1つまたはより多くのポリオルガノシロキサンa1)と1つまたはより多くのカーボンブラックd)だけが押し出され、即ち換言すれば、押し出しプロセスにおいては他の成分は存在しない。また、好ましい実施形態においては1種類のポリオルガノシロキサンa1)と1種類のカーボンブラックd)だけが押し出されて、カーボンブラックがポリシロキサン中に高添加量で存在し、従来のプロセスによって達成される粒度分布よりも微細な、優れた均一な粒度分布を有するマスターバッチが調製される。
さらなる実施態様において本発明は、本発明のプロセスによって得られる非硬化性シリコーン組成物に関する。こうした「非硬化性組成物」はまた場合によっては、「マスターバッチ」とも称される。
本発明による非硬化性シリコーン組成物は好ましくは、シリコーン組成物全体の合計重量に基づいて、少なくとも10重量パーセント、好ましくは少なくとも11重量パーセント、より好ましくは少なくとも12重量パーセント、さらにより好ましくは少なくとも13重量パーセント、そしてなおより好ましくは少なくとも14重量パーセントの、1つまたはより多くのカーボンブラックd)を含有する。
本発明による非硬化性シリコーン組成物は好ましくは、シリコーン組成物全体の合計重量に基づいて、10から25重量パーセント、好ましくは11から24重量パーセント、さらにより好ましくは12から23重量パーセント、さらにより好ましくは13から22重量パーセント、そしてさらにより好ましくは14から21重量パーセントの、1つまたはより多くのカーボンブラックd)を含有する。
一般には、「非硬化性組成物」またはカーボンブラック「マスターバッチ」はシリコーン組成物全体の合計重量に基づいて1つまたはより多くのカーボンブラックd)をより多い量で、10から25重量パーセント含有することが好ましいが、必要であれば、非硬化性組成物をより少ない量のカーボンブラック、例えばシリコーン組成物全体の合計重量に基づいて3から10重量パーセントの1つまたはより多くのカーボンブラックd)を備えて調製することも可能である。また、より少ない量のカーボンブラックを有する非硬化性組成物は、押し出しプロセスによって達成される粒度分布がより均一で微細であるという利点を享受する。
好ましくは、本発明による非硬化性シリコーン組成物は、1つまたはより多くのポリオルガノシロキサンa1)および1つまたはより多くのカーボンブラックd)からなり、さらにより好ましくはそれは、1種類のポリオルガノシロキサンa1)と1種類のカーボンブラックd)からなる。
本発明においては、1つまたはより多くのカーボンブラックd)は好ましくは、>30m2/gのBET比表面積および5nmから500nmの平均一次粒子径D50を有する導電性カーボンブラックから選択される少なくとも1つのカーボンブラックを含む。さらにより好ましくは、本発明による非硬化性組成物におけるカーボンブラック成分d)は、>30m2/gのBET比表面積および/または5nmから500nmの平均一次粒子径D50を有する導電性カーボンブラックからなる。一般に、本発明の非硬化性シリコーン組成物においては、カーボンブラックの一次粒子径と凝集粒子径とは区別されねばならない。基本的なカーボンブラック一次粒子の粒子径または直径は十分に5nmから500nmの範囲にあるが、特に光散乱法によって求めた本発明の非硬化性シリコーン組成物における凝集粒子径は一般に約0.5μmよりも大きく、そして好ましくは実質的に約0.5から約10μmの範囲にあり、より好ましくは実質的に約1から約10μmの範囲にある。
非硬化性シリコーン組成物におけるカーボンブラックの粒度分布は特に、最低限の剪断力に対応する分散ユニットの最も低い回転速度において測定されたミー理論に従う散乱モデルを使用して、トルエン溶液中においてDIN EN ISO/IEC17025による光散乱法によって測定されてよい。その結果は好ましくは、5~15分の時間にわたる1つまたはより多くの測定値の重ね合わせとして表示される。測定は特に、マルバーン・パナリティカル社のゼータサイザー装置を用いて行うことができる。こうした測定方法は、粒度分布の個数割合または体積割合をもたらす。
本発明による押し出しプロセスは驚くべきことに、カーボンブラックの添加量が大きい場合であっても、3本ロールミルの技術または2軸ブレード混練機によって製造された従来のマスターバッチと比較して、10μm未満の粒子径を有する粒子の数の実質的な増大をもたらすことが判明している。理論に拘束されるものではないが、本発明による押し出しプロセスは、CB-シリコーンのマスターバッチにおいてカーボンブラック粒子の良好な凝集解砕または分散をもたらすと想定される。
好ましくは、10μm未満の粒子の個数の割合は70%より大きく、好ましくは80%より大きく、さらにより好ましくは90%より大きい。好ましくは、10μmを超える粒子の個数の割合は30%未満であり、好ましくは20%未満であり、さらにより好ましくは10%未満であり、さらにより好ましくは5%未満である。
非硬化性シリコーン組成物の粒子の個数に基づく粒度分布のDn50は、好ましくは7μm未満であり、より好ましくは5μm未満であり、そして最も好ましくは3μm未満である。
非硬化性シリコーン組成物の粒子の個数に基づく粒度分布のDn90は、好ましくは15μm未満であり、より好ましくは10μm未満であり、より好ましくは8μm未満であり、そして最も好ましくは5μm未満である。
Dn50はマイクロメートル単位の寸法であり、その直径は個数分布を半分は上側に、半分は下側に分割する。Dn50は個数分布についてメジアンとして使用される。Dn90に関しては、粒子の90%がこの直径未満の寸法を有する。(https://www.horiba.com/uk/scientific/products/particle-characterization/education/general-information/data-interpretation/understanding-particle-size-distribution-calculations/を参照)。
本発明による非硬化性シリコーン組成物において特に好ましくは、1つまたはより多くのカーボンブラックは、以下の性質の1つまたはより多くを有する導電性カーボンブラックから選択される少なくとも1つのカーボンブラックを含む:
・>100m2/gから1500m2/g、より好ましくは>100m2/gから1400m2/g、より好ましくは>100m2/gから1000m2/g、より好ましくは>250m2/gから1000m2/g、より好ましくは>500m2/gから1000m2/gのBET比表面積、および/または
・D50が5nmから500nmの間、より好ましくは10nmから200nmの粒子径、および/または
・300~600ml/100g、より好ましくは300~550ml/100g、より好ましくは300~400ml/100gのDBP吸収量(細孔容積)、および/または
・700~1200mg/g、より好ましくは700~1150mg/g、より好ましくは700~1000mg/g、より好ましくは700~900mg/gのヨウ素吸着量、および/または
・pH8~11、より好ましくはpH9~11、より好ましくはpH9~10.5および/または
・<50ppmの金属含有量、および/または
・<150ppmの硫黄含有量、および/または
・<0.5重量%の水分含有量、および/または
・<1重量%の揮発成分含有量、および/または
・ペレット中の<125マイクロメートルの微細物が<10重量%、および/または
・<50mg/kgのグリット含有量、および/または
・<0.1重量%の灰分。
・>100m2/gから1500m2/g、より好ましくは>100m2/gから1400m2/g、より好ましくは>100m2/gから1000m2/g、より好ましくは>250m2/gから1000m2/g、より好ましくは>500m2/gから1000m2/gのBET比表面積、および/または
・D50が5nmから500nmの間、より好ましくは10nmから200nmの粒子径、および/または
・300~600ml/100g、より好ましくは300~550ml/100g、より好ましくは300~400ml/100gのDBP吸収量(細孔容積)、および/または
・700~1200mg/g、より好ましくは700~1150mg/g、より好ましくは700~1000mg/g、より好ましくは700~900mg/gのヨウ素吸着量、および/または
・pH8~11、より好ましくはpH9~11、より好ましくはpH9~10.5および/または
・<50ppmの金属含有量、および/または
・<150ppmの硫黄含有量、および/または
・<0.5重量%の水分含有量、および/または
・<1重量%の揮発成分含有量、および/または
・ペレット中の<125マイクロメートルの微細物が<10重量%、および/または
・<50mg/kgのグリット含有量、および/または
・<0.1重量%の灰分。
好ましくは、1つまたはより多くのカーボンブラックは、上述した1つまたはより多くの性質を有する導電性カーボンブラックから選択された少なくとも1つの、好ましくは1つのカーボンブラックからなる。
本発明はさらなる実施態様において、上記に規定した非硬化性シリコーン組成物を硬化性シリコーン組成物の製造に使用することに関する。こうした使用は一般的に、非硬化性シリコーン組成物を最終的に、硬化性シリコーン組成物の製造に必要とされる成分、特に以下に記載する成分と混合することを必要とする。したがって本発明はさらなる実施態様においてまた、上記に規定した非硬化性シリコーン組成物を、硬化性シリコーン組成物に取り入れるためのマスターバッチとして使用することに関する。この技術の当業者に周知のように、マスターバッチは通常はプラスチックのための固形添加剤であり、プラスチックを着色するために使用され(カラーマスターバッチ)またはプラスチックに対して他の性質を付与するために使用される(添加剤マスターバッチ)。本発明において、マスターバッチは好ましくは、以下に説明するように1つまたはより多くのカーボンブラックd)を硬化性シリコーン組成物内に取り入れるために使用されるが、これに限定されるものではない。
本発明による非硬化性シリコーン組成物の高い均質性およびそこから得られる有利な電気的特性の故に、本発明による非硬化性シリコーン組成物(マスターバッチ)は特に、高電圧の直流用途、すなわち特に、高電圧の直流用途に使用するための硬化性シリコーン組成物の製造に適している。
したがって、本発明はさらなる実施態様において、上述したような本発明による非硬化性シリコーン組成物を含む硬化性シリコーン組成物に関する。
本発明による非硬化性シリコーン組成物を含む、特に好ましい硬化性シリコーン組成物は:
a)100重量部(parts by weight)のアルケニル基を有する1つまたはより多くのポリオルガノシロキサンa2)、
b)0~100重量部、好ましくは>0から100重量部の1つまたはより多くのポリオルガノハイドロジェンシロキサンを含む架橋剤成分、
c)0~100重量部、好ましくは>0から100重量部の1つまたはより多くの補強性シリカまたは樹脂を含む1つまたはより多くのフィラー成分、
d)0.1~3重量部、好ましくは0.2から2.8重量部、より好ましくは0.3から2.7重量部、より好ましくは0.4から2.6重量部、より好ましくは0.5から2.5重量部、より好ましくは0.6から2.3重量部、より好ましくは0.8から2.1重量部の1つまたはより多くのカーボンブラック、
e)ヒドロシリル化を可能にする化合物および有機過酸化物からなる群より選択される硬化触媒、および
f)0~50重量部の1つまたはより多くの補助的添加剤を含有する。
a)100重量部(parts by weight)のアルケニル基を有する1つまたはより多くのポリオルガノシロキサンa2)、
b)0~100重量部、好ましくは>0から100重量部の1つまたはより多くのポリオルガノハイドロジェンシロキサンを含む架橋剤成分、
c)0~100重量部、好ましくは>0から100重量部の1つまたはより多くの補強性シリカまたは樹脂を含む1つまたはより多くのフィラー成分、
d)0.1~3重量部、好ましくは0.2から2.8重量部、より好ましくは0.3から2.7重量部、より好ましくは0.4から2.6重量部、より好ましくは0.5から2.5重量部、より好ましくは0.6から2.3重量部、より好ましくは0.8から2.1重量部の1つまたはより多くのカーボンブラック、
e)ヒドロシリル化を可能にする化合物および有機過酸化物からなる群より選択される硬化触媒、および
f)0~50重量部の1つまたはより多くの補助的添加剤を含有する。
好ましくは、本発明の硬化性シリコーン組成物は、1つまたはより多くのポリオルガノハイドロジェンシロキサンを含む架橋剤成分を含有する。
好ましくは、本発明の硬化性シリコーン組成物は、1つまたはより多くの補強性シリカまたは樹脂を含む1つまたはより多くのフィラー成分を含有する。
こうした硬化性シリコーン組成物は好ましくは、硬化性シリコーン組成物の合計重量に基づいて0.1から2.5重量パーセント、好ましくは0.2から2.4重量パーセント、より好ましくは0.3から2.3重量パーセント、より好ましくは0.4から2.2重量パーセント、より好ましくは0.5から2.1重量パーセント、より好ましくは0.6から2.0重量パーセント、より好ましくは0.7から1.9重量パーセント、より好ましくは0.8から1.8重量パーセントの、1つまたはより多くのカーボンブラックd)を含有しており、こうしたカーボンブラックd)はそれを含む非硬化性シリコーン組成物、すなわちマスターバッチから得られる。
比較的少ない含有量でカーボンブラックを有するこうした硬化性シリコーン組成物は、比較的低い導電性を有し、以下でより詳細に説明するように、特に高電圧直流(HVDC)用途のための絶縁体または電界グレーディングアセンブリに適している。
以下では本発明による硬化性シリコーン組成物の成分を説明する。上述したように、1つまたはより多くのポリオルガノシロキサンa1)は好ましくは、以下で説明するようにアルケニル基を有するポリオルガノシロキサンa2)から選択される。ポリオルガノシロキサンa1)とアルケニル基を有するポリオルガノシロキサンa2)は、同一であることも異なることもできる。
アルケニル基を有するポリオルガノシロキサンa2)
硬化性シリコーン組成物はベースポリマーとして、1つまたはより多くのアルケニル基、好ましくは少なくとも2つのアルケニル基を有する、1つまたはより多くのポリオルガノシロキサンa2)を含む。
硬化性シリコーン組成物はベースポリマーとして、1つまたはより多くのアルケニル基、好ましくは少なくとも2つのアルケニル基を有する、1つまたはより多くのポリオルガノシロキサンa2)を含む。
好ましくは、ポリオルガノシロキサンa2)は、有機置換基Rを有する1つまたはより多くのポリオルガノシロキサンの群から選択され、すなわち少なくとも1つの炭素原子を有し炭素原子によってケイ素原子に結合されており、メチル基またはフッ素置換プロピル基のようなハロゲン化アルキル基のような任意選択的に置換されたアルキル基、フェニル基のような任意選択的に置換されたアリール基、および1つまたはより多くのアルケニル基R1、特にビニル基からなる群より好ましくは選択される基を有し、特にASTM D5296-11による手順に従ってポリスチレン標準を用いてGPC測定によって求められる数平均分子量から特に計算される、シロキシ単位が100から12000の間である平均重合度(Pn)を有する。
アルケニル基を有する成分a2)としてのポリオルガノシロキサンは、最も好ましくは平均で少なくとも2つのアルケニル基を有する。
適切な成分a2)は一般式(I)によって記述されてよく、
(MaDbTcQdR2 e)m (I)
ここで式(I)中の添字はシロキシ単位M、D、TおよびQの比率を表し、これらはポリオルガノシロキサン中でブロック式またはランダム式に分布していてよい。ポリオルガノシロキサン内でシロキサン単位のそれぞれは同一であっても異なっていてもよく、そして
a=0~10
b=0~12000
c=0~50
d=0~1
e=0~300
m=1~1000であり、
ここで添字a、b、c、dおよびmは20℃における成分a)の粘度が50kPa・s(20℃において剪断速度D=10s-1で測定)未満となる値であり、かくして添字aからeの全てが0であることはなく、好ましくは(a+b)は>0である。
(MaDbTcQdR2 e)m (I)
ここで式(I)中の添字はシロキシ単位M、D、TおよびQの比率を表し、これらはポリオルガノシロキサン中でブロック式またはランダム式に分布していてよい。ポリオルガノシロキサン内でシロキサン単位のそれぞれは同一であっても異なっていてもよく、そして
a=0~10
b=0~12000
c=0~50
d=0~1
e=0~300
m=1~1000であり、
ここで添字a、b、c、dおよびmは20℃における成分a)の粘度が50kPa・s(20℃において剪断速度D=10s-1で測定)未満となる値であり、かくして添字aからeの全てが0であることはなく、好ましくは(a+b)は>0である。
成分a2)の粘度は、単一の成分a2)の粘度または複数の成分a2)の混合物の粘度を指している。後者の場合、混合物は20℃において剪断速度D=10s-1で50kPa・sを超える粘度を有してよい個別の成分a2)、例えばQおよび/またはT単位を含む樹脂状成分またはゴムであるa2)の存在を含んでいる。
式(I)において、添字の合計は、数平均分子量Mnに基づく平均重合度Pnを表すべきである。
式(I)において:
M=R3SiO1/2またはM*
D=R2SiO2/2またはD*
T=RSiO3/2またはT*
Q=SiO4/2であり、
R2は2価の基であって上記でシロキシ基の間を橋渡ししており、例えば2から10の炭素原子を有する任意選択的に置換されたアルケニル基、またはアリーレン基のような任意選択的に置換された芳香族基といった、好ましくは2価の任意選択的に置換されたヒドロカルビル基であり、自身の炭素原子によってケイ素原子に結合されており、そして
各々のRは同一でも異なっていてもよく、それぞれは任意選択的に置換された12までの炭素原子のアルキル基、任意選択的に置換された12までの炭素原子のアリール基から好ましく選択される有機基であり、R基は脂肪族不飽和を含まず、そして
式中
M*=R1 pR3-pSiO1/2
D*=R1 qR2-qSiO2/2
T*=R1SiO3/2であり、
ここで
p=0~3、好ましくは1~3、
q=1~2、そして
R1は上記で定義した通りである。
M=R3SiO1/2またはM*
D=R2SiO2/2またはD*
T=RSiO3/2またはT*
Q=SiO4/2であり、
R2は2価の基であって上記でシロキシ基の間を橋渡ししており、例えば2から10の炭素原子を有する任意選択的に置換されたアルケニル基、またはアリーレン基のような任意選択的に置換された芳香族基といった、好ましくは2価の任意選択的に置換されたヒドロカルビル基であり、自身の炭素原子によってケイ素原子に結合されており、そして
各々のRは同一でも異なっていてもよく、それぞれは任意選択的に置換された12までの炭素原子のアルキル基、任意選択的に置換された12までの炭素原子のアリール基から好ましく選択される有機基であり、R基は脂肪族不飽和を含まず、そして
式中
M*=R1 pR3-pSiO1/2
D*=R1 qR2-qSiO2/2
T*=R1SiO3/2であり、
ここで
p=0~3、好ましくは1~3、
q=1~2、そして
R1は上記で定義した通りである。
Rは好ましくは、ノルマルC1~C12アルキル、イソC3~C12アルキル、またはターシャリーC4~C12アルキル、アルコキシアルキル、C5~C12環状アルキル、またはC6~C12アリール、アルキルアリールから選択され、これらの基は付加的に1つまたはより多くのO原子、Cl原子、CN原子またはF原子、または500オキシアルキレン単位までのポリ(C2~C4)アルキレンエーテルによって置換されていてよく、R基は脂肪族不飽和を含まない。
適切な1価の炭化水素基の例には、アルキル基、好ましくはCH3-、CH3CH2-、(CH3)2CH-、C8H17-およびC10H21-など、およびシクロへキシルエチルのような脂環式基、フェニル、トリル、キシリルのようなアリール基、ベンジル、2-フェニルエチルおよび2-フェニルプロピルのようなアラルキル基が含まれる。好ましい1価のハロ炭化水素基は、式CnF2n+1CH2CH2-を有し、ここでnは1から10の値を有し、例えばCF3CH2CH2-、C4F9CH2CH2-、C6F13CH2CH2-、C2F5-O(CF2-CF2-O)1~10CF2-、F(CF(CF3)-CF2-O)1~5-(CF2)0~2-、C3F7-OCF(CF3)-およびC3F7-OCF(CF3)-CF2-OCF(CF3)-などである。
本発明の硬化性シリコーン組成物のポリオルガノシロキサンa2)におけるRについて好ましい基は、メチル基、フェニル基、3,3,3-トリフルオロプロピル基からなる群より選択され、最も好ましいR基はメチル基である。
R1は好ましくは、C=C基を含有する基(アルケニル基)などの不飽和基から選択され、例えば:ノルマルC2~C14アルケニル、イソC3~C14アルケニル、またはターシャリーC4~C14アルケニル、或いはC6~C14環状アルケニル、C6~C14シクロアルケニル、C8~C14アルケニルアリール、シクロアルケニルアルキル、ビニル、アリル、メタリル、3-ブテニル、5-ヘキセニル、7-オクテニル、エチリデン-ノルボルニル、スチリル、ビニルフェニルエチル、ノルボルネニル-エチル、リモネニルであり、任意選択的に1つまたはより多くのO原子またはF原子またはCoC基を含有する基(アルキニル基)によって置換され、任意選択的に1つまたはより多くのO原子またはF原子を含んでいる。
アルケニル基は好ましくは、末端のケイ素原子に結合している;アルケニルシロキサンを調製するのに用いられるアルファジエン、オメガジエンの入手容易性の故に、オレフィン機能は高級アルケニル基の末端のアルケニル基にある。
R1として好ましい基は、ビニル、アリル、5-ヘキセニル、シクロヘキセニル、リモニル、スチリル、ビニルフェニルエチルであり、最も好ましいR1基はビニルである。
R2基は例えば、2価の脂肪族または芳香族の14までの炭素原子のノルマル、イソ、ターシャリーまたはシクロアルキレン、アリーレンまたはアルキレンアリール基を含んでいる。R2は2つのシロキシ単位の間に架橋要素を形成する。R2基の含有量は、全シロキシ単位の30モル%を超えず、好ましくは20モル%を超えない。好ましくはR2は存在しない。適切な2価の炭化水素基R2の好ましい例には、好ましくは-CH2-、-CH2CH2-、-CH2(CH3)CH-、-(CH2)4-、-CH2CH(CH3)CH2-、-(CH2)6-、-(CH2)8-および-(CH2)18-のような任意のアルキレン残基;シクロへキシレンのようなシクロアルキレン基;フェニレン、キシレンおよびベンジレンのような炭化水素基の組み合わせ、すなわち-CH2CH2-C6H4-CH2CH2-、-C6H4CH2-のようなアリーレン基が含まれる。好ましい基は、アルファエチレン、オメガエチレン、アルファヘキシレン、オメガヘキシレン、1,4-フェニレンまたは1,4-エチレンフェニルである。
さらなる例に含まれるのは2価のハロ炭化水素基R2、例えば1つまたはより多くの水素原子がフッ素、塩素または臭素のようなハロゲンによって置換されている任意の2価の炭化水素基R2である。好ましい2価のハロ炭化水素残基は式-CH2CH2(CF2)1~10CH2CH2-を有し、これは例えば-CH2CH2CF2CF2CH2CH2-の如きであり、或いは適切な2価の炭化水素エーテル基およびハロ炭化水素エーテル基の他の例には-CH2CH2OCH2CH2-、-C6H4-O-C6H4-、-CH2CH2CF2OCF2CH2CH2-、および-CH2CH2OCH2CH2CH2-が含まれる。
成分a2)としてR、R1および/またはR2基を含むポリマーの例は、例えばアルケニル-ジメチルシロキシ末端またはトリメチルシロキシ末端のポリジメチルシロキサンであり、これはアルケニルメチルシロキシ基やジメチルシロキシ基の他にポリ(ジメチル-コ-ジフェニル)シロキサンのような他のシロキサン単位を含んでいてよい。
大まかに言えば、本発明の硬化性シリコーン組成物の成分a2)は、酸素および/または2価の基R2によって連結された2つまたはより多くのケイ素原子を含有する任意のポリオルガノシロキサン化合物であってよく、そこにおいてケイ素はケイ素原子当たり0から3個の1価の基に結合しているが、但しポリオルガノシロキサン化合物はケイ素に結合した少なくとも2つの、オレフィン系の基およびアセチレン系の基を含む不飽和炭化水素残基を含有し、好ましくはこれらの基は例えばアルケニル基である。
シロキサン単位M、M*、D、D*、T、T*は、各々のケイ素原子について基Rおよび/または基R1は等しくても異なっていてもよい。好ましい実施形態においては、構造は
R1 pR3-pSiO(R2SiO)m1(R1RSiO)nSiR1 pR3-p (1)
p=0~3、好ましくは1、
m1=0~12000、好ましくは10~6000、より好ましくは100~1000、
n=0~5000、好ましくは3~2000、より好ましくは5~500である。
R1 pR3-pSiO(R2SiO)m1(R1RSiO)nSiR1 pR3-p (1)
p=0~3、好ましくは1、
m1=0~12000、好ましくは10~6000、より好ましくは100~1000、
n=0~5000、好ましくは3~2000、より好ましくは5~500である。
本発明の硬化性組成物についての1つの好ましいポリオルガノシロキサン成分a2)は、実質的に線状のポリオルガノシロキサンa3)である。「実質的に線状」という表現は、T型またはQ型のシロキシ単位を0.2モル%(痕跡量)より多く含有しないポリオルガノシロキサンを含んでいる。このことは、ポリマーa2)が好ましくは、線状の流動性のある流体a3)であることを意味しており、例えばその式は:
R1 pR3-pSiO(R2SiO)m1SiR3-pRp 1 (1a)
式中R1、R、pおよびm1はそれぞれ上記で定義した通りであり、
但し、分子当たりに少なくとも2つのアルケニル基が存在する。
R1 pR3-pSiO(R2SiO)m1SiR3-pRp 1 (1a)
式中R1、R、pおよびm1はそれぞれ上記で定義した通りであり、
但し、分子当たりに少なくとも2つのアルケニル基が存在する。
ポリオルガノシロキサンa2)またはa3)は最も好ましくは、式(1a)から選択されるものである。
好ましい構造に含まれるものは
VipMe3-pSiO(Me2SiO)10~12000SiMe3-pVip (1b)
PhMeViSiO(Me2SiO)10~12000SiPhMeVi (1c)
である。
VipMe3-pSiO(Me2SiO)10~12000SiMe3-pVip (1b)
PhMeViSiO(Me2SiO)10~12000SiPhMeVi (1c)
である。
アルケニル含有ポリシロキサンa2)のグループにおいては、第2または第3のポリシロキサンを成分a4)および/または成分a5)として追加することが好ましい。いわゆるビニルリッチなポリマーである成分a4)および成分a5)を添加する目的は、機械的性質および架橋密度を変更することである。
LSR(液状シリコーンゴム)に適したポリマーは、Pnが100から2000シロキシ単位であるシロキサンポリマーの群から選択され、HCR(以下で説明する高粘度ゴム)に適したポリマーは好ましくは、Pnが2000から12000シロキシ単位であるシロキサンポリマーの群から選択される。
ポリマーa4)は、式(1d)から(1i)のポリマー、すなわち付加的なアルケニル側鎖基を有しT単位およびQ単位の濃度が0.2モル%未満である線状ポリオルガノシロキサンからなる群、または上述したポリマータイプa2)またはa3)よりもT単位およびQ単位の濃度が高いポリオルガノシロキサンから選択される。
ポリマーa4)は例えば、式1d)から1f)により表される。
R1 pR3-p(R2SiO)b1(R1RSiO)b1xSiR3-pRp 1 (1d)
Me3SiO(Me2SiO)b1(MeR1SiO)b1xSiMe3 (1e)
R1Me2SiO(Me2SiO)b1(MeR1SiO)b1xSiMe2R1 (1f)
ここで
b1=>0~12000、
b1x=0~5000、
b1+b1x=>10~12000、
R1、R、pは上記で定義した通りであり、そして
R1=好ましくはビニル、アリル、ヘキセニル、シクロヘキセニル、リモニル、スチリル、ビニルフェニルエチルである。そしてRについて好ましい基は、メチル、フェニル、3,3,3-トリフルオロプロピルである。
R1 pR3-p(R2SiO)b1(R1RSiO)b1xSiR3-pRp 1 (1d)
Me3SiO(Me2SiO)b1(MeR1SiO)b1xSiMe3 (1e)
R1Me2SiO(Me2SiO)b1(MeR1SiO)b1xSiMe2R1 (1f)
ここで
b1=>0~12000、
b1x=0~5000、
b1+b1x=>10~12000、
R1、R、pは上記で定義した通りであり、そして
R1=好ましくはビニル、アリル、ヘキセニル、シクロヘキセニル、リモニル、スチリル、ビニルフェニルエチルである。そしてRについて好ましい基は、メチル、フェニル、3,3,3-トリフルオロプロピルである。
a4の他の好ましい構造は、
VipMe3-pSiO(Me2SiO)10~12000(MeViSiO)1~4000SiMe3-pVip (1g)
Me3SiO(Me2SiO)10~12000(MeViSiO)1~4000SiMe3 (1h)
PhMeViSiO(Me2SiO)10~12000(MePhSiO)1~4000SiPhMeVi (1i)
ここで上記においてMe=メチル、Vi=ビニル、Ph=フェニル、そしてp=0から3、好ましくはp=1である。
VipMe3-pSiO(Me2SiO)10~12000(MeViSiO)1~4000SiMe3-pVip (1g)
Me3SiO(Me2SiO)10~12000(MeViSiO)1~4000SiMe3 (1h)
PhMeViSiO(Me2SiO)10~12000(MePhSiO)1~4000SiPhMeVi (1i)
ここで上記においてMe=メチル、Vi=ビニル、Ph=フェニル、そしてp=0から3、好ましくはp=1である。
ポリマーa2)の第3の成分、すなわち分岐鎖ポリマーa5)は、好ましくは式(Ia)のポリマーから選択され、そこにおいてアルケニル基を含有するポリオルガノシロキサンa5)は、0.2モル%を超えるT=RSiO3/2単位またはQ=SiO4/2単位を有する。
(M0.4~4D0~1000T0~50Q0~1)1~1000 (Ia)
ここで
M=R3SiO1/2またはM*
D=R2SiO2/2またはD*
T=RSiO3/2またはT*
Q=SiO4/2であり、
それぞれ上記で定義した通りであり、
ここでM*、D*およびT*は上記で定義した通りであり、不飽和基R1を有している。こうしたM*単位、D*単位およびT*単位の量は、全シロキシ単位に基づいて、好ましくは0.001から20モル%、より好ましくは0.01から15モル%、最も好ましくは0.1から10モル%である。
(M0.4~4D0~1000T0~50Q0~1)1~1000 (Ia)
ここで
M=R3SiO1/2またはM*
D=R2SiO2/2またはD*
T=RSiO3/2またはT*
Q=SiO4/2であり、
それぞれ上記で定義した通りであり、
ここでM*、D*およびT*は上記で定義した通りであり、不飽和基R1を有している。こうしたM*単位、D*単位およびT*単位の量は、全シロキシ単位に基づいて、好ましくは0.001から20モル%、より好ましくは0.01から15モル%、最も好ましくは0.1から10モル%である。
下付きの添字の範囲は、数平均分子量Mnによる可能な平均重合度Pnの範囲を規定している。
これらの添字は後で規定する適切な粘度に関しており、粘度調節のための溶媒なしでポリマーを記述している。
好ましい分岐鎖ポリオルガノシロキサンa4)およびa5)は通常、不飽和基R1を高濃度で有している。分岐鎖ポリマーa5)は例えば、米国特許第5109095号に記載されている。好ましくは、分岐鎖のビニルリッチポリマーa5)はキシレン中に樹脂で>10重量%可溶であり、D:Tの範囲としては>10:1、好ましくは>33:1を有し、および/またはそれぞれに(M:Q)=(0.5から4):1、例えば
(M0.7M* 0.05Q)10~500 (1j)
の如きである。
(M0.7M* 0.05Q)10~500 (1j)
の如きである。
これらのポリオルガノシロキサンはすべて、トリオルガノシロキサン末端のポリジオルガノシロキサンを調製するための任意の従来法によって調製してよい。例えば、適切な比率の複数の適当な加水分解性シラン、例えばビニルジメチルクロロシラン、トリメチルクロロシラン、テトラクロロシラン、メチルトリクロロシランおよびジメチルジクロロシラン、またはそれらの対応するアルコキシシランが、共加水分解され縮合されてよい。他の反応経路は代替的に、ポリジオルガノシロキサンの末端基を供給する1,3-ジビニルテトラオルガノジシロキサン、例えば対称的なジビニルジメチルジフェニルシロキサンまたはジビニルテトラメチルシロキサンの平衡化反応を介して進行してよく、これらは酸触媒または塩基触媒の存在下に、適切なポリジオルガノシロキサン、例えばオクタメチルシクロテトラシロキサンと平衡化されてよい。
ビニルリッチなポリマーは特に、MQ構造またはMDQ構造およびSi-アルケニル基またはSiH基を有する分岐鎖ポリマーである。こうした分岐鎖ポリマーは、フィラー成分c)を部分的または完全に置き換えることができ、それでもなお高い機械的補強をもたらす。これは、粘度を低減させ電気的性質を変更するための追加的な選択肢でありうる。
好ましい実施形態においては、硬化性シリコーン組成物中のポリマー成分a2)は、式(Ia)および/または式(1d)および/または式(1j)のポリマーの混合物であることができ、それによれば混合物は平均で好ましくは混合物a)のすべてのシロキシ単位の2モル%未満のアルケニル含有量を有し、それによりポリマーa3)はa4)またはa5)よりも多い量で存在する。
いわゆる高粘度ゴムについては、関連するシリコーンポリマー(ゴム)の粘度は20℃において剪断速度D=10s-1で5~100kPa・sである。ポリジメチルシロキサンの場合、これは大体3000~12000シロキシ単位のPn値に関連する。
硬化性液状シリコーンゴム(LSR)組成物の好ましい実施形態においては、20℃および剪断速度D=10s-1で1kPa・s未満の粘度を用いることが好ましい;ポリジメチルシロキサンに関しては、これは大体<2500シロキシ単位のPn値に関連する。いずれの実施形態においても、ビニル基を有するポリジメチルシロキサンが好ましい。
この実施形態についてのポリオルガノシロキサンa2)の粘度は、20℃および剪断速度D=10s-1で好ましくは100から300×103mPa・sであり、そしてPnは>10から2500である。
ポリマーa2)または例えば成分a2)のポリマーの2~4の混合物を含有するLSR組成物について好ましい実施形態においては、液状シリコーンゴム組成物が十分に低い粘度であることを確実にするために、混合物は20℃および剪断速度D=10s-1で200,000mPa・s未満の粘度を有するべきである。こうした低い粘度は、補強性フィラーを含む組成物を製造し、そうした組成物をLSR射出成型プロセスで処理するための前提および利点である。
成分a2)のアルケニル含有量は、ここでは1H NMRによって決定してよい。A.L. Smith(編):The Analytical Chemistry of Silicones、J.Wiley & Sons 1991 Vol. 112のJ.D. Winefordner編のChemicalAnalysis中pp.356以下を参照。
さらなる好ましい実施形態において、成分a2)は少なくとも1つの成分A1)、および少なくとも1つの成分a2)を含み、これらは以下のように定義される:
A1)式(Ia)の少なくとも1つのポリオルガノシロキサン
式中のRはそれぞれ飽和有機基または芳香族有機基から独立して選択され、R1はそれぞれアルケニル基から独立して選択され、そしてxは≧0である。
A1)式(Ia)の少なくとも1つのポリオルガノシロキサン
式中のRはそれぞれ飽和有機基または芳香族有機基から独立して選択され、R1はそれぞれアルケニル基から独立して選択され、そしてxは≧0である。
A2)式(Ib)の少なくとも1つのポリオルガノシロキサン
式中のx、RおよびR1は上記で定義した通りであり;R3はRまたはR1から選択され、そしてyは≧1であり、また式中好ましくは、成分a2)中のアルケニル基R1の成分A1)中のアルケニル基R1のモル比は0.3から8、好ましくは0.6から6、より好ましくは1から5の範囲にある。
式中のx、RおよびR1は上記で定義した通りであり;R3はRまたはR1から選択され、そしてyは≧1であり、また式中好ましくは、成分a2)中のアルケニル基R1の成分A1)中のアルケニル基R1のモル比は0.3から8、好ましくは0.6から6、より好ましくは1から5の範囲にある。
成分a2)は好ましくは非硬化性マスターバッチ組成物を調製するために用いられ、これはやはり先に定義した線状成分A1)から好ましく選択されるポリオルガノシロキサンa1)を含んでいる。
架橋剤成分b)
好ましい実施形態においては、硬化性ポリオルガノシロキサン組成物はヒドロシリル化反応によって硬化され、その際に1つまたはより多くのポリオルガノハイドロジェンシロキサンb)を架橋剤として含む。こうした場合に、架橋開始剤としての有機過酸化物成分e)は好ましくは省略される。
好ましい実施形態においては、硬化性ポリオルガノシロキサン組成物はヒドロシリル化反応によって硬化され、その際に1つまたはより多くのポリオルガノハイドロジェンシロキサンb)を架橋剤として含む。こうした場合に、架橋開始剤としての有機過酸化物成分e)は好ましくは省略される。
本発明の硬化性シリコーン組成物は好ましくは架橋剤成分b)を含み、これは好ましくは式RHSiOおよびR2HSiO0.5から選択される単位を含み、SiH単位の濃度がすべてのシロキサン単位に対して1から100モル%であるポリオルガノハイドロジェンシロキサンの群から選択される。この場合にRは上記で定義した通りの有機基であり、そして好ましくはメチルまたはフェニルである。
成分b)は好ましくは、少なくとも2つのSi-H基を有する少なくとも1つのポリオルガノハイドロジェンシロキサンである。SiH単位を含む適切なポリオルガノハイドロジェンシロキサンb)は形式上、一般式(II)によって記述することができ、
(M1 a2D1 b2T1 c2Qd2R2 e2)m2 (II)
式中のシロキシ単位は
M1=上記で定義した通りのM、またはM**、
D1=上記で定義した通りのD、またはD**、
T1=上記で定義した通りのT、またはT**、
Qは上記で定義した通りであり、そして
RおよびR2は上記で定義した通りであり、
ここで
M**=HR2SiO1/2、D**=HRSiO2/2、T**=HSiO3/2、
a2=0.01~10、好ましくは=2~5、最も好ましくは=2、
b2=0~1000、好ましくは=10~500、
c2=0~50、好ましくは=0、
d2=0~1、好ましくは=0または1、最も好ましくは=0、
e2=0~3、好ましくは=0、
m2=1~1000、好ましくは=1~500、最も好ましくは=1~20、
この場合に添字aからeの全てが0であることはなく、好ましくは(a+b)は>0であり、
但し一般式(II)において、M**、D**およびT**から選択された少なくとも2つのSiH含有シロキシ単位が存在する。
(M1 a2D1 b2T1 c2Qd2R2 e2)m2 (II)
式中のシロキシ単位は
M1=上記で定義した通りのM、またはM**、
D1=上記で定義した通りのD、またはD**、
T1=上記で定義した通りのT、またはT**、
Qは上記で定義した通りであり、そして
RおよびR2は上記で定義した通りであり、
ここで
M**=HR2SiO1/2、D**=HRSiO2/2、T**=HSiO3/2、
a2=0.01~10、好ましくは=2~5、最も好ましくは=2、
b2=0~1000、好ましくは=10~500、
c2=0~50、好ましくは=0、
d2=0~1、好ましくは=0または1、最も好ましくは=0、
e2=0~3、好ましくは=0、
m2=1~1000、好ましくは=1~500、最も好ましくは=1~20、
この場合に添字aからeの全てが0であることはなく、好ましくは(a+b)は>0であり、
但し一般式(II)において、M**、D**およびT**から選択された少なくとも2つのSiH含有シロキシ単位が存在する。
好ましくはポリオルガノハイドロジェンシロキサンb)は、平均して少なくとも4つ、好ましくは少なくとも5つ、さらにより好ましくは少なくとも6つのケイ素原子を有する。
シロキシ単位はポリマー鎖において、ブロック式またはランダム式に分布していてよい。
上述した添字は、上記したように数平均分子量Mnに基づく平均重合度Pnを表すべきである。
分子内に存在するM単位、D単位、T単位およびQ単位の範囲は、流体、流動性ポリマー、液状樹脂および固形樹脂をもたらす殆どすべての値にわたっていてよい。室温(25℃)において液状の、線状、環状、または分岐鎖シロキサンを使用することが好ましい。任意選択的に、これらのシロキサンは付加的に、合成に由来する痕跡量のC1~C6アルコキシまたはSi-ヒドロキシ基を含んでいてよい。
本発明の硬化性シリコーン組成物における成分b)の好ましい構造は、式(2a)から(2e)のシロキサンである。
Ha1(R)3-a1Si(RHSiO)x(R2SiO)y(RR1SiO)zSi(R)3-a1Ha1 (2a)
より具体的には:
HR2SiO(R2SiO)y(RR1SiO)z(RHSiO)xSiR2H (2b)
HMe2SiO(Me2SiO)y(RR1SiO)z(MeHSiO)xSiMe2H (2c)
Me3SiO(MeHSiO)xSiMe3 (2d)
{(HRSiO)v(R2SiO)w} (2e)
ここでRおよびR1は上記で定義した通りであり、Rは好ましくはメチルおよび/またはフェニル、R1は好ましくはビニル、そして添字「a1」は0~1、好ましくは0、そして
x=2~1000、好ましくは=2~500、
y=0~650、好ましくは=0~100、
z=0~65、好ましくは=0、
好ましくは3<x+y+z<1000、より好ましくは4<x+y+z<650、
vは2から7、
wは0から3、
3≦v+w≦7である。
Ha1(R)3-a1Si(RHSiO)x(R2SiO)y(RR1SiO)zSi(R)3-a1Ha1 (2a)
より具体的には:
HR2SiO(R2SiO)y(RR1SiO)z(RHSiO)xSiR2H (2b)
HMe2SiO(Me2SiO)y(RR1SiO)z(MeHSiO)xSiMe2H (2c)
Me3SiO(MeHSiO)xSiMe3 (2d)
{(HRSiO)v(R2SiO)w} (2e)
ここでRおよびR1は上記で定義した通りであり、Rは好ましくはメチルおよび/またはフェニル、R1は好ましくはビニル、そして添字「a1」は0~1、好ましくは0、そして
x=2~1000、好ましくは=2~500、
y=0~650、好ましくは=0~100、
z=0~65、好ましくは=0、
好ましくは3<x+y+z<1000、より好ましくは4<x+y+z<650、
vは2から7、
wは0から3、
3≦v+w≦7である。
さらにまた、以下の式の樹脂状のポリオルガノハイドロジェンシロキサンも可能である:
{(T1)(R4O1/2)n2}m2 (2f)
{(SiO4/2)(R4O1/2)n2(M1)0,01~10(T1)0~50(D1)0~1000}m2 (2g)
ここで
T1、M1、D1は上記で定義した通りであり、
n2=0から3、
m2は上記で定義した通りであり、
R4は水素、メチル、エチル、ノルマルプロピル、イソプロピル、ノルマルブチル、イソブチル、およびターシャリーブチルのようなC1~C25アルキル、アシルのようなアルカノイル、アリール、ブタノンオキシムのような-N=CHR、プロペニルのようなアルケニルである。
{(T1)(R4O1/2)n2}m2 (2f)
{(SiO4/2)(R4O1/2)n2(M1)0,01~10(T1)0~50(D1)0~1000}m2 (2g)
ここで
T1、M1、D1は上記で定義した通りであり、
n2=0から3、
m2は上記で定義した通りであり、
R4は水素、メチル、エチル、ノルマルプロピル、イソプロピル、ノルマルブチル、イソブチル、およびターシャリーブチルのようなC1~C25アルキル、アシルのようなアルカノイル、アリール、ブタノンオキシムのような-N=CHR、プロペニルのようなアルケニルである。
化合物(2g)の1つの好ましい実施形態は例えば、式((Me2HSiO0.5)kSiO4/2)1~1000を通じて記述されてよいモノマー化合物からポリマー化合物によってもたらされ、ここで添字kは0.3から4である。こうした液状または樹脂状の分子はケイ素原子に対して10モル%までの、相当の濃度のSiOH-基および/または(C1~C6)アルコキシ-Si基を含有していてよい。
本発明の硬化性シリコーン組成物における成分b)について好ましい適切な化合物の具体的な例に含まれるものは
Me3SiO-(MeHSiO)2~650-SiMe3、
(MeHSiO)4~7、
HMe2SiO-(Me2SiO)0~300(MePhSiO)0~300(MeHSiO)1~650SiMe2H、
Me3SiO-(Me2SiO)0~300(MePhSiO)0~300(MeHSiO)2~650SiMe3、
Me3SiO-(Me2SiO)0~300(Ph2SiO)0~300(MeHSiO)2~650SiMe3である。
Me3SiO-(MeHSiO)2~650-SiMe3、
(MeHSiO)4~7、
HMe2SiO-(Me2SiO)0~300(MePhSiO)0~300(MeHSiO)1~650SiMe2H、
Me3SiO-(Me2SiO)0~300(MePhSiO)0~300(MeHSiO)2~650SiMe3、
Me3SiO-(Me2SiO)0~300(Ph2SiO)0~300(MeHSiO)2~650SiMe3である。
成分b)は1つのポリオルガノシロキサンポリマーの単一成分として、またはその混合物として使用されてよい。
硬化速度の増大が必要とされる場合には、HMe2SiO0,5-単位を有する何らかのポリオルガノシロキサンb)またはMeHSiO-ホモポリマーを用いて硬化速度を調節して時間を短縮することが好ましい。
成分b)は好ましくは、剪断速度D=10s-1で測定して20℃において2から1000mPa・sの粘度を有する。
好ましくは架橋剤b)は分子当たりに、少なくとも3より多い反応性SiH基を有するべきである。加えて、分子当たりに平均して>1から3の反応性SiH基を有する、いわゆる鎖延長剤が存在していてよい。
処方中で成分a)にあり、また存在する場合にはb)にもある不飽和ヒドロカルビル残基R1の合計に対しての、成分b)中の合計のSiH基のモル比は、0.7から15、好ましくは0.8から8、より好ましくは1.0から7、最も好ましくは1.0から4の間である。
さらに、R2SiO単位:RHSiO単位のモル比が>1であるポリオルガノハイドロジェンシロキサンを使用することが好ましい。
このポリオルガノハイドロジェンシロキサンにおいて好ましいR基は、メチル、フェニルおよび3,3,3-トリフルオロプロピルである。好ましい粘度は20℃において1000mPa・s未満、より好ましくは400mPa・s未満である(剪断速度D=10s-1で測定)。
成分c)補強性フィラー
本発明の硬化性シリコーン組成物は好ましくは、1つまたはより多くの補強性シリカまたは樹脂、好ましくはシリコーン樹脂を含む、1つまたはより多くの補強性フィラー成分を含んでよい。好ましくは、硬化性シリコーン組成物は1つまたはより多くの好ましくは補強性フィラー成分を含む。
本発明の硬化性シリコーン組成物は好ましくは、1つまたはより多くの補強性シリカまたは樹脂、好ましくはシリコーン樹脂を含む、1つまたはより多くの補強性フィラー成分を含んでよい。好ましくは、硬化性シリコーン組成物は1つまたはより多くの好ましくは補強性フィラー成分を含む。
好ましくはそれらは、BET比表面積50m2/gから400m2/gのヒュームドシリカの群より選択される。
ヒュームドシリカは適切であれば、表面変性された補強フィラーc)である。補強フィラーc)は、50m2/gまたはより大きなBET比表面積および<50nmの一次粒子径によって特徴付けられる。本発明の文脈においては、成分d)は補強フィラーc)によって構成されるものではない。
好ましくはこれらのフィラーは表面が疎水化される。成分c)が使用される場合には、成分a)すなわちポリオルガノシロキサンa2)の100重量部に対して、その量は好ましくは100重量部まで、好ましくは0から60重量部、さらにより好ましくは0から50重量部、さらにより好ましくは5から30重量部である。
50m2/gを超えるBET比表面積を有するフィラーは、改善された機械的特性を備えたシリコーンエラストマーの製造を可能にする。強度、電気的抵抗および難燃性の観点においてヒュームドシリカは好ましく、そしてよりさらに好ましいシリカは、例えばエボニック社(以前はデグッサ社)、ワッカー社またはキャボット社その他から供給されている、200m2/gを超えるBET比表面積を有するAerosil(登録商標)200、300、400、HDK(登録商標)N20またはT30、Cab-O-Sil(登録商標)MS7またはHS5である。
フィラーc)は任意の適切な従来法による表面処理を受けていてよく、適切な表面処理剤は補助的添加剤f)としての反応性シランまたはシロキサンに属する。表面処理のために好ましいシランまたはシロキサンは好ましくは、例えば水の存在下におけるヘキサメチルジシラザンおよび/または1,3-ジビニルテトラメチルジシラザンのようなシラザン類であり、好ましい実施形態において表面処理は、「現場」でのフィラー表面の疎水化によって行われてよい。他の実施形態においては表面処理はまた、鎖長が2から50で不飽和有機基を担持しているポリオルガノ-シロキサンジオールのような、他の既知のフィラー処理剤で行われてよい。
フィラー処理のための剤は、架橋反応のための反応部位を提供してよい。
硬化性液状シリコーンゴムの好ましい実施形態の場合には、ヘキサオルガノジシラザンおよび水による処理と、その反応生成物が好ましい。
種々のシランで予め疎水化された商業的に入手可能なシリカの例は:Aerosil R972、R974、R976、またはR812、或いは例えば、HDK2000またはH30である。未硬化のシリコーンゴム混合物のレオロジー特性、すなわち技術的な処理特性は、フィラーの種類、その量、および疎水化の性質の選択によって影響されてよい。
例えば粒子径が100μmよりも小さく<50m2/gのBET比表面積を有するすべての微粒子フィラーなどの半補強フィラーまたは非補強フィラーといった他のフィラーは、補助的添加剤として成分f)のもとに数えられる。
成分d)1つまたはより多くのカーボンブラック
本発明による硬化性シリコーン組成物は1つまたはより多くのカーボンブラックd)を含有し、これは好ましくは排他的に、硬化性組成物の他の成分を非硬化性組成物、すなわちカーボンブラックマスターバッチと混合することによって、本発明の硬化性シリコーン組成物中に取り込まれる。
本発明による硬化性シリコーン組成物は1つまたはより多くのカーボンブラックd)を含有し、これは好ましくは排他的に、硬化性組成物の他の成分を非硬化性組成物、すなわちカーボンブラックマスターバッチと混合することによって、本発明の硬化性シリコーン組成物中に取り込まれる。
本発明の硬化性シリコーン組成物中にある1つまたはより多くのカーボンブラックd)の量は、1つまたはより多くの不飽和基を有するポリオルガノシロキサンa2)の100部に対して0.1~2重量部である。
より好ましくは、本発明の硬化性シリコーン組成物中にある1つまたはより多くのカーボンブラックd)の量は、1つまたはより多くの不飽和基を有するポリオルガノシロキサンa2)の100部に対して、例えば約0.15~2重量部、より好ましくは0.2~1.5重量部、そしてさらにより好ましくは0.3~1重量部であることができる。
好ましくは本発明の硬化性組成物は、1種類だけのカーボンブラックを含有する。
好ましくは、本発明による硬化性シリコーン組成物は、硬化性シリコーン組成物の合計重量に基づいて、約0.1重量%から約2.4重量%(重量パーセント)、好ましくは約0.3から約2.2重量パーセント、さらにより好ましくは約0.5から約2.0重量パーセントの1つまたはより多くのカーボンブラックd)を含んでいる。
カーボンブラックd)としては基本的に、すべての種類のカーボンブラックを使用してよい(アセチレンブラック、チャネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラックまたはサーマルブラックなど)。技術分野の当業者に周知のように、カーボンブラックは準結晶炭素の形態であり、活性炭素よりは低いものの、一般に高い表面積対体積比を有する。カーボンブラックは、表面積対体積比がずっと大きく、多環式芳香族炭化水素(PAH)含有量が著しく少ない(ごく僅かで生物学的利用性がない)点において、煤とは非類似である。
本発明の好ましい実施形態においては、少なくとも1つの絶縁活性化合物d)は導電性カーボンブラック、好ましくはファーネスカーボンブラックであり、すなわちファーネスブラックプロセスによって製造される。
好ましい実施形態においては、1つまたはより多くのカーボンブラックd)は、>30m2/gのBET比表面積、および/または5nmから500nmの平均一次粒子径D50を有する導電性カーボンブラックから選択される、少なくとも1つのカーボンブラックを含んでいる。
さらに好ましい実施形態においては、1つまたはより多くのカーボンブラックは、以下の性質の1つまたはより多くを有する導電性カーボンブラックから選択される少なくとも1つのカーボンブラックを含有する:
・>100m2/gから1500m2/g、より好ましくは>100m2/gから1400m2/g、より好ましくは>100m2/gから1000m2/g、より好ましくは>250m2/gから1000m2/g、より好ましくは>500m2/gから1000m2/gのBET比表面積、および/または
・5nmから500nm、より好ましくは10nmから200nmの一次粒子径D50、および/または
・300~600ml/100g、より好ましくは300~550ml/100g、より好ましくは300~400ml/100gのDBP細孔容積、および/または
・700~1200mg/g、より好ましくは700~1150mg/g、より好ましくは700~1000mg/g、より好ましくは700~900mg/gのヨウ素吸着量、および/または
・pH8~11、より好ましくはpH9~11、より好ましくはpH9~10.5および/または
・<50ppmの金属含有量、および/または
・<150ppmの硫黄含有量、および/または
・<0.5重量%の水分含有量、および/または
・<1重量%の揮発成分含有量、および/または
・ペレット中の<125マイクロメートルの微細物が<10重量%、および/または
・<50mg/kgのグリット含有量、および/または
・<0.1重量%の灰分。
・>100m2/gから1500m2/g、より好ましくは>100m2/gから1400m2/g、より好ましくは>100m2/gから1000m2/g、より好ましくは>250m2/gから1000m2/g、より好ましくは>500m2/gから1000m2/gのBET比表面積、および/または
・5nmから500nm、より好ましくは10nmから200nmの一次粒子径D50、および/または
・300~600ml/100g、より好ましくは300~550ml/100g、より好ましくは300~400ml/100gのDBP細孔容積、および/または
・700~1200mg/g、より好ましくは700~1150mg/g、より好ましくは700~1000mg/g、より好ましくは700~900mg/gのヨウ素吸着量、および/または
・pH8~11、より好ましくはpH9~11、より好ましくはpH9~10.5および/または
・<50ppmの金属含有量、および/または
・<150ppmの硫黄含有量、および/または
・<0.5重量%の水分含有量、および/または
・<1重量%の揮発成分含有量、および/または
・ペレット中の<125マイクロメートルの微細物が<10重量%、および/または
・<50mg/kgのグリット含有量、および/または
・<0.1重量%の灰分。
好ましくは、1種類だけのカーボンブラックが本発明による硬化性シリコーン組成物に含有される。
商業的に入手可能なカーボンブラックには特に、PrintexXE2、PrintexHV(エボニック社)、Black Pearls2000、VulcanoxC72、VulcanoxC72(キャボット社)、Ketjen Black EC300J、Ketjen Black EC600JD(アクゾノーベル社)、Ensaco 360g、Ensaco 350g、Ensaco 350p、Ensaco 250g(ティムカル社)、CL-08(コンチネンタルカーボン社)、Denka Black HS100、Denka Black HS100、Denka Black HS100(デンカケミカルズ社)、CD7087(コロンビアンケミカルズ社)、TokaBlack5500(東海カーボン社)、Chezacarb A(ユニペトロール社)その他が含まれる。
特に好ましいカーボンブラックは、商標Ketjenblack(アクゾノーベル社)の下に販売されている導電性カーボンブラック、特にKetjenblack EC-300J、およびペレット形態の電気導電性カーボンブラック(CAS番号1333-86-4)である。
成分d1)他の絶縁活性化合物(補助的添加剤f)に属する)
本発明による硬化性シリコーン組成物は任意選択的に、1つまたはより多くのカーボンブラックd)とは別に、他の(1つまたはより多くの)絶縁活性化合物d1)を補助的添加剤f)として含んでいてよく、それは導電性または半導電性フィラーからなる群より選択される。
本発明による硬化性シリコーン組成物は任意選択的に、1つまたはより多くのカーボンブラックd)とは別に、他の(1つまたはより多くの)絶縁活性化合物d1)を補助的添加剤f)として含んでいてよく、それは導電性または半導電性フィラーからなる群より選択される。
そうした他の絶縁活性化合物d1)は好ましくは、例えばグラファイト、グラフェン、フラーレン、カーボンナノチューブ、Ti、Al、Zn、Fe、Mn、Mo、Ag、Bi、Zr、Ta、B、Sr、Ba、Ca、Mg、Na、K、Siの酸化物、炭化物、フェライトまたはスピネル、塩化物、硫化物のようなそれらの無機塩を含む導電性または半導電性フィラーの群から選択され、またイオン性液体およびイオン性ポリマーの群から選択される。
そうした他の絶縁活性化合物の量は、1つまたはより多くの不飽和基を有するポリオルガノシロキサンa2)の100重量部に対して、例えば約0~2重量部、好ましくは0.1から2重量部、より好ましくは>0.15~2重量部、より好ましくは>0.2~1.5重量部、そしてさらにより好ましくは>0.3~1重量部であることができる。
粒子状の絶縁活性化合物は好ましくは、5nmから500nm、好ましくは5nmから200nmの平均径D50を有する。
D50は、ISO22412:2008による光散乱によって測定される。特にペレット材料においては、粒度篩分析により125μmを超える直径の粒子は10重量%未満であるべきである。
成分d1)として適切な他の成分はイオン性液体およびイオン性ポリマーであり、これらはアンモニウム基、ホスホニウム基、カルボキシル基、ホスフェート基またはスルホネート基、およびカチオンまたはアニオンのような対イオンを含む化合物からなる群より選択される。
他の好ましい絶縁活性成分d1)は、二酸化チタン(TiO2)、鉄および亜鉛、酸化物特にスピネルおよびフェライトからなる群より選択される。好ましい実施形態においてはしかしながら、ZnOの使用は好ましくない。
絶縁活性成分d1)として好ましい二酸化チタンは、BET比表面積の範囲35~300m2/gを有し、また粒子径は30nm未満である。例えば、ヒュームドTiO2であるP25(デグッサ-エボニック社)は、21nmの数平均一次粒子径と50m2/gのBET比表面積を有する。別の種類のTiO2は沈降アナターゼ型(Kronos7050)であり、例えば約225m2/gのBET比表面積と15nmの数平均一次粒子径/結晶寸法を有する。
成分d1)としてのTiO2またはFe3O4の使用はまた、成分e)としてのPt化合物に基づく硬化触媒によって達成される難燃性の効果を増大させるために有用である。
本発明の好ましい実施形態においては、硬化性シリコーン組成物は、1つまたはより多くのカーボンブラックd)だけを絶縁活性化合物として含む。
しかしながら、カーボンブラックd)以外の任意の絶縁活性化合物d1)が本発明による硬化性シリコーン組成物中に存在する場合には、その量は硬化性シリコーン組成物の合計重量に関して0.01重量パーセント(wt%)から1.96重量パーセント、好ましくは0.05重量%から1.90重量%、より好ましくは0.1重量%から1.8重量%、より好ましくは0.15重量%から1.7重量%、より好ましくは0.2重量%から1.5重量%、より好ましくは0.3重量%から1.0重量%、より好ましくは0.3重量%から0.7重量%であることができる。
本発明によれば、絶縁活性化合物d)(1つまたはより多くのカーボンブラック)およびd1)(カーボンブラック以外の絶縁活性化合物)の量と種類、好ましくはd)のみの量は適宜調節されて、硬化シリコーン組成物が特に高電圧直流(HVDC)の用途に対する絶縁体として適切なものとなるような電気的性質を有するように、特に絶縁体が25℃から90℃の範囲で10kV/mmから30kV/mmの電場において、1×1011Ωcmを超える、好ましくは1×1012Ωcmを超える、より好ましくは1×1013Ωcmを超える、さらにより好ましくは1×1014Ωcmを超える、そして好ましくは最大で1×1016Ωcmの体積抵抗率を有するようにされる。さらにまた、本発明によれば絶縁活性化合物d)およびd1)(好ましくはd)のみ)の量および種類は適宜調節されて、本発明の硬化シリコーン組成物が25℃から90℃の範囲で10kV/mmから30kV/mmの電場において温度依存性のある体積抵抗率を有していて、最大の体積抵抗率と最小の体積抵抗率の比が<10であるように、および/または体積抵抗率が25℃から90℃の範囲で10kV/mmから30kV/mmの電場において、好ましくは1×1011Ωcmを超える、より好ましくは1×1013Ωcmを超える、より好ましくは1×1016Ωcmを超える、そしてさらにより好ましくは1×1017Ωcmを超える、好ましくは1×1018Ωcmまでとなるようにされる。さらにまた、本発明の硬化シリコーン組成物は好ましくは25℃から90℃の範囲で10kV/mmから30kV/mmの電場において、1×1011から1×1018Ωcmの間、好ましくは1×1013から1×1018Ωcmの間、より好ましくは1×1014から1×1018Ωcmの間、そして最も好ましくは1×1016から1×1018Ωcmの間の体積抵抗率を有する。最も好ましいのは、カーボンブラック含有量について硬化性組成物の合計重量に基づき1つまたはより多くのカーボンブラックd)が1.0重量%から2.0重量%であり、体積抵抗率が25℃から90℃の範囲で10kV/mmから30kV/mmの電場において1×1016から1×1018Ωcmの間にある、硬化性シリコーン組成物である。
硬化シリコーン組成物の体積抵抗率は、有効直径が31mmで厚さが1mmのテストシートを用いて、DIN EN62631-3-1にしたがって測定される。
測定は、他の温度について明示しない限り、室温で行われた。電極は真鍮で作成され、使用前に研磨された。導電性コーティング(例えば銀インク)は使用されなかったが、それはシリコーンが電極に十分に接触していたためである。分極のためには、ハインジンガー社のPNChp-30000-2タイプの直流源を30kV/mmの最大電圧および2mAの最大電流で使用した。最小検出可能電流は1fA(フェムトアンペア)である。この試験の設定において最高解像度は10fAにおけるものであった。
本発明による硬化性シリコーン組成物中への上記に規定した非硬化性シリコーン組成物(マスターバッチ)の取り入れプロセス
カーボンブラック成分d)は本発明の硬化性シリコーン組成物中へと、本発明による非硬化性シリコーン組成物の形態において、すなわちマスターバッチとして、例えばディゾルバー混合機を用いて適宜取り込まれる。
カーボンブラック成分d)は本発明の硬化性シリコーン組成物中へと、本発明による非硬化性シリコーン組成物の形態において、すなわちマスターバッチとして、例えばディゾルバー混合機を用いて適宜取り込まれる。
一般に、本発明によるヒドロシリル化/付加硬化型シリコーン組成物の場合は、2成分系を製造することによって調製され、2成分系の一方はポリオルガノシロキサンa2)およびカーボンブラックマスターバッチ(すなわち本発明による非硬化性シリコーン組成物)、任意選択的なフィラー成分c)、ヒドロシリル化触媒e)および任意選択的な補助的添加剤f)を含んでおり、他方はポリオルガノハイドロジェンシロキサンb)、任意選択的なフィラー成分c)および任意選択的な補助的添加剤f)を含んでいる。硬化させる場合は、これらの両成分が混合され、次いで加熱されて、本発明による硬化シリコーン組成物が得られる。
成分e)硬化触媒
1つの好ましい実施形態においては、硬化触媒は0~1000ppm(成分a)からd)の合計重量に対して)の、ヒドロシリル化反応による硬化を可能にする化合物からなる群より選択される。
1つの好ましい実施形態においては、硬化触媒は0~1000ppm(成分a)からd)の合計重量に対して)の、ヒドロシリル化反応による硬化を可能にする化合物からなる群より選択される。
本発明においてヒドロシリル化触媒として適用される硬化触媒e)は、Pt、Pd、Rh、Co、Ni、IrまたはRuの金属または金属化合物からなる群より選択される。
本発明の硬化性シリコーン組成物は、成分b)であるSiH-ポリオルガノシロキサンが存在し、また任意選択的に難燃性のための必要な場合には、好ましくは硬化触媒として作用する白金または少なくとも1つの白金化合物e)を含んでいる。
考えられるPt成分e)は例えば通常の白金触媒成分から選択されてよく、例えば米国特許第3,159,601号;米国特許第3,159,662号;米国特許第3,419,593号;米国特許第3,715,334号;米国特許第3,775,452号および米国特許第3,814,730号に教示されているような、例えば有機白金化合物、白金金属または塩の群から、活性炭、炭素、シリカ粉末のような担体を伴ってまたは伴わずに選択される。
ヒドロシリル化による硬化反応はもちろん、技術分野における当業者に知られた他の金属または金属化合物によって開始されてよい。他の金属は、Pd、Rh、Co、Ni、IrまたはRuの金属または金属化合物を含んでいてよい。
適切な白金化合物はまた光活性化触媒を含み、これは(h-ジオレフィン)-(σ-アリール)-白金錯体(例えば米国特許第4,530,879号または米国特許公開第2003/0199603号)、h5シクロペンタジエニル白金錯体化合物またはシグマ結合した配位子、好ましくはシグマ結合したアルキルまたはアリール配位子を有する任意選択的に置換されたシクロペンタジエニル配位子との錯体を含んでいる。例えば米国特許第4,640,939号に開示されているようにアゾジカルボン酸エステルを用いることにより、またはジケトネートにより活性が制御されてよい、他の白金化合物もまた、原理的には使用されてよい。使用されてよい光活性化可能な白金化合物はさらに、ジケトンから選択される配位子を有する群から選択されるものである。他のPt触媒は例えば米国特許第3,715,334号または米国特許第3,419,593号、欧州特許公開第1672031A1並びにLewis、Colborn、Grade、Bryant、SumpterおよびScottによるOrganometallics1995年14号2202-2213に言及されているが、これらの内容はすべて参照することによって本発明に取り入れられる。
成分e)は、本発明の硬化性シリコーン組成物のヒドロシリル化反応のために用いられた場合、触媒化合物として作用し、成分b)のケイ素に結合した水素原子と成分a)のケイ素に結合したオレフィン系炭化水素置換基との反応を触媒する。金属または有機金属化合物は、任意の触媒活性な金属であってよく、一般的には触媒活性成分を含有する白金族の金属である。好ましくは、成分e)の金属は任意の白金錯化合物である。
本発明の硬化性ポリオルガノシロキサン組成物における典型的な白金含有触媒成分は、亜リン酸と錯体を形成することのできる任意の形態の白金(0)、(II)または(IV)化合物である。好ましい錯体は、ポリオルガノシロキサン組成物中における分散容易性の観点から、アルケニル、シクロアルケニル、ビニルシロキサンの如きアルケニルシロキサンのようなPt(0)アルケニル錯体である。
白金錯体の特に有用な形態は、脂肪族系不飽和オルガノケイ素化合物とのPt(0)錯体、例えば参照によって本願に取り入れられる米国特許第3,419,593号に開示された1,3-ジビニル-テトラメチルジ-シロキサン(ビニル-M2またはKarstedt触媒)が特に好ましく、またシクロヘキサン-Pt、シクロオクタジエン-Ptおよびテトラビニル-テトラメチル-テトラシクロシロキサン(ビニル-D4)がある。こうした触媒は本発明の硬化性シリコーン組成物において最高の分散性を有する。
Pt(0)オレフィン錯体は例えば、1,3-ジビニル--テトラメチルジシロキサン(MVi
2)の存在下に、例えばアルカリ炭酸塩または水酸化物のような塩基性化合物の存在下におけるアルコールによるヘキサクロロ白金酸または他の白金塩化物の還元を通じて調製される(Pt(IV)およびPt(II)のヒドラジン還元生成物もまた使用可能である)。
本発明の硬化性シリコーン組成物において難燃性添加剤として使用される白金含有触媒成分の量は、2つの制約要因によって限定される。
一方においてその量は、所望とする燃焼抵抗性をもたらさなければならず、また他方においてその量は、コスト的な理由からできるだけ少なくなければならず、反応性と貯蔵時の可使時間をバランスさせなければならない。
したがって、白金濃度が1から120ppmの間、好ましくは1から100ppm、より好ましくは1~70ppm、そしてさらにより好ましくは1~38ppm(成分a)からf)に関連する金属に基づいて)である硬化性ポリオルガノシロキサン組成物を提供することが好ましい。
一般にPt触媒の反応性は、成分f)の下に補助的添加剤として規定されたいわゆる阻害剤によって、硬化時間に関して制御されねばならない。
本発明の別の実施形態においては、硬化触媒e)はa)からf)に関連する0.1重量%から2重量%の有機過酸化物の群から選択され、その場合にそうした有機過酸化物は置換または未置換のジアルキルペルオキシド、アルキルアロイルペルオキシド、ジアロイルペルオキシドからなる群より選択される。
適切な過酸化物は、高粘度シリコーンゴム(HCR、HV、HTV)において通常用いられている過酸化物であり、ジアルキルペルオキシド、アルキルアロイルペルオキシド、ジアロイルペルオキシドの群から選択される。好ましい過酸化物は、その過酸化物を含む本発明の硬化性ポリオルガノシロキサン組成物の混合物を25℃においてスコーチなしに少なくとも10日超、好ましくは30日超貯蔵することが可能な半減期を有するすべての過酸化物である。スコーチとは早期の硬化、すなわち20ムーニー単位を超えるムーニー粘度の増大またはゲル化、つまり弾性モジュラスG’のレベルまでレオメーターにおいて測定された損失弾性率G”の増大のいずれかを意味している。
好ましい過酸化物についての反応性は、ポリメチルシロキサンまたはポリメチルビニルシロキサンの硬化が180℃未満の温度において15分未満で生ずるようなものである。
そうした硬化剤の好ましい例は、ビスベンゾイルペルオキシド、ビスo-メチルベンゾイルペルオキシドまたはp-メチルベンゾイルペルオキシド、ビス-2,3-ジクロロベンゾイルペルオキシド、ビス-2,4-ジクロロベンゾイルペルオキシドまたはビス-2,5-ジクロロベンゾイルペルオキシド、ジターシャリーブチルペルオキシドのような有機過酸化物であり、これらは好ましくは常圧熱風加硫に使用され、また例えばブチルペルオキシベンゾエート、ジクミルペルオキシド、α,α’-ジ(t-ブチルペルオキシ)ジイソプロピルベンゼンおよび2,5-ビス-(t-ブチルペルオキシ)-2,5-ジメチルヘキサンのような過酸化物であり、これらは与圧下にトランスファー成型または射出成型に使用される。
HCRシリコーン組成物はまた、成分b)およびヒドロシリル化触媒で硬化されることもできる。難燃性の観点から、Ptのヒドロシリル化触媒を架橋触媒としてだけでなく難燃性を改善するために、二役の添加剤として用いることが好ましい。
成分f)補助的添加剤
任意選択的に本発明による硬化性シリコーン組成物は補助的添加剤f)を含むことができ、それは好ましくは顔料、接着促進剤、可塑剤、難燃添加剤、溶剤、希釈剤、フィラー処理のためのプロセス助剤および上述した他の絶縁活性化合物d1)からなる群より選択される。
任意選択的に本発明による硬化性シリコーン組成物は補助的添加剤f)を含むことができ、それは好ましくは顔料、接着促進剤、可塑剤、難燃添加剤、溶剤、希釈剤、フィラー処理のためのプロセス助剤および上述した他の絶縁活性化合物d1)からなる群より選択される。
接着促進剤
本発明による1つの実施形態の硬化性シリコーン組成物は、少なくとも1つの接着促進剤を含んでいる。これらの化合物は、金属、熱可塑性または熱硬化性プラスチック表面、ガラス、天然布繊維または合成布繊維、他のセラミック基材といった幾つかの基材表面に対して接着する、本発明の組成物の性能を向上させる。
本発明による1つの実施形態の硬化性シリコーン組成物は、少なくとも1つの接着促進剤を含んでいる。これらの化合物は、金属、熱可塑性または熱硬化性プラスチック表面、ガラス、天然布繊維または合成布繊維、他のセラミック基材といった幾つかの基材表面に対して接着する、本発明の組成物の性能を向上させる。
接着促進剤は好ましくは、成分a)に対して0.1重量%から2重量%の量で用いられる。架橋剤b)の幾つかは、SiH単位の他に例えばアリール基、アクリル基、メタクリル基またはエポキシ基のような置換基を有する場合、接着促進剤として作用してよい。また窒素化合物f)の幾つかは、特にアルコキシシリル基が存在する場合には、接着促進剤として作用してよい。
接着促進剤の1つの好ましい例は、式(3)のシランからなる群より選択される:
X-(CR9 2)e-Y-(CH2)eSiR9 d(OR8)3-d (3)
式中
Xはハロゲン基、擬ハロゲン基、14までの炭素原子の不飽和脂肪族基、14までの炭素原子のエポキシ基含有脂肪族基、シアヌレート含有基、およびイソシアヌレート含有基からなる群より選択され、
Yは単結合、-COO-、-O-、-S-、-CONH-、-HN-CO-NH-から選択されるヘテロ原子基からなる群より選択され、
R9は水素から選択され、そしてRは上記で定義した通りであり、
R8はC1~C8アルキル基、eは0、1から8であり同一でも異なっていてもよく、
dは0、1から2である。
X-(CR9 2)e-Y-(CH2)eSiR9 d(OR8)3-d (3)
式中
Xはハロゲン基、擬ハロゲン基、14までの炭素原子の不飽和脂肪族基、14までの炭素原子のエポキシ基含有脂肪族基、シアヌレート含有基、およびイソシアヌレート含有基からなる群より選択され、
Yは単結合、-COO-、-O-、-S-、-CONH-、-HN-CO-NH-から選択されるヘテロ原子基からなる群より選択され、
R9は水素から選択され、そしてRは上記で定義した通りであり、
R8はC1~C8アルキル基、eは0、1から8であり同一でも異なっていてもよく、
dは0、1から2である。
接着促進剤f)の好ましい例に含まれるものは:ガンマグリシジルオキシプロピルトリアルコキシシラン、(3,4-エポキシシクロヘキシル)アルキルトリアルコキシシラン、メタクリロキシプロピルトリアルコキシシラン、イソシアネートプロピルトリアルコキシシラン、イソシアネートメチルトリアルコキシシランおよびビニルトリアルコキシシランである。
他の任意選択的な補助的添加剤は成分a)の100重量部当たりに0~15重量部の量で使用される。補助的なまたは従来の添加剤は例えば:可塑剤、剥離油、疎水化油を含んでおり、好ましくは20℃において0.001~10Pa・sの粘度を有するポリジメチルシロキサンオイル、ポリジフェニルジメチルシロキサンオイルなどである。
さらにまた、特に外側層として存在する場合には、その層は最低量の無機または有機顔料で着色することが望ましいが、それはそうした顔料は多くの場合、機械的または電気的性質を低下または損傷するからである。付加的に離型剤または流動性向上剤を使用してよく、その例は脂肪酸誘導体または脂肪族アルコール誘導体、フッ素アルキル界面活性剤である。本発明において有利に使用される化合物は、迅速に分離して表面に移行する化合物である。熱風への曝露後の安定性は、例えばFe化合物、Mn化合物、Ti化合物、Ce化合物またはLa化合物、および有機塩、好ましくはそれらのジケトネートまたはトリケトネートのような有機錯体といった、公知の熱風安定剤を使用することによって増大されてよい。
さらにまた、補助的添加剤f)はフィラー成分c)の処理のための疎水化剤、例えば有機シラノールまたは有機シラザンと水、例えばトリメチルシラノール、ビニルジメチルシラノール、ヘキサメチルジシラザン、1,3-ジビニルテトラメチルジシラザンを含むことができる。
補助的添加剤はまた、ヒドロシリル化架橋反応を制御するための、いわゆる阻害剤を含んでいてよい。硬化性シリコーン組成物がヒドロシリル化反応のためのすべての成分、すなわちa1)のアルケニル基、b)のSiH基および白金またはその化合物を含んでいる場合には、コーティングまたは成形品の製造のために望ましい硬化または成形工程よりも前の25℃における硬化性シリコーン組成物の早期の硬化を回避するために、反応速度は好ましくは阻害剤によって制御されるべきである。ヒドロシリル化反応に有用な阻害剤は周知である。有利な阻害剤の例には例えば、ビニル-シロキサン、1,3-ジビニルテトラメチルジシロキサン、またはテトラビニルテトラメチル-テトラシクロ-シロキサンが含まれる。上記のPt化合物と相互作用する他の公知の阻害剤、本発明によれば例えばエチニルシクロヘキサノール、3-メチルブチノールのようなアルキノール、ジメチルマレエート、アルキルホスフィン、アリールホスフィンまたはアルキルアリールホスフィン、アルキルホスファイト、アリールホスファイトまたはアルキルアリールホスファイト、或いはアルキルアミン、アリールアミンといった他の公知の阻害剤を使用することが可能であり、それによって触媒のヒドロシリル化活性に影響を及ぼして、一方では貯蔵安定性、他方では硬化時の高温反応性との間に優れたバランスがもたらされる。
難燃性を増大させるためには、Pt化合物の効果を増大させることのできる窒素系化合物またはリン系化合物を用いることが好ましい。これらの難燃性添加剤は、アゾ、ヒドラゾ、トリアゾール、テトラゾール、グアニジン、メラミン、尿素または亜リン酸誘導体の群から選択される。
溶剤および/または希釈剤
本発明による特定の実施形態の硬化性シリコーン組成物は、スプレー用途に適している。そうした場合に本発明による硬化性シリコーン組成物は、溶剤および/または希釈剤を含んでいてよい。そうした溶剤および/または希釈剤は、例えばシロキサン、炭化水素溶剤、エステル系溶剤およびアルコール系溶剤といった有機溶剤から選択することができる。
本発明による特定の実施形態の硬化性シリコーン組成物は、スプレー用途に適している。そうした場合に本発明による硬化性シリコーン組成物は、溶剤および/または希釈剤を含んでいてよい。そうした溶剤および/または希釈剤は、例えばシロキサン、炭化水素溶剤、エステル系溶剤およびアルコール系溶剤といった有機溶剤から選択することができる。
他の増量フィラーまたは顔料
補助的添加剤はまた、他の増量フィラーを含んでいてよい。そうした他のフィラーは絶縁活性化合物d)またはd1)とは異なる。それらの使用は、成分d)またはd1)の効果を損なうものであってはならない。付加的な顔料または増量フィラーは、成分d)またはd1)の誘電特性と相互作用せず、または損傷もしくは停止させない限りにおいて取り入れるべきである。
補助的添加剤はまた、他の増量フィラーを含んでいてよい。そうした他のフィラーは絶縁活性化合物d)またはd1)とは異なる。それらの使用は、成分d)またはd1)の効果を損なうものであってはならない。付加的な顔料または増量フィラーは、成分d)またはd1)の誘電特性と相互作用せず、または損傷もしくは停止させない限りにおいて取り入れるべきである。
したがって、増量フィラーまたは顔料は成分d)と極めて類似した効果を有しまたは成分d)と相互作用するためだけに用いることができる。使用される場合に濃度はしたがって1重量%未満、好ましくは0.1重量%よりも少なくあるべきである。
典型的な有機顔料は例えば、ペリレン系有機顔料、フタロシアニン系有機顔料の群から選択される。
増量フィラーは、成分d)の粒子径よりも大きな粒子径を有する珪酸塩、珪藻土、粉砕シリカ、水晶、雲母、アモルファス炭酸塩、ホウ酸塩、水酸化物/酸化物、およびAl、Ca、Mg、Fe、Znの酸化物の群から選択することができる。これらの研磨性フィラーおよび顔料は好ましくは、粒子径が1から100μmで<30m2/gのBET比表面積を有する半補強または非補強フィラーまたは顔料である。
加えてこれらのフィラーの多くは非常に多くの場合、射出成形機または混合機のノズルや表面、または金型に対して研磨性であることから、これらのフィラーの殆どは幾つかの他の理由のもとに省略される。射出成形機のノズルや金型自体の寿命を増大させるために研磨性フィラーの濃度をできるだけ低くすべきであるということは、本発明の概念の一部である。こうした研磨性フィラーは、射出成型プロセスにおけるノズルの金属表面に対して研磨性でない場合には許容されてよいが、しかし原理的にはこれらのフィラーは回避すべきであるか、または成分a)の100重量部当たり3重量部未満であるべきである。粉砕水晶またはクリストバライト粉末もしくは珪藻土のような研磨性フィラーは一般に、より好ましくない。
本発明の硬化性シリコーン組成物はすべて、シリコーン技術において公知のプロセスおよび本発明の硬化性シリコーン組成物を噴霧コーティングすることによって得られるコーティング品を含めて、形成される成形品の製造のための関連プロセスのいずれかによって硬化可能である。本発明の硬化性シリコーン組成物を硬化した材料はエラストマーであり、好ましくは高電圧直流用途のための絶縁体の製造において用いられる。好ましくは本発明の硬化性シリコーン組成物は、ケーブルジョイントまたは終端部をケーブルに組み付ける前に形成され硬化されるが、一般に硬化工程はケーブル付属品を組み付けるプロセスの流れの任意の時点において実行することができ、すなわち硬化および成形は同時に行われる必要はない。
本発明はまた、高電圧用途に適用するのに有用な絶縁体を製造するための方法にも関しており、それによれば本発明の硬化性シリコーン組成物はノズルを介しての押し出しまたは金型によって成形され、成形された組成物は熱または光によって硬化されて、成形された絶縁体が形成される。こうしたプロセスは任意選択的に、本発明の硬化性シリコーン組成物とは異なる少なくとも1つの他のシリコーン材料の存在下に行われる。そうした異なる他の材料は、単独の成分a)からf)の物理的性質および比率および/または濃度に関して少なくとも相違する、シリコーン、ゴムまたは熱可塑性材料であってよい。
硬化された本発明の硬化性シリコーン組成物は、それ自体で絶縁材料として使用可能であるが、しかし好ましくはHVDCケーブル付属品の設計において周知の他の材料との組み合わせにおいて使用される。例えば、ケーブルジョイントまたはケーブル終端部は非常に多くの場合多層設計となっており、それによれば高い導電性をもたらす少なくとも1つの材料、例えば1×104Ωcm未満の体積抵抗率を有する導電性EPDMまたは導電性シリコーンゴムまたは導電性熱可塑性樹脂は、シールド材料としてジョイントの一部である。そうしたケーブル付属品の幾つかの部分はチューブまたはチューブ状トランペットの形態を有することができ、したがって押し出しプロセスによって製造することができる。
最終的な絶縁体は非常に多くの場合、2から4個の異なる材料のより複雑な組み立てを必要とし、したがって押し出し部品および成型部品の組み立てによって製造され、場合によっては最終的な外側層は、特に容積の大きなジョイントについては任意選択的に開放金型キャビティの支援の下に低粘度のシリコーンゴムを注入することによって、被覆材料として適用される。
本発明の硬化性シリコーン組成物は好ましくは、硬化組成物として高電圧直流用途のために、また好ましくはケーブルジョイント、ブーツ、スリーブ、フィッティングその他、ケーブル付属品、ケーブル終端部の製造のために使用される。
硬化した本発明のシリコーン組成物は特に、熱可塑性ポリオレフィンまたはゴム製のケーブル絶縁体を有する1つまたはより多くのケーブルのケーブル端部をシールすることを意図したケーブルジョイントの製造のために使用され、そこにおいてケーブルジョイントは熱可塑性ポリオレフィンまたはゴム製のケーブル絶縁体を有する1つまたはより多くのケーブルのケーブル端部をシールする。
本発明はまた、A1)本発明によるシリコーン組成物とは異なり任意選択的に硬化される少なくとも1つの導電性形態のシリコーン組成物を提供する工程、B1)工程A1)の組成物を本発明によるシリコーン組成物で金型内において被覆してケーブルジョイントまたはケーブル終端部へと成形および硬化する工程を含む、ケーブルジョイントの製造方法にも関している。
さらにまた本発明は、上記に規定したケーブルジョイントを使用することによって、接続されたケーブルをシールおよび/または絶縁し、またはケーブル端部を閉じる方法に関しており、これは
j)直流絶縁に適した熱可塑性またはエラストマーの多層被覆を有する絶縁ワイヤおよび裸のワイヤまたはコネクタの部分を提供する工程、
jj)成型されたシリコーンのケーブルジョイントと絶縁ワイヤ上の被覆との間に約0.5cmを超える重なりが達成されるような仕方でジョイントを機械的に拡げて、上記に規定したチューブ状の予め成型および硬化したケーブルジョイントの穴をj)の絶縁被覆の表面を覆って配置することによって裸のワイヤまたはコネクタを被覆し、それによりシリコーンのケーブルジョイントが絶縁ワイヤの絶縁被覆を解放されたジョイントの機械的圧力によってシールして、裸のワイヤおよびコネクタ用でもある被覆絶縁体を形成する工程を含んでいる。
j)直流絶縁に適した熱可塑性またはエラストマーの多層被覆を有する絶縁ワイヤおよび裸のワイヤまたはコネクタの部分を提供する工程、
jj)成型されたシリコーンのケーブルジョイントと絶縁ワイヤ上の被覆との間に約0.5cmを超える重なりが達成されるような仕方でジョイントを機械的に拡げて、上記に規定したチューブ状の予め成型および硬化したケーブルジョイントの穴をj)の絶縁被覆の表面を覆って配置することによって裸のワイヤまたはコネクタを被覆し、それによりシリコーンのケーブルジョイントが絶縁ワイヤの絶縁被覆を解放されたジョイントの機械的圧力によってシールして、裸のワイヤおよびコネクタ用でもある被覆絶縁体を形成する工程を含んでいる。
この組み立てプロセス、すなわち1つまたはより多くの絶縁ケーブルのシール工程は、圧縮空気またはステント状のプラスチックまたは金属工具の支援の下に、またはジョイントを拡大形状に保持する手段によってチューブ状の穴を拡げることによりケーブルジョイントまたはケーブル終端部が拡大され、そしてそれが縮むチューブのように加熱下に解放されるようにして実行することができる。
本発明による別のプロセスは、任意選択的に透明形態を使用し、ケーブルまたは複数のケーブルを被覆した後にすべての材料を現場で用い、0℃から200℃の間の温度においてまたは光および光活性化硬化触媒e)の支援の下に硬化を開始することを含んでいる。
本発明による硬化した本発明のシリコーン組成物は、従来の非押し出しカーボンブラックマスターバッチを使用して調製される硬化シリコーン組成物と比較して、特有の電気的性質を有している。
本発明はさらなる実施形態において硬化性シリコーン組成物に関し、これは:
a)100重量部の、1つまたはより多くの不飽和基、好ましくは1つまたはより多くのアルケニル基を有する1つまたはより多くのポリオルガノシロキサンa2)、
b)0~100重量部、好ましくは>0から100重量部の、1つまたはより多くのポリオルガノハイドロジェンシロキサンを含む架橋剤成分、
c)0~100重量部、好ましくは>0から100重量部の、1つまたはより多くの補強性シリカまたは樹脂を含む1つまたはより多くのフィラー成分、
d)2重量部を超える、好ましくは4重量部~12重量部の1つまたはより多くのカーボンブラック、
e)ヒドロシリル化を可能にする化合物および有機過酸化物からなる群より選択される硬化触媒、および
f)0~50重量部の1つまたはより多くの補助的添加剤を含んでいる。
a)100重量部の、1つまたはより多くの不飽和基、好ましくは1つまたはより多くのアルケニル基を有する1つまたはより多くのポリオルガノシロキサンa2)、
b)0~100重量部、好ましくは>0から100重量部の、1つまたはより多くのポリオルガノハイドロジェンシロキサンを含む架橋剤成分、
c)0~100重量部、好ましくは>0から100重量部の、1つまたはより多くの補強性シリカまたは樹脂を含む1つまたはより多くのフィラー成分、
d)2重量部を超える、好ましくは4重量部~12重量部の1つまたはより多くのカーボンブラック、
e)ヒドロシリル化を可能にする化合物および有機過酸化物からなる群より選択される硬化触媒、および
f)0~50重量部の1つまたはより多くの補助的添加剤を含んでいる。
こうした硬化性シリコーン組成物は好ましくは、この硬化性シリコーン組成物の合計重量に基づいて2.4重量%を超える、好ましくは3重量%から10重量%の、1つまたはより多くのカーボンブラックd)を含んでいる。
こうした高カーボンブラック添加量の硬化性組成物は、通常は電気的および熱的に伝導性のシリコーン組成物へと硬化することができ、またコネクタ、電気導電性フィルム、電極材料、放熱材料の製造といった、電気的および/または熱的に伝導性のシリコーンゴムが必要とされる用途に使用可能である。
本発明の好ましい実施形態
以下では本発明の好ましい実施形態について示す。
以下では本発明の好ましい実施形態について示す。
1.カーボンブラックを含む非硬化性シリコーン組成物の製造プロセスであって、1つまたはより多くのポリオルガノシロキサンa1)を1つまたはより多くのカーボンブラックd)と共に押し出すことを含むプロセス。
2.1つまたはより多くのポリオルガノシロキサンa1)の合計粘度が100Pa・s未満、好ましくは1から100Pa・s(20℃においてD=10s-1の剪断速度で測定)である、上述の実施形態によるプロセス。
3.ポリオルガノシロキサンa1)が1つまたはより多くの不飽和基、好ましくは1つまたはより多くのアルケニル基を有するポリオルガノシロキサンから選択される、先の実施形態のいずれかによるプロセス。
4.ポリオルガノシロキサンa1)がアルキル基およびハロゲンアルキル基のような任意選択的に置換されたアルキル基、、フェニル基のような任意選択的に置換されたアリール基からなる群より選択された有機置換基Rを有し、またビニル基のようなアルケニル基からなる群より選択された1つまたはより多くの置換基R1を有する、上記の実施形態のいずれかによるプロセス。
5.押し出しが多重スクリュー押出機のような押出機、好ましくは2軸スクリュー押出機、より好ましくは同時回転2軸スクリュー押出機で行われる、先の実施形態のいずれかによるプロセス。
6.押し出しが、押し出し塊の温度が室温(25℃)から250℃、好ましくは押し出し塊の温度が50℃から200℃、より好ましくは100℃から175℃の範囲温度で行われる、先の実施形態のいずれかによるプロセス。
7.押し出しが以下の条件の1つまたはより多くを使用して行われる、先の実施形態のいずれかによるプロセス:
・同時回転する2軸スクリュー、
・15mmから250mm、好ましくは20mmから100mmの範囲にあるスクリュー径、
・約1kg/時から600kg/時、好ましくは100kg/時から550kg/時、より好ましくは10kg/時から50kg/時の供給速度、
・50rpmから1200rpm、好ましくは100rpmから1000rpmのスクリュー速度、
・50℃から200℃の押し出し塊の温度、
・20から80、好ましくは30から70のL/D比、(Lは押出機の長さでありDはその直径である)、
・10秒から10分、好ましくは15秒から2分の滞留時間、
・シリンダー冷却の使用、
・スクリュー要素が強力な分散を可能にする幾何学形状を有するセグメント化された設計。
・同時回転する2軸スクリュー、
・15mmから250mm、好ましくは20mmから100mmの範囲にあるスクリュー径、
・約1kg/時から600kg/時、好ましくは100kg/時から550kg/時、より好ましくは10kg/時から50kg/時の供給速度、
・50rpmから1200rpm、好ましくは100rpmから1000rpmのスクリュー速度、
・50℃から200℃の押し出し塊の温度、
・20から80、好ましくは30から70のL/D比、(Lは押出機の長さでありDはその直径である)、
・10秒から10分、好ましくは15秒から2分の滞留時間、
・シリンダー冷却の使用、
・スクリュー要素が強力な分散を可能にする幾何学形状を有するセグメント化された設計。
8.1つまたはより多くのポリオルガノシロキサンa1)の重量と1つまたはより多くのカーボンブラックd)の重量の重量比が90:10から75:25、好ましくは89:11から80:20である、先の実施形態のいずれかによるプロセス。
9.1つまたはより多くのポリオルガノシロキサンa1)および1つまたはより多くのカーボンブラックd)のみが押し出される、先の実施形態のいずれかによるプロセス。
10.先の実施形態のいずれかによって規定されたプロセスによって得られる非硬化性シリコーン組成物。
11.全シリコーン組成物の合計重量に基づいて1つまたはより多くのカーボンブラックd)を少なくとも10重量パーセント、好ましくは少なくとも11重量パーセント、さらにより好ましくは少なくとも12重量パーセント含む、先の実施形態のいずれかによる非硬化性シリコーン組成物。
12.全シリコーン組成物の合計重量に基づいて1つまたはより多くのカーボンブラックd)を10から25重量パーセント、好ましくは11から24重量パーセント、さらにより好ましくは12から23重量パーセント含む、先の実施形態のいずれかによる非硬化性シリコーン組成物。
13.1つまたはより多くのポリオルガノシロキサンa1)および1つまたはより多くのカーボンブラックd)からなる、先の実施形態のいずれかによる非硬化性シリコーン組成物。
14.1つまたはより多くのカーボンブラックが>30m2/gのBET比表面積および/またはD50が5nmから500nmの間の平均一次粒子径を有する導電性カーボンブラック選択された少なくとも1つのカーボンブラックを含む、先の実施形態のいずれかによる非硬化性シリコーン組成物。
15.1つまたはより多くのカーボンブラックが以下の性質の1つまたはより多くを有する導電性カーボンブラックから選択された少なくとも1つのカーボンブラックを含む、先の実施形態のいずれかによる非硬化性シリコーン組成物:
・>100m2/gから1500m2/g、より好ましくは>100m2/gから1400m2/g、より好ましくは>100m2/gから1000m2/g、より好ましくは>250m2/gから1000m2/g、より好ましくは>500m2/gから1000m2/gのBET比表面積、および/または
・D50が5nmから500nmの間、より好ましくは10nmから200nmの粒子径、および/または
・300~600ml/100g、より好ましくは300~550ml/100g、より好ましくは300~400ml/100gのDBP細孔容積、および/または
・700~1200mg/g、より好ましくは700~1150mg/g、より好ましくは700~1000mg/g、より好ましくは700~900mg/gのヨウ素吸着量、および/または
・pH8~11、より好ましくはpH9~11、より好ましくはpH9~10.5および/または
・<50ppmの金属含有量、および/または
・<150ppmの硫黄含有量、および/または
・<0.5重量%の水分含有量、および/または
・<1重量%の揮発成分含有量、および/または
・ペレット中の<125マイクロメートルの微細物が<10重量%、および/または
・<50mg/kgのグリット含有量、および/または
・<0.1重量%の灰分。
・>100m2/gから1500m2/g、より好ましくは>100m2/gから1400m2/g、より好ましくは>100m2/gから1000m2/g、より好ましくは>250m2/gから1000m2/g、より好ましくは>500m2/gから1000m2/gのBET比表面積、および/または
・D50が5nmから500nmの間、より好ましくは10nmから200nmの粒子径、および/または
・300~600ml/100g、より好ましくは300~550ml/100g、より好ましくは300~400ml/100gのDBP細孔容積、および/または
・700~1200mg/g、より好ましくは700~1150mg/g、より好ましくは700~1000mg/g、より好ましくは700~900mg/gのヨウ素吸着量、および/または
・pH8~11、より好ましくはpH9~11、より好ましくはpH9~10.5および/または
・<50ppmの金属含有量、および/または
・<150ppmの硫黄含有量、および/または
・<0.5重量%の水分含有量、および/または
・<1重量%の揮発成分含有量、および/または
・ペレット中の<125マイクロメートルの微細物が<10重量%、および/または
・<50mg/kgのグリット含有量、および/または
・<0.1重量%の灰分。
16.動的光散乱により決定されるところにより、10μm未満の粒子の個数の割合が70%を超え、好ましくは80%を超え、さらにより好ましくは90%を超え、および/または10μmを超える粒子の個数の割合が30%未満、好ましくは20%未満、さらにより好ましくは10%未満、さらにより好ましくは5%未満である、先の実施形態のいずれかによる非硬化性シリコーン組成物。
17.非硬化性シリコーン組成物の粒子の個数に基づく粒子径分布のDn50が好ましくは7μm未満、より好ましくは5μm未満、そして最も好ましくは3μm未満である、先の実施形態のいずれかによる非硬化性シリコーン組成物。
18.非硬化性シリコーン組成物の粒子の個数に基づく粒子径分布のDn90が好ましくは15μm未満、より好ましくは10μm未満、より好ましくは8μm未満、そして最も好ましくは5μm未満である、先の実施形態のいずれかによる非硬化性シリコーン組成物。
19.硬化性シリコーン組成物の製造のための、先の実施形態のいずれかによる非硬化性シリコーン組成物の使用。
20.硬化性シリコーン組成物に取り入れるマスターバッチとしての、先の実施形態のいずれかによる非硬化性シリコーン組成物の使用。
21.高電圧直流用途における、先の実施形態のいずれかによる非硬化性シリコーン組成物の使用。
22.先の実施形態のいずれかによる非硬化性シリコーン組成物を含む硬化性シリコーン組成物。
23.先の実施形態22による硬化性シリコーン組成物であって:
a)100重量部の、1つまたはより多くの不飽和基、好ましくは1つまたはより多くのアルケニル基を有する1つまたはより多くのポリオルガノシロキサンa2)、
b)0~100重量部の、1つまたはより多くのポリオルガノハイドロジェンシロキサンを含む架橋剤成分、
c)0~100重量部の、1つまたはより多くの補強性シリカまたは樹脂を含む1つまたはより多くのフィラー成分、
d)0.1~3重量部の1つまたはより多くのカーボンブラック、
e)ヒドロシリル化を可能にする化合物および有機過酸化物からなる群より選択される硬化触媒、および
f)0~50重量部の1つまたはより多くの補助的添加剤を含む組成物。
a)100重量部の、1つまたはより多くの不飽和基、好ましくは1つまたはより多くのアルケニル基を有する1つまたはより多くのポリオルガノシロキサンa2)、
b)0~100重量部の、1つまたはより多くのポリオルガノハイドロジェンシロキサンを含む架橋剤成分、
c)0~100重量部の、1つまたはより多くの補強性シリカまたは樹脂を含む1つまたはより多くのフィラー成分、
d)0.1~3重量部の1つまたはより多くのカーボンブラック、
e)ヒドロシリル化を可能にする化合物および有機過酸化物からなる群より選択される硬化触媒、および
f)0~50重量部の1つまたはより多くの補助的添加剤を含む組成物。
24.全シリコーン組成物の合計重量に基づいて1つまたはより多くのカーボンブラックd)を0.1重量%から2.4重量%、好ましくは0.2重量%から2.4重量%、より好ましくは0.5重量%から2.2重量%、さらにより好ましくは1.0重量%から2.0重量%、そしてさらにより好ましくは1.3重量%から1.8重量%含む、先の実施形態22または23による硬化性シリコーン組成物。
25.先の実施形態22から24のいずれかによる硬化性シリコーン組成物を硬化することにより得られた硬化シリコーン組成物。
26.実施例に記載の方法により決定されるPEA電荷移動ダイヤグラムにおいて1つまたはそれぞれの電極からの任意の電荷の移動が<0.2mm、好ましくは<0.3mmである、実施形態25による硬化シリコーン組成物。
27.実施例に記載の方法により決定されるPEA電荷移動ダイヤグラムにおいて1つまたはそれぞれの電極からの移動のピーク最大値/最小値が<0.05mm、好ましくは<0.1mmである、実施形態25による硬化シリコーン組成物。
28.合計電荷累積ダイヤグラム(図13に例示的に示す)において5時間後、好ましくは2.5時間後に、測定時間20時間までの平均電荷密度の増大が20%未満、好ましくは10%未満(定常状態)である、実施形態25による硬化シリコーン組成物。
29.合計電荷累積ダイヤグラム(図13に例示的に示す)において20時間またはその後において最大平均電荷密度が<1.5C/m3、好ましくは<1.25C/m3、そして最も好ましくは<1.0C/m3である、実施形態25による硬化シリコーン組成物。
30.25℃から90℃の範囲において10kV/mmから30kV/mmの電場で好ましくは1×1011Ωcmを超える、より好ましくは1×1013Ωcmを超える、より好ましくは1×1016Ωcmを超える、そしてよりさらに好ましくは1×1017Ωcmを超える、好ましくは1×1018Ωcmまでの体積抵抗率を有する、実施形態25から29のいずれかによる硬化シリコーン組成物。
31.25℃から90℃の範囲において10kV/mmから30kV/mmの電場で1×1011と1×1019Ωcmの間、好ましくは1×1011と1×1018Ωcmの間、好ましくは1×1013と1×1018Ωcmの間、より好ましくは1×1014と1×1018Ωcmの間、そして最も好ましくは1×1016と1×1018Ωcmの間の体積抵抗率を有する、実施形態25または29による硬化シリコーン組成物。
32.硬化性シリコーン組成物の合計重量に基づいて1つまたはより多くのカーボンブラックd)をカーボンブラック含有量1.0重量%から2.3重量%で有し、また25℃から90℃の範囲において10kV/mmから30kV/mmの電場で1×1016と1×1018Ωcmの間の体積抵抗率を有する、実施形態25から31のいずれかによる硬化シリコーン組成物。
33.高電圧直流(HVDC)用途のための絶縁体または電界グレーディングアセンブリの製造のための先の実施形態のいずれかによる硬化性シリコーン組成物の使用。
34.先の実施形態のいずれかによる硬化性シリコーン組成物を硬化することによって得られる高電圧直流用途のための絶縁体または電界グレーディングアセンブリ。
35.先の実施形態による絶縁体または電界グレーディングアセンブリを含む、高電圧直流用途のためのケーブル付属品。
36.それぞれ高電圧直流用途のための、ケーブルジョイント、ケーブル終端部、およびケーブル・コネクタからなる群より選択される、先の実施形態によるケーブル付属品。
37.ケーブルジョイントは熱可塑性ポリオレフィンまたはゴムのケーブル絶縁体を有するケーブルの端部をシールする、実施形態36によるケーブルジョイント。
38.先の実施形態22による硬化性シリコーン組成物であって:
a)100重量部の、1つまたはより多くの不飽和基、好ましくは1つまたはより多くのアルケニル基を有する1つまたはより多くのポリオルガノシロキサンa2)、
b)0~100重量部の、1つまたはより多くのポリオルガノハイドロジェンシロキサンを含む架橋剤成分、
c)0~100重量部の、1つまたはより多くの補強性シリカまたは樹脂を含む1つまたはより多くのフィラー成分、
d)2重量部を超え、好ましくは4重量部~12重量部の1つまたはより多くのカーボンブラック、
e)ヒドロシリル化を可能にする化合物および有機過酸化物からなる群より選択される硬化触媒、および
f)0~50重量部の1つまたはより多くの補助的添加剤を含む組成物。
a)100重量部の、1つまたはより多くの不飽和基、好ましくは1つまたはより多くのアルケニル基を有する1つまたはより多くのポリオルガノシロキサンa2)、
b)0~100重量部の、1つまたはより多くのポリオルガノハイドロジェンシロキサンを含む架橋剤成分、
c)0~100重量部の、1つまたはより多くの補強性シリカまたは樹脂を含む1つまたはより多くのフィラー成分、
d)2重量部を超え、好ましくは4重量部~12重量部の1つまたはより多くのカーボンブラック、
e)ヒドロシリル化を可能にする化合物および有機過酸化物からなる群より選択される硬化触媒、および
f)0~50重量部の1つまたはより多くの補助的添加剤を含む組成物。
39.全シリコーン組成物の合計重量に基づいて1つまたはより多くのカーボンブラックd)を2.4重量%超、好ましくは3重量%から10重量%含む、先の実施形態22または28による硬化性シリコーン組成物。
40.先の実施形態38および39のいずれかによる硬化性シリコーン組成物を硬化することによって得られる硬化シリコーン組成物。
41.コネクタ、電気導電性フィルム、電極材料、放熱材料、および電気活性エラストマーの製造のための実施形態40による硬化シリコーン組成物の使用。
実施例
特段の記載がない限り、すべての部は重量部である。特段の記載がない限り、すべてのパーセントは重量パーセントである。
特段の記載がない限り、すべての部は重量部である。特段の記載がない限り、すべてのパーセントは重量パーセントである。
マスターバッチ実施例
マスターバッチ実施例1:カーボンブラックを含む本発明による非硬化性マスターバッチの調製
20℃および剪断速度D=10s-1において10Pa・sの粘度を有するビニル末端線状ポリジメチルシロキサン(成分a1)およびカーボンブラック(成分d)として一次粒子径が40nm(DBP細孔容積350ml/100g)でBET比表面積800m2/gを有するケッチェンブラックEC300J(アクゾ社)を25℃において、L/D比が52(Lは押出機の長さでDはその直径である)でスクリュー径が41.4mmのライストリッツ社のZSE40MAXXサイズの同時回転2軸スクリュー押出機で押し出した。処理速度は100から175kg/hにわたって変動した。押し出し塊の温度はカーボンブラック含有量の増加と共に上昇し、非常に高いカーボンブラック含有量においては、シリンダーを冷却しても230℃超に到達した。
マスターバッチ実施例1:カーボンブラックを含む本発明による非硬化性マスターバッチの調製
20℃および剪断速度D=10s-1において10Pa・sの粘度を有するビニル末端線状ポリジメチルシロキサン(成分a1)およびカーボンブラック(成分d)として一次粒子径が40nm(DBP細孔容積350ml/100g)でBET比表面積800m2/gを有するケッチェンブラックEC300J(アクゾ社)を25℃において、L/D比が52(Lは押出機の長さでDはその直径である)でスクリュー径が41.4mmのライストリッツ社のZSE40MAXXサイズの同時回転2軸スクリュー押出機で押し出した。処理速度は100から175kg/hにわたって変動した。押し出し塊の温度はカーボンブラック含有量の増加と共に上昇し、非常に高いカーボンブラック含有量においては、シリンダーを冷却しても230℃超に到達した。
カーボンブラック含有量は10重量%から23重量%まで変化させた。
マスターバッチ比較例1:WO2016/110570A1の実施例1によるカーボンブラックを含む非硬化性マスターバッチの調製
20℃および剪断速度D=10s-1において10Pa・sの粘度を有する100kgのビニル末端線状ポリジメチルシロキサンをプラネタリミキサーに入れ、一次粒子径が40nm(DBP細孔容積350ml/100g)でBET比表面積800m2/gを有するカーボンブラックである12.7kgのケッチェンブラックEC300J(アクゾ社)と混合した。この混合物は2軸ブレードの混練機において撹拌し、45分後に均一な混合物が得られた。
20℃および剪断速度D=10s-1において10Pa・sの粘度を有する100kgのビニル末端線状ポリジメチルシロキサンをプラネタリミキサーに入れ、一次粒子径が40nm(DBP細孔容積350ml/100g)でBET比表面積800m2/gを有するカーボンブラックである12.7kgのケッチェンブラックEC300J(アクゾ社)と混合した。この混合物は2軸ブレードの混練機において撹拌し、45分後に均一な混合物が得られた。
次いでこの均一混合物はさらに3本ロールミルで30分間にわたり分散して、カーボンブラックの分散物が得られた。
マスターバッチの粒子径分布の測定
マスターバッチ実施例1およびマスターバッチ比較例1の非硬化性シリコーン組成物中におけるカーボンブラックの粒子径分布をマルバーン・パナリティカル社のゼータサイザー装置を使用して、最低限の剪断力に対応する分散ユニットの最も低い回転速度において測定されたミー理論に従う散乱モデルを使用し、トルエン溶液中においてDIN EN ISO/IEC 17025による光散乱法によって測定した。図14はマスターバッチ比較例1の粒子径分布(個数割合)を示しており、そして図15はマスターバッチ実施例1の粒子径分布(個数割合)を示している。これら2つの図14と図15の比較から看取されるように、本発明のマスターバッチ実施例1はマスターバッチ比較例1よりも、カーボンブラック凝集粒子の粒子径が著しく小さい。本発明のマスターバッチ実施例1では約10μmを超える粒子は殆どなく、粒子は小さい側で約1μmであるのに対し、マスターバッチ比較例1のかなりの部分は10μmよりも大きく約100μmまであり、また約3μm未満の粒子は殆どない。本発明のマスターバッチ(非硬化性シリコーン組成物)のこの異なった粒子径分布は驚くべきことに、以下で述べるように特に高電圧直流の用途において、本発明の硬化シリコーン組成物の電気的特性を改善するのに有効であると考えられる。
マスターバッチ実施例1およびマスターバッチ比較例1の非硬化性シリコーン組成物中におけるカーボンブラックの粒子径分布をマルバーン・パナリティカル社のゼータサイザー装置を使用して、最低限の剪断力に対応する分散ユニットの最も低い回転速度において測定されたミー理論に従う散乱モデルを使用し、トルエン溶液中においてDIN EN ISO/IEC 17025による光散乱法によって測定した。図14はマスターバッチ比較例1の粒子径分布(個数割合)を示しており、そして図15はマスターバッチ実施例1の粒子径分布(個数割合)を示している。これら2つの図14と図15の比較から看取されるように、本発明のマスターバッチ実施例1はマスターバッチ比較例1よりも、カーボンブラック凝集粒子の粒子径が著しく小さい。本発明のマスターバッチ実施例1では約10μmを超える粒子は殆どなく、粒子は小さい側で約1μmであるのに対し、マスターバッチ比較例1のかなりの部分は10μmよりも大きく約100μmまであり、また約3μm未満の粒子は殆どない。本発明のマスターバッチ(非硬化性シリコーン組成物)のこの異なった粒子径分布は驚くべきことに、以下で述べるように特に高電圧直流の用途において、本発明の硬化シリコーン組成物の電気的特性を改善するのに有効であると考えられる。
硬化性組成物の例
実施例SR1および比較例SR1
実施例SR1および比較例SR1
実施例SR1(硬化性シリコーン組成物)
本発明による硬化性シリコーンゴム組成物SR1を以下のプロセスにしたがって調製した:
本発明による硬化性シリコーンゴム組成物SR1を以下のプロセスにしたがって調製した:
部分A
ディソルバーミキサー中において、マスターバッチ実施例1によるカーボンブラックペースト9.47部と、20℃において剪断速度10s-1で10Pa・sの粘度を有するジメチルビニルシロキシ末端ポリジメチルシロキサン11.12部と、そして65Pa・sの粘度を有するジメチルビニルシロキシ末端ポリジメチルシロキサン(成分a2)20.14部のそれぞれを、ヘキサメチルジシラザン(表面処理剤-成分c)の一部)3.08部、ジビニルテトラメチルジシラザン(表面処理剤-成分c)の一部)0.026部および水(添加剤-成分f))1.29部と混合した。この混合物は次いでブルナウアー-エメット-テラー(BET)比表面積が300m2/gのヒュームドシリカ(エボニック社のAerosil300)(成分c))14.25部と混合し、100℃に1時間加熱して、表面にトリメチルシリル基およびビニルジメチルシリル基の混合物を備えたシリカフィラーを形成した。水および表面処理反応によって得られた揮発性化合物を次いでシリコーン混合物から約150℃において真空下(<80mbar)で1時間かけて除去した。得られた揮発性成分はシリコーン混合物から約150℃において真空下(<80mbar)で1時間かけて除去した。この混合物は後に冷却し、そして10Pa・sの粘度を有するジメチルビニルシロキシ末端ポリジメチルシロキサン39.13部で希釈した。続いてビニル含量が2.08mmol/gで粘度が0.2Pa・sのジメチルビニルシロキシ末端ポリ(ジメチルシロキサン-コ-メチルビニルシロキサン)(成分a))3.97部を添加した。最後に、1.5wt%のPtを含有しているテトラメチルテトラビニルシクロテトラシロキサンのPt(0)錯体溶液(アシュビー触媒)(成分e))0.2部を添加した。
ディソルバーミキサー中において、マスターバッチ実施例1によるカーボンブラックペースト9.47部と、20℃において剪断速度10s-1で10Pa・sの粘度を有するジメチルビニルシロキシ末端ポリジメチルシロキサン11.12部と、そして65Pa・sの粘度を有するジメチルビニルシロキシ末端ポリジメチルシロキサン(成分a2)20.14部のそれぞれを、ヘキサメチルジシラザン(表面処理剤-成分c)の一部)3.08部、ジビニルテトラメチルジシラザン(表面処理剤-成分c)の一部)0.026部および水(添加剤-成分f))1.29部と混合した。この混合物は次いでブルナウアー-エメット-テラー(BET)比表面積が300m2/gのヒュームドシリカ(エボニック社のAerosil300)(成分c))14.25部と混合し、100℃に1時間加熱して、表面にトリメチルシリル基およびビニルジメチルシリル基の混合物を備えたシリカフィラーを形成した。水および表面処理反応によって得られた揮発性化合物を次いでシリコーン混合物から約150℃において真空下(<80mbar)で1時間かけて除去した。得られた揮発性成分はシリコーン混合物から約150℃において真空下(<80mbar)で1時間かけて除去した。この混合物は後に冷却し、そして10Pa・sの粘度を有するジメチルビニルシロキシ末端ポリジメチルシロキサン39.13部で希釈した。続いてビニル含量が2.08mmol/gで粘度が0.2Pa・sのジメチルビニルシロキシ末端ポリ(ジメチルシロキサン-コ-メチルビニルシロキサン)(成分a))3.97部を添加した。最後に、1.5wt%のPtを含有しているテトラメチルテトラビニルシクロテトラシロキサンのPt(0)錯体溶液(アシュビー触媒)(成分e))0.2部を添加した。
部分B
ディソルバーミキサー中において、マスターバッチ実施例1によるカーボンブラックペースト9.47部と、10Pa・sの粘度を有するジメチルビニルシロキシ末端ポリジメチルシロキサン(成分a2)11.23部と、そして65Pa・sの粘度を有するジメチルビニルシロキシ末端ポリジメチルシロキサン(成分a2)20.33部を、ヘキサメチルジシラザン(表面処理剤-成分c)の一部)3.06部、ジビニルテトラメチルジシラザン(表面処理剤-成分c)の一部)0.025部および水(添加剤-成分f))1.27部と混合した。この混合物は次いでブルナウアー-エメット-テラー(BET)比表面積が300m2/gのヒュームドシリカ(エボニック社のAerosil300)(成分c))14.15部と混合し、100℃に1時間加熱して、表面にトリメチルシリル基およびビニルジメチルシリル基の混合物を備えたシリカフィラーを形成した。水および表面処理反応によって得られた揮発性化合物を次いでシリコーン混合物から約150℃において真空下(<80mbar)で1時間かけて除去した。得られた揮発性成分はシリコーン混合物から約150℃において真空下(<80mbar)で1時間かけて除去した。この混合物は後に冷却し、そして10Pa・sの粘度を有するジメチルビニルシロキシ末端ポリジメチルシロキサン28.51部で希釈した。続いて、SiH含量が4.15mmol/gで粘度が0.035Pa・sである第1の架橋剤(線状ポリ(ジメチル)コ(メチルハイドロジェン)シロキサン(成分b))8.94部、SiH含量が2.30mmol/gで粘度が0.21Pa・sである第2の架橋剤(線状ポリ(ジメチル)コ(メチルハイドロジェン)シロキサン(成分b))5.54部、および1-エチニル-1-シクロヘキサノール(ECH)(成分f))0.12部を添加した。
ディソルバーミキサー中において、マスターバッチ実施例1によるカーボンブラックペースト9.47部と、10Pa・sの粘度を有するジメチルビニルシロキシ末端ポリジメチルシロキサン(成分a2)11.23部と、そして65Pa・sの粘度を有するジメチルビニルシロキシ末端ポリジメチルシロキサン(成分a2)20.33部を、ヘキサメチルジシラザン(表面処理剤-成分c)の一部)3.06部、ジビニルテトラメチルジシラザン(表面処理剤-成分c)の一部)0.025部および水(添加剤-成分f))1.27部と混合した。この混合物は次いでブルナウアー-エメット-テラー(BET)比表面積が300m2/gのヒュームドシリカ(エボニック社のAerosil300)(成分c))14.15部と混合し、100℃に1時間加熱して、表面にトリメチルシリル基およびビニルジメチルシリル基の混合物を備えたシリカフィラーを形成した。水および表面処理反応によって得られた揮発性化合物を次いでシリコーン混合物から約150℃において真空下(<80mbar)で1時間かけて除去した。得られた揮発性成分はシリコーン混合物から約150℃において真空下(<80mbar)で1時間かけて除去した。この混合物は後に冷却し、そして10Pa・sの粘度を有するジメチルビニルシロキシ末端ポリジメチルシロキサン28.51部で希釈した。続いて、SiH含量が4.15mmol/gで粘度が0.035Pa・sである第1の架橋剤(線状ポリ(ジメチル)コ(メチルハイドロジェン)シロキサン(成分b))8.94部、SiH含量が2.30mmol/gで粘度が0.21Pa・sである第2の架橋剤(線状ポリ(ジメチル)コ(メチルハイドロジェン)シロキサン(成分b))5.54部、および1-エチニル-1-シクロヘキサノール(ECH)(成分f))0.12部を添加した。
本発明による硬化したシリコーンゴム組成物は以下のように調製した:
部分Aおよび部分Bを1:1の重量比で混合し、175℃で10分間加熱することによって硬化した。
部分Aおよび部分Bを1:1の重量比で混合し、175℃で10分間加熱することによって硬化した。
比較例1(硬化性シリコーン組成物)
比較例1によるマスターバッチを表3に記載の量で使用した点を除いて、実施例SR1(硬化性シリコーン組成物)を繰り返した。
比較例1によるマスターバッチを表3に記載の量で使用した点を除いて、実施例SR1(硬化性シリコーン組成物)を繰り返した。
付加的な硬化組成物
例えば上記の実施例SR1および比較例SR1について記載したようにして、異なる量のカーボンブラックと共に本発明の非硬化性マスターバッチカーボンブラックペーストおよび本発明でない非硬化性マスターバッチを用いて付加的な硬化組成物を調製し、以下に述べるように種々の電気的特性の測定を行った。
例えば上記の実施例SR1および比較例SR1について記載したようにして、異なる量のカーボンブラックと共に本発明の非硬化性マスターバッチカーボンブラックペーストおよび本発明でない非硬化性マスターバッチを用いて付加的な硬化組成物を調製し、以下に述べるように種々の電気的特性の測定を行った。
体積抵抗率
硬化組成物の体積抵抗率はDIN EN 62631-3-1にしたがって測定し、試験シートは有効直径31mm、厚さ1mmの高体積抵抗率用であった(約1014Wcmよりも高い)。より低い体積抵抗率(約1014Wcmよりも低い)については、体積抵抗率はISO1853にしたがって決定した。
硬化組成物の体積抵抗率はDIN EN 62631-3-1にしたがって測定し、試験シートは有効直径31mm、厚さ1mmの高体積抵抗率用であった(約1014Wcmよりも高い)。より低い体積抵抗率(約1014Wcmよりも低い)については、体積抵抗率はISO1853にしたがって決定した。
導電方法:DIN EN 62631-3-1による方法、IEC60093(高体積抵抗率)による試験設定
高度に絶縁性の材料については、硬化組成物試料の電気導電性または体積抵抗率について用いる測定装置は図3に原理的な構造を示しており、3本の電極配置と保護リングを用いている。この構成の寸法は以下の表に示されており、それによれば各々の測定について試料厚さd=1mmが用いられた。
高度に絶縁性の材料については、硬化組成物試料の電気導電性または体積抵抗率について用いる測定装置は図3に原理的な構造を示しており、3本の電極配置と保護リングを用いている。この構成の寸法は以下の表に示されており、それによれば各々の測定について試料厚さd=1mmが用いられた。
測定についてのさらなるパラメータは:
・電極材料:真鍮
・接触支持体として銀ペーストを使用しない
・グラフにより異なる電圧において測定
・体積抵抗率の計算式:
・電極材料:真鍮
・接触支持体として銀ペーストを使用しない
・グラフにより異なる電圧において測定
・体積抵抗率の計算式:
ρDC=固有体積抵抗率
UDC=DC電圧
Aeff=保護リング電極の距離を考慮に入れた電極の有効表面積
d=図3参照
d1=図3参照
g=図3参照
Istat=定常状態での電流の流れ
測定期間の決定は、図4に原理的に示した時間に対する電流の両対数プロットを用いて行われる。定常状態は10時間後に達成され、かくして測定時間は通例20時間に設定された。
測定は、他の温度について特記しない限り、室温において行われた。電極は真鍮で作成され、使用前に研磨された。導電性コーティング(例えば銀インク)は使用されなかったが、これはシリコーンが電極に対して良好に接触したためである。分極のためにはハインジンガー社のPNChp-30000-2タイプの直流源を30kV/mmの最大電圧および2mAの最大電流で使用した。最小検出可能電流は1fA(フェムトアンペア)である。この試験の設定において最高解像度は10fAにおけるものであった。
導電方法:ISO1853(低体積抵抗率)
図5は、弱導電性のエラストマーの体積抵抗率をISO 1853による対応した寸法で決定するための原理的な設定を示している。
さらなるパラメータは:
・電極材料:真鍮
・接触支持体として銀ペーストを使用しない
・UDC=60V
図5は、弱導電性のエラストマーの体積抵抗率をISO 1853による対応した寸法で決定するための原理的な設定を示している。
さらなるパラメータは:
・電極材料:真鍮
・接触支持体として銀ペーストを使用しない
・UDC=60V
試験試料は幅が2cmで厚さが2mmのストリップであり、電極間の間隔は上記のISO規格によれば2cmである。測定は室温において行われた。図1はカーボンブラック含有量に基づく硬化組成物の体積抵抗率を示している。
図1に示されているように、本発明のカーボンブラックマスターバッチを用いて調製された本発明の硬化組成物は驚くべきことに、パーコレーション点に到達する迄により多くの添加量となり、従来のカーボンブラックマスターバッチ(比較例)よりも導電性となる可能性を示している。このことは、電気的強度および絶縁特性を維持しながらより多量のカーボンブラックを添加することを可能にする。
絶縁破壊電圧
カーボンブラックの量が異なる本発明の組成物および比較例の組成物の絶縁破壊電圧をIEC60243-2にしたがって測定した。図6はIEC60243-2による測定構成を示している。
カーボンブラックの量が異なる本発明の組成物および比較例の組成物の絶縁破壊電圧をIEC60243-2にしたがって測定した。図6はIEC60243-2による測定構成を示している。
具体的なパラメータは次の通りであった:
・最大電圧は100kVDC
・試料の厚さは1mm、直径は45mm
・非対称なボール状プレート電極の構成
・室温
・IEC60243-2により乾燥させた絶縁油Shell Diala S3ZX-I中での測定
・電圧上昇:4kV/s
・最大電圧は100kVDC
・試料の厚さは1mm、直径は45mm
・非対称なボール状プレート電極の構成
・室温
・IEC60243-2により乾燥させた絶縁油Shell Diala S3ZX-I中での測定
・電圧上昇:4kV/s
油の取り込みを避けるためにIEC60243-2によるいわゆる短時間(急速昇圧)試験を適用した。
電源は100kVの最大出力電圧が可能であり、Cg=10nFの平滑化コンデンサと組み合わせて140kVの最大出力を達成可能であった。直流におけるいわゆるリプル成分は1%未満にとどまった。試験電圧は抵抗コンデンサ式の分圧器である標準分圧比10000:1(DC誤差<0.1%)のノーススター社製VD150を用いて印加した。
結果を図2に示す。図2に示されているように、本発明の硬化シリコーン組成物における絶縁破壊電圧は、カーボンブラック添加量2重量%に到るまで50kV/mmを十分に超える値に維持することができる。これは標準的な状況の下での電気的なストレス耐性を決定する。このパラメータは、ケーブルジョイント絶縁材料の機能性にとって鍵となる要因である。絶縁破壊のパーコレーションは体積抵抗率のパーコレーションよりも早期に生ずるから、これは材料の微調整にとってより決定的に重要である。材料の電気的な絶縁破壊はケーブルジョイント全体の破損を生じさせ、その材料を不適切なものとする。1mmの試験片の測定においては、最低でも40~50kV/mmに到達する必要がある。
PEA測定
PEA(パルス静電応力)測定は、材料、例えばシリコーンシート内部の電荷を定位するために使用されている。これは、所定の温度において分極電流によって引き起こされた材料内部での時間に対する電荷移動を測定することを可能にする。この方法は、HVDC用途についての絶縁材料(ケーブル付属品)の開発および正当化のために非常に重要である。すべての試料は1mmの厚さを有し、またシリコーンオイル/グリースはLSR内へと移行することが観察されたことから、試料の界面においてはシリコーンオイルまたはグリースは使用されなかったことに留意すべきである。パラメータの組み合わせのそれぞれについて、新たな脱分極したLSR試料を用いた。PEAの場合には、弾性波のインパルスが空間電荷の場において直接発生され、弾性波の速度を介して電荷の位置を決定することが可能になる。この電気的インパルスは電圧のインパルスであり、試料内部に短時間の電場Epを生成する。それは非常に短時間であることからさらなる分極を生じさせることはないが、空間電荷に対してクーロン力、次いで圧力インパルスを作用させる。このインパルスは弾性波として試料を通過して圧電膜に到達するまで広がり、圧電膜は弾性波を電気信号に変換する。
PEA(パルス静電応力)測定は、材料、例えばシリコーンシート内部の電荷を定位するために使用されている。これは、所定の温度において分極電流によって引き起こされた材料内部での時間に対する電荷移動を測定することを可能にする。この方法は、HVDC用途についての絶縁材料(ケーブル付属品)の開発および正当化のために非常に重要である。すべての試料は1mmの厚さを有し、またシリコーンオイル/グリースはLSR内へと移行することが観察されたことから、試料の界面においてはシリコーンオイルまたはグリースは使用されなかったことに留意すべきである。パラメータの組み合わせのそれぞれについて、新たな脱分極したLSR試料を用いた。PEAの場合には、弾性波のインパルスが空間電荷の場において直接発生され、弾性波の速度を介して電荷の位置を決定することが可能になる。この電気的インパルスは電圧のインパルスであり、試料内部に短時間の電場Epを生成する。それは非常に短時間であることからさらなる分極を生じさせることはないが、空間電荷に対してクーロン力、次いで圧力インパルスを作用させる。このインパルスは弾性波として試料を通過して圧電膜に到達するまで広がり、圧電膜は弾性波を電気信号に変換する。
図7は概略的なPEAの試験構成を示している。そこにおいてe(t)は、試料内部に時間の関数としての弾性波を生じさせる電気的インパルスを示している。ピエゾ素子はこのシステムにおける検出器であって背面には吸収材が充填されていて、生じうる反射を遅延させて最初の圧力波信号と干渉しないようにする。最初の圧力波はt0において生成され(図8参照)、次いで試料を通って厚さおよびインピーダンスが既知のAl電極まで移動する。試料の前端信号はt1において圧電箔に到達し、これに対して後端信号はt2において到達する。その後の信号は測定装置内部からの意図的に遅延された反射信号である(t3、t4)。
システム応答および較正を含む他の要素を補正した後に、空間座標(1D)への変換によって基本的には電荷密度について位置(x)の関数として以下のパターンが与えられる。合計の電荷密度(Q)は以下によって計算することができる。
d=試料の厚さ
ρ=電荷密度
d=試料の厚さ
ρ=電荷密度
図9は、電圧のオシログラムから電荷密度のダイヤグラムへの変換を示しており(試料の厚さ:1mm);
温度は個別に規定した通りであり、分極電流は個別に規定した通りである。
温度は個別に規定した通りであり、分極電流は個別に規定した通りである。
PEA(パルス静電応力)測定の全体的な設定および信号処理の詳細な説明は、以下に記載されている:
1)R. Hussain、J. MoxterおよびV. Hinrichsen、「カーボンブラックナノフィラーを有するシリコーンゴムに適したパルス静電応力システムの開発および最適化」、第10回絶縁電力ケーブル国際会議、セッションC4-1、パリ、2019年;
2)R. HussainおよびV. Hinrichsen、「温度制御電極を備えたパルス静電応力システムの開発および最適化」、第26回北欧材料絶縁シンポジウム、部品および分析、フィンランド国タンペレ、2019年;
3)G.C. MontanariおよびD. Fabiani、「空間電荷測定および加速寿命試験に基づく直流絶縁性能の評価」、誘電体および電気絶縁に関するIEEEトランザクション、7巻3号、2000年6月、322-328頁;
4)Antti Penttinen「空間電荷特性評価のためのパルス静電応力測定システムの設計」、ラッペーンランタ大学修士論文2012年、さらに
5)R. Hussain、「HVDCケーブル付属品のためのカーボンブラックナノフィラーを備えた液状シリコーンゴムの電気的特性」、ダルムシュタット工科大学博士論文(2020年発行予定)。
1)R. Hussain、J. MoxterおよびV. Hinrichsen、「カーボンブラックナノフィラーを有するシリコーンゴムに適したパルス静電応力システムの開発および最適化」、第10回絶縁電力ケーブル国際会議、セッションC4-1、パリ、2019年;
2)R. HussainおよびV. Hinrichsen、「温度制御電極を備えたパルス静電応力システムの開発および最適化」、第26回北欧材料絶縁シンポジウム、部品および分析、フィンランド国タンペレ、2019年;
3)G.C. MontanariおよびD. Fabiani、「空間電荷測定および加速寿命試験に基づく直流絶縁性能の評価」、誘電体および電気絶縁に関するIEEEトランザクション、7巻3号、2000年6月、322-328頁;
4)Antti Penttinen「空間電荷特性評価のためのパルス静電応力測定システムの設計」、ラッペーンランタ大学修士論文2012年、さらに
5)R. Hussain、「HVDCケーブル付属品のためのカーボンブラックナノフィラーを備えた液状シリコーンゴムの電気的特性」、ダルムシュタット工科大学博士論文(2020年発行予定)。
PEA測定は、材料内部への電荷の注入を防止し、かくしてケーブルジョイントを絶縁破壊から保護する、ある種の電荷バリアを生じさせる電荷トラップの概念を証明するための方法である。電荷トラップの量が大きいほど、この電荷バリアの構築は強くなる(いわゆるホモ電荷)。本発明によれば、カーボンブラック(CB)は特に電荷トラップ材料として使用されるが、これは電荷のためのポテンシャル井戸が比較的深く、ポテンシャル井戸から電荷を取り出すためには高エネルギーを必要とするからである。このことはまた、電荷を注入位置に保持することを可能にし、保持された電荷はまたそれ自体が材料内へとさらに移動することが妨げられ、上記の電荷バリアを構築する。
図10は、60℃および分極時間t=10sおよびt=20hにおける硬化比較例SR1(0.47%CB)のPEAの電荷移動ダイヤグラムを示している。
図11は、20℃および分極時間t=10sおよびt=20hにおける硬化比較例SR1(0.47%CB)のPEAの電荷移動ダイヤグラムを示している。
図10および図11は、添加量として約0.5重量%のカーボンブラックしか許容しない比較例SR1の許容可能な絶縁破壊電圧および体積抵抗率について検討すると、この量において既に、CB非充填のLSRの場合と比較して(図12参照)、材料のバルク内への電荷移動の減少がもたらされることを示している。しかしながら、こうした充填量グレードの電荷バリア特性は、直流用途のための525kVのケーブルジョイントには不十分である。
図12は、本発明の硬化実施例SR1(1.52%CB)、CB含有量0.75重量%の本発明の実施例SRおよびCB非充填の硬化組成物(0重量%CB)の20℃と60℃および分極時間t=20hにおけるPEA電荷移動ダイヤグラムを示している。
図12は、R. Hussainの博士論文(上記参考文献参照)に記載された数学的相関にしたがって導出した。
硬化シリコーン組成物SR1(図12)の本発明の実施例は、硬化比較例SR1(図10および図11)とは大きく異なる挙動を示している。CB非充填のLSRはバルク材料内への最深の移動を可能にし、それが直流条件下では時間と共に絶縁破壊を生ずることになる。本発明の実施例は、高温においてさえも時間と共に殆ど何の移動も示さず、それは直流用途における絶縁材料としての使用を可能にする。
好ましくは本発明による硬化シリコーン組成物SRは、上述した方法にしたがって決定されたPEA電荷移動ダイヤグラムにおいて、任意の電荷について有する移動が1つのまたはそれぞれの電極から<0.2mm、好ましくは<0.3mmである。
好ましくは本発明による硬化シリコーン組成物SRは、上述した方法にしたがって決定されたPEA電荷移動ダイヤグラムにおいて、1つのまたはそれぞれの電極からの最大/最小ピークの移動が<0.05mm、好ましくは<0.1mmである。
合計電荷累積ダイヤグラム:
平均電荷密度は、所定の時点において以下の式にしたがって計算される。
平均電荷密度は、所定の時点において以下の式にしたがって計算される。
得られたダイヤグラムを図13において、本発明の実施例SRおよび種々のCB濃度について示す。より高いCB添加量である実施例は、既に数時間後に定常状態を示し、そこでは電荷のさらなる蓄積および電荷密度の増大は生じない。より低い濃度(また比較例)の場合は著しく高い最終平均電荷密度値を有し、また定常状態に到達するのはずっと後(カーボンブラック0.75%および1.08%)であるか、または20h後でも達しない(カーボンブラック0.5%および0%)。
空間電荷の挙動(移動度および最大平均電荷密度)は最終的には、フィラーの添加量に依存する。しかしながら、本発明のCBマスターバッチ押し出しプロセス(実施例1)は、体積抵抗率および絶縁破壊電圧において、比較例のCBマスターバッチの場合よりも高いCB添加量を可能にする。
安全な作業のためには、できるだけ早く定常状態(電荷密度のさらなる増大がない)に到達すること(図13)が非常に大事である。定常状態は、直流用途を意図しているシリコーンエラストマー内へと、それ以上の電荷移動が生じない状態を示す。加えて、シリコーン材料内への電荷の注入レベルを最低限にするために、最大電荷密度はできるだけ低く維持されねばならない。そうした場合にはホモ電荷バリアが最も効率的な仕方で形成され、絶縁用シリコーンエラストマーに対する損傷が回避される。
本発明による硬化シリコーン組成物は、合計電荷累積ダイヤグラム(図13に例示的に示されている)において、好ましくは5時間後、より好ましくは2.5時間後から、20時間の測定時間に到るまでに平均電荷密度の20%未満、好ましくは10%未満の増加を示すものであり、このことは本発明による硬化シリコーン組成物が好ましくは、合計電荷累積ダイヤグラムにおいて好ましくは5時間後、より好ましくは2.5時間後に定常状態に到達することを意味している。
本発明による硬化シリコーン組成物は好ましくは、合計電荷累積ダイヤグラム(図13に例示的に示されている)において、20時間またはその後に<1.5C/m3、好ましくは<1.25C/m3そして最も好ましくは<1.0C/m3の最大平均電荷密度を有する。
Claims (15)
- カーボンブラックを含む非硬化性シリコーン組成物の製造のためのプロセスであって、1つまたはより多くのポリオルガノシロキサンa1)を1つまたはより多くのカーボンブラックd)と押し出すことを含むプロセス。
- ポリオルガノシロキサンa1)が1つまたはより多くの不飽和基、好ましくは1つまたはより多くのアルケニル基を有するポリオルガノシロキサンから選ばれる、先の請求項によるプロセス。
- 押し出しが多重スクリュー押出機のような押出機、好ましくは2軸スクリュー押出機、より好ましくは同時回転2軸スクリュー押出機で行われる、先の請求項のいずれかによるプロセス。
- 1つまたはより多くのポリオルガノシロキサンa1)の重量と1つまたはより多くのカーボンブラックd)の重量の重量比が90:10から75:25、好ましくは89:11から80:20である、先の請求項のいずれかによるプロセス。
- 先の請求項のいずれかによって規定されたプロセスによって得られる非硬化性シリコーン組成物。
- 全シリコーン組成物の合計重量に基づいて1つまたはより多くのカーボンブラックd)を少なくとも10重量パーセント、好ましくは少なくとも11重量パーセント、さらにより好ましくは少なくとも12重量パーセント含み、および/または全シリコーン組成物の合計重量に基づいて1つまたはより多くのカーボンブラックd)を10から25重量パーセント、好ましくは11から24重量パーセント、さらにより好ましくは12から23重量パーセント含む、先の請求項のいずれかによる非硬化性シリコーン組成物。
- 動的光散乱により決定されるところにより、10μm未満の粒子の個数の割合が70%を超え、好ましくは80%を超え、さらにより好ましくは90%を超え、および/または10μmを超える粒子の個数の割合が30%未満、好ましくは20%未満、さらにより好ましくは10%未満、さらにより好ましくは5%未満であり、および/または動的光散乱により決定されるところにより、非硬化性シリコーン組成物の粒子の個数に基づく粒子径分布のDn50が好ましくは7μm未満、より好ましくは5μm未満、そして最も好ましくは3μm未満であり、および/または動的光散乱により決定されるところにより、非硬化性シリコーン組成物の粒子の個数に基づく粒子径分布のDn90が好ましくは15μm未満、より好ましくは10μm未満、より好ましくは8μm未満、そして最も好ましくは5μm未満である、先の請求項のいずれかによる非硬化性シリコーン組成物。
- 硬化性シリコーン組成物の製造のための、好ましくは硬化性シリコーン組成物に取り入れるマスターバッチとしての、好ましくは高電圧直流用途に使用するための、先の請求項のいずれかによる非硬化性シリコーン組成物の使用。
- 先の請求項のいずれかによる非硬化性シリコーン組成物を含み、好ましくは:
a)100重量部の、1つまたはより多くの不飽和基、好ましくは1つまたはより多くのアルケニル基を有する1つまたはより多くのポリオルガノシロキサンa2)、
b)0~100重量部の、1つまたはより多くのポリオルガノハイドロジェンシロキサンを含む架橋剤成分、
c)0~100重量部の、1つまたはより多くの補強性シリカまたは樹脂を含む1つまたはより多くのフィラー成分、
d)0.1重量部~3重量部の1つまたはより多くのカーボンブラック、
e)ヒドロシリル化を可能にする化合物および有機過酸化物からなる群より選択される硬化触媒、および
f)0~50重量部の1つまたはより多くの補助的添加剤を含む、硬化性シリコーン組成物。 - 全シリコーン組成物の合計重量に基づいて1つまたはより多くのカーボンブラックd)を0.1重量%から2.4重量%、好ましくは0.2重量%から2.4重量%、より好ましくは0.5重量%から2.2重量%、さらにより好ましくは1.0重量%から2.0重量%、そしてさらにより好ましくは1.3重量%から1.8重量%含む、請求項9による硬化性シリコーン組成物。
- 先の請求項9から10のいずれかによる硬化性シリコーン組成物を硬化することにより得られた硬化シリコーン組成物。
- 請求項11による硬化シリコーン組成物であって、
・パルス静電応力(PEA)電荷移動ダイヤグラムにおいて1つまたはそれぞれの電極からの任意の電荷の移動が<0.2mm、好ましくは<0.3mmであり、および/または
・PEA電荷移動ダイヤグラムにおいて、1つのまたはそれぞれの電極からの最大/最小ピークの移動が<0.05mm、好ましくは<0.1mmであり、および/または
・合計電荷累積ダイヤグラムにおいて5時間後、好ましくは2.5時間後に、測定時間20時間までの平均電荷密度の増大が20%未満、好ましくは10%未満(定常状態)であり、および/または
・合計電荷累積ダイヤグラム20時間またはその後において最大平均電荷密度が<1.5C/m3、好ましくはof<1.25C/m3、そして最も好ましくは<1.0C/m3であり、
ここでパルス静電応力電荷移動ダイヤグラムは以下の方法によって決定される
・電気的パルスの発生に先立って静電分極段階が行われ;
・電圧パルスである最初の電気的パルスが電気的分極の開始後の時点tnにおいて一定温度および一定電場強度において発生されて、事前の電気的分極によって移動した空間電荷に対してクーロン力および次いで圧力インパルスを作用させ;
・このインパルスは弾性波として試料ならびに厚さおよびインピーダンスが既知のAl電極を通って移動し、圧電膜に到達した弾性波は電気信号に変換され;
・このシステムにおける検出器であるピエゾ素子は背面には吸収材が充填されていて、生じうる反射を遅延させてそれらが最初の圧力波信号と干渉しないようにし;
・試料の前端信号はt1において圧電箔に到達し、後端信号はt2において到達する;
・システム応答および較正を含む他の要素を補正した後に、空間座標(1D)への変換によって電荷密度について位置(x)の関数としてパターンが与えられ、そこにおいて合計の電荷密度(Q)は以下の式によって計算可能であり、
式中d=資料の厚さ、および
ρ=電荷密度であり、
そしてさらに、
・すべての試料は1mmの厚さを有し、
・試料との界面にシリコーンオイルまたはグリースは使用されず、
・パラメータの組み合わせのそれぞれについて新たな脱分極した液状シリコーンゴム試料を用い、
・弾性波のインパルスが空間電荷の場において直接発生され、弾性波の速度を介して電荷の位置を決定することが可能になる。 - 25℃から90℃の範囲において10kV/mmから30kV/mmの電場で好ましくは1×1011Ωcmを超える、より好ましくは1×1013Ωcmを超える、より好ましくは1×1016Ωcmを超える、そしてよりさらに好ましくは1×1017Ωcmを超える、好ましくは1×1018Ωcmまでの体積抵抗率を有し、および/または25℃から90℃の範囲において10kV/mmから30kV/mmの電場で1×1011と1×1019Ωcmの間、好ましくは1×1011と1×1018Ωcmの間、好ましくは1×1013と1×1018Ωcmの間、より好ましくは1×1014と1×1018Ωcmの間、そして最も好ましくは1×1016と1×1018Ωcmの間の体積抵抗率を有する、請求項11から12のいずれかによる硬化シリコーン組成物。
- 先の請求項のいずれかによる硬化性シリコーン組成物を硬化することによって得られる高電圧直流用途のための絶縁体または電界グレーディングアセンブリ。
- 先の請求項のいずれかによる非硬化性シリコーン組成物を含む硬化性組成物であって:
a)100重量部の、1つまたはより多くの不飽和基、好ましくは1つまたはより多くのアルケニル基を有する1つまたはより多くのポリオルガノシロキサンa2)、
b)0~100重量部の、1つまたはより多くのポリオルガノハイドロジェンシロキサンを含む架橋剤成分、
c)0~100重量部の、1つまたはより多くの補強性シリカまたは樹脂を含む1つまたはより多くのフィラー成分、
d)2重量部を超え、好ましくは4重量部~12重量部の1つまたはより多くのカーボンブラック、
e)ヒドロシリル化を可能にする化合物および有機過酸化物からなる群より選択される硬化触媒、および
f)0~50重量部の1つまたはより多くの補助的添加剤を含み、
そしてこの硬化性シリコーン組成物の硬化によって硬化シリコーン組成物が得られる、硬化性組成物。
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