WO2013189947A1 - Hoch mooney ndbr mit mooneysprung - Google Patents

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WO2013189947A1
WO2013189947A1 PCT/EP2013/062656 EP2013062656W WO2013189947A1 WO 2013189947 A1 WO2013189947 A1 WO 2013189947A1 EP 2013062656 W EP2013062656 W EP 2013062656W WO 2013189947 A1 WO2013189947 A1 WO 2013189947A1
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polybutadiene
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neodymium
sulfur
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PCT/EP2013/062656
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Heike Kloppenburg
Thomas Gross
Alex Lucassen
Dave Hardy
Yan Zhang
Alicia Le-Sattler
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Lanxess Deutschland Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a process for the sudden increase in the Mooney viscosity in the production of high molecular weight polybutadiene with a high proportion of cis-l, 4 units of> 95 wt .-% and a low proportion of 1,2-vinyl content of ⁇ 1% by weight.
  • Polybutadienes are used as important ingredients of rubber compounds in the tire industry, with an improvement in end properties, such as a reduction in rolling resistance and abrasion is desired.
  • Another field of application are golf ball cores or shoe soles, with a high resiliency in the foreground.
  • Polybutadienes with a high proportion of cis-l, 4 units have long been produced on a large technical scale and used for the production of tires and other rubber goods as well as for toughening polystyrene.
  • the technically used neodymium catalyst for example, is a Ziegler / Natta system formed from several catalyst components. In the catalyst formation usually different catalyst centers are formed, which can be seen in the polymer based on an at least bimodal molecular weight distribution.
  • the known 3 catalyst components usually consisting of a Neodymario, a chloride source and an organoaluminum compound mixed in various ways under certain temperature conditions, wherein the catalyst system with or without
  • EP 0127236 is known in which the catalyst by the mixing of neodymium oxides, Neodymalkoholaten and carboxylates with a
  • Organometallhalogeniden and an organic compound at a temperature of 20 ° C to 25 ° C is prepared. It is also possible to mix these 4 components at 50 ° C until 80 ° C perform. In this variant, the mixture is cooled to 20 to 25 ° C, then DIBAH is added. An aging is not mentioned.
  • EP 1 176 157 B1 discloses a process for the preparation of polybutadienes with a reduced ratio viscosity viscosity / Mooney viscosity, in which the catalyst preparation is carried out by preforming. First, the neodymium versatate with DIBAH and
  • Isoprene is mixed at 50 ° C, then this mixture is cooled to 5 ° C, then ethylaluminum sesquichloride (EASC) is added. Aging can take from several minutes to several days at a temperature between 10 ° C and -80 ° C.
  • comonomers such as a bis-diene, are added to increase the degree of branching of the polymer and thus also to obtain the very narrow ratio solution viscosity / Mooney viscosity.
  • the branched polymer thus obtained has at least 4 free chain ends per molecule through the coupling via the bisdiene, while linear molecules have only 2 chain ends.
  • the number of chain ends in the polymer is responsible for the energy dissipation.
  • the higher the number of free chain ends the higher the energy dissipation by the polymer.
  • the lower the energy dissipation of the polymer the lower, for example, the rolling resistance and the better the resilience of the polymer. Accordingly, the end properties of a linear polymer having only 2 chain ends per molecule are always better than those of a branched polymer of the same molecular weight. It is known that commercially produced polymers have a statistical molecular weight distribution, wherein the width of the molecular weight distribution is influenced by the catalyst preparation.
  • discontinuous increase in Mooney Viscosity and its modifications, such as “Mooney Jump” or “Mooney Jump”, refer to techniques whereby the Mooney viscosity of the polymers is significantly increased.
  • Increasing the molecular weight of elastomeric unsaturated diene polymers is important for several reasons. This initially allows the production of low molecular weight base polymers, which has the great advantage of bringing lower viscosities in the "cement” (solution of the polymer in the organic solvent medium used in the polymerization) in the commonly used solution polymerization techniques and operation with higher solids contents allowed in the "cement", as a better heat transfer is achieved. Also, the cold flow of such diene polymers can be reduced so that they can be more extensively drawn with oil.
  • low-flow polydienes can be prepared by treating the diene polymers with disulfur dichloride, sulfur dichloride, thionyl chloride, disulfuribromide or thionyl bromide after the polymerization (DE-AS 12 60 794).
  • the object of the present invention is thus to provide a simple, effective and economical process for the sudden increase of the Mooney viscosity, wherein the sudden increase in the Mooney viscosity is at least 50% higher than the Mooney viscosity of the polymer after the polymerization and at the same time has no gelation or no significant gelation.
  • a method of the type mentioned is proposed in which one
  • the gel content of the polybutadiene produced by the process according to the invention is preferably less than 1 wt .-%, preferably less than 0.3 wt .-%, more preferably less than 0.2 wt .-%.
  • the method for determining the gel content is described below.
  • End Mooney Viscosity Mooney viscosity (ML 1 + 4 100 ° C) after the Mooney jump or jump reaction of the polymer (crack polymer), ie after step 3).
  • Cracking polymer High molecular weight polybutadiene after modification, after the Mooney jump or after the jump reaction
  • Ziegler-Natta catalysts based on rare earth metal compounds such as cerium, lanthanum, praseodymium, gadolinium or neodymium compounds, which are soluble in hydrocarbons, are preferably used.
  • the corresponding salts of the rare earth metals are particularly preferably used as Ziegler-Natta catalysts, such as neodymium carboxylates, in particular neodymium neodecanoate, neodymium octanoate, neodymium naphthenate, neodymium-2,2-diethylhexanoate or neodymium-2,2-diethylheptanoate, and the corresponding Salts of lanthanum or praseodymium.
  • the usable Ziegler-Natta catalysts also include catalyst systems based on metallocenes, such as e.g. described in EP-A 1025136 and EP-A 1078939.
  • the process according to the invention is preferably carried out by means of the following process steps: a) Catalyst preparation with or without preformation using catalyst systems based on neodymium consisting of
  • Component A an alkoxide or a carboxylate of neodymium, preferably neodymium versatate,
  • Component B a dialkylaluminum hydride, preferably
  • DIBAH Diisobutylaluminum hydride
  • Component C a diene, preferably butadiene or isoprene and component D: at least one organometallic halides, preferably ethylaluminum sesquichloride (EASC), b) polymerization of the monomers at a temperature between -20 ° C and 150 ° C, c) stopping the polymerization with protic compounds; and d) adding sulfur chlorides, the sulfur chlorides being treated with a carboxylic acid, fatty acid and / or fatty acid ester prior to addition.
  • organometallic halides preferably ethylaluminum sesquichloride (EASC)
  • diene butadiene isoprene, pentadiene and 2,3-dimethyl butadiene can be used, in particular butadiene and isoprene.
  • the dienes mentioned can be used both individually and in a mixture with one another, that either homopolymers or copolymers of said dienes arise.
  • organic solvents These solvents must be inert to the one used Catalyst system be. Suitable examples are aromatic, aliphatic and cycloaliphatic hydrocarbons such as benzene, toluene, pentane, n-hexane, isohexane, heptane, isomeric pentanes and cyclohexane. These solvents may be used singly or in combination. Preferred are cyclohexane and n-hexane. Also possible is the mixture with polar solvents.
  • the inert organic solvents are used in amounts of from 200 to 900 parts by weight, based on 100 parts by weight of monomers. Preference is given to amounts of from 300 to 500 parts by weight.
  • the polymerization can be carried out both continuously and discontinuously.
  • the polymerization is carried out at a temperature between -20 ° C and 150 ° C, preferably between 0 and 130 ° C.
  • the polymerization can be carried out in one or more stages, batchwise or continuously by conventional methods. Preference is given to continuous operation in a reactor cascade consisting of several, preferably at least 2, in particular 2 to 6 reactors.
  • the amount of protic compounds is preferably 0 to 1 phr based on the monomer used.
  • the protic compounds are preferably carboxylic acids and / or fatty acids.
  • Stearic acid or lauric acid are preferably used to deactivate the polymerization.
  • the resulting polymer is treated with sulfur chlorides, wherein the sulfur chlorides are pretreated with carboxylic acid, fatty acid and / or fatty acid esters.
  • the sulfur chlorides are treated with carboxylic acid, fatty acid and / or fatty acid esters.
  • a ratio of sulfur chlorides to carboxylic acid, fatty acid and / or fatty acid esters 1: 0.01 to 1: 10 is used.
  • the carboxylic acid is preferably selected compounds from the group of the carboxylic acids having 8 to 20 carbon atoms, such as versatic acid, octanoic acid or isooctanoic acid.
  • the fatty acid is preferably saturated, mono- or polyunsaturated, vegetable or animal fatty acids, such as lauric acid, myristic acid, palmitic acid or oleic acid.
  • the fatty acid esters are preferably natural or modified, saturated, mono- or polyunsaturated, vegetable or animal fatty acid esters, such as epoxidized soybean oil (ESBO).
  • ESBO epoxidized soybean oil
  • the sulfur chlorides are preferably disulfur dichloride, sulfur dichloride and / or thionyl chloride. Particularly preferably, the modification is carried out with disulfur dichloride.
  • sulfur chlorides preferably disulfur dichloride, per 100 parts by weight of diene rubber are added.
  • the modification is usually carried out at temperatures of 20 ° C to 150 ° C, preferably at 50 to 120 ° C.
  • the sulfur chlorides pretreated with carboxylic acid, fatty acid and / or fatty acid esters are stirred with the polymer for about 5 to 60 minutes.
  • the polymer solution can be added to conventional stabilizers in conventional amounts before working up.
  • stabilizers e.g. hindered phenols, e.g. 2,6-di-tert-butyl-4,5-methylphenol, 4,6-bis (octylthiomethyl) -o-cresol or octadecyl-3- (3,5-di-tert-butyl-4-hydroxyphenyl) propionate or aromatic amines, such as N- (l, 3-dimethylbutyl) -N'-phenyl-para-phenylenediamine or phosphites, such as Tris (nonylphenyl) phosphite.
  • Other commercially available stabilizers can also be used.
  • the isolation of the polymers is carried out by evaporation of the polymer solution, by precipitating with a non-solvent such as methanol, ethanol, acetone or preferably by steam distillation of the solvent. After stripping with steam, the water is removed using suitable sieving or screw aggregates such as expeller or expander screws or fluidized bed dryers.
  • the drying is carried out by the usual methods, e.g. in a drying oven or in a screw dryer.
  • the high molecular weight polybutadiene produced by the process according to the invention has a Mooney viscosity (ML 1 + 4 at 100 ° C) after step 3) at least 50% higher than that
  • the high molecular weight polybutadiene (NdBR) preferably has a starting Mooney viscosity of at least 20 MU (ML 1 + 4 at 100 ° C.), preferably 20-25 (ML 1 + 4 at 100 ° C.) MU, particularly preferably at least 40 MU ( ML 1 + 4 at 100 ° C) on and after addition of sulfur chlorides such as disulfur dichloride, sulfur dichloride and / or thionyl chloride, a final Mooney viscosity of at least 30 MU (ML 1 + 4 at 100 ° C), preferably 40-50 MU (ML 1 + 4 at 100 ° C), more preferably 60-80 MU (ML 1 + 4 at 100 ° C), with no gelation or Significantly reduced gelation is present.
  • the gel content is less than 1% by weight.
  • the starting viscosity refers to the Mooney viscosity of the polybutadiene after polymerization.
  • MSR Mooney Stress Relaxation according to ASTM D 1646-00
  • the MSR values are measured after step 2) and step 3).
  • the quotient of the MSR (2) and MSR (3) gives the modification coefficient.
  • the MSR value is measured at 100 ° C according to the standard method ASTM D 1646-00.
  • the polybutadiene according to the invention preferably has a modification coefficient of from 1.3 to 2.5, preferably from 1.4 to 2.1.
  • Another invention is a high molecular weight neodymium-catalyzed polybutadiene obtainable by the process according to the invention.
  • the high-molecular-weight neodymium-catalyzed polybutadiene according to the invention preferably comprises carboxylic acid, fatty acid and / or fatty acid esters.
  • natural or modified, saturated, mono- or polyunsaturated, vegetable or animal fatty acid esters in particular epoxidized soybean oil, or versatic acid, octanoic acid, iso-octanoic acid, lauric acid, myristic acid, palmitic acid or oleic acid can be detected in the neodymium-catalyzed polybutadiene according to the invention.
  • the person skilled in the usual detection methods for example by thin-layer chromatography, gas chromatography, HPLC or mass spectroscopy known, possibly the carboxylic acid, fatty acid and / or fatty acid esters are previously extracted / isolated.
  • the high molecular weight neodymium-catalyzed polybutadiene according to the invention requires no additives to extender oils, such.
  • Aromatic extender oils to adjust the Mooney viscosity of the rubbers.
  • the polybutadienes according to the invention can be used alone, in a blend with aromatic or aliphatic oils or in a mixture with other rubbers.
  • rubber vulcanizates are suitable as additional rubbers in addition to natural rubber and synthetic rubbers.
  • Preferred synthetic rubbers are described, for example, in W. Hofmann, Kautschuktechnologie, Gentner Verlag, Stuttgart 1980 and I. Franta, Elastomers and Rubber Compounding Materials, Elsevier, Amsterdam 1989. They include, inter alia BR - conventional polybutadiene
  • NBR - butadiene / acrylonitrile copolymers having acrylonitrile contents of 5 to 60, preferably 10 to 40 wt .-%
  • EPDM - ethylene / propylene / diene copolymers and mixtures of these rubbers are produced by the aid of the surface-modified fillers, in particular natural rubber, emulsion SBR and solution SBR rubbers having a glass transition temperature above -50 ° C., which may optionally be modified with silyl ethers or other functional groups, as in EP-A-0 447 066, polybutadiene rubber having a high 1,4-cis content (> 90 wt .-%), which with
  • Catalysts based on Ni, Co, Ti or Nd is prepared, and polybutadiene rubber having a vinyl content of 0 to 75% by weight and mixtures thereof of interest.
  • the rubber blends constitute a further subject of the invention and generally contain from 5 to 300 parts by weight of an active or inactive filler, such as e.g. highly dispersed silicic acids, e.g. by precipitation of solutions of silicates or
  • the silicas may also be used as mixed oxides with other metal oxides, such as Al, Mg , Ca, Ba, Zn, Zr, Ti oxides, synthetic silicates, such as aluminum silicate, alkaline earth silicate, such as magnesium silicate or calcium silicate, with BET surface areas of from 20 to 400 m 2 / g and primary particle diameters of from 10 to 400 nm, natural silicates, such as kaolin and other naturally occurring silicic acid, glass fibers and glass fiber products (mats, Strands) or glass microspheres,
  • Metal oxides such as zinc oxide, calcium oxide, magnesium oxide, aluminum oxide,
  • Metal carbonates such as magnesium carbonate, calcium carbonate, zinc carbonate,
  • Metal hydroxides e.g. Aluminum hydroxide, magnesium hydroxide,
  • Metal salts e.g. Zinc or magnesium salts of [alpha], [beta] -unsaturated fatty acids, e.g. Acrylic or methacrylic acid having 3 to 8 carbon atoms, such as
  • the carbon blacks to be used herein are prepared by the flame black, furnace or gas black method and have BET surface areas of from 20 to 200 m 2 / g such as e.g. SAF, ISAF, HAF, FEF or GPF carbon blacks.
  • BET surface areas of from 20 to 200 m 2 / g such as e.g. SAF, ISAF, HAF, FEF or GPF carbon blacks.
  • Rubber gels in particular those based on polybutadiene, butadiene / styrene copolymers, butadiene / acrylonitrile copolymers and polychloroprene.
  • the fillers mentioned can be used alone or in a mixture.
  • the rubber mixtures contain, as fillers, a mixture of light fillers, such as highly disperse silicas, and carbon blacks, the mixing ratio of light fillers to carbon blacks being from 0.05 to 20, preferably from 0.1 to 10.
  • the fillers are preferably added as solids or as a slurry in water or a solvent to dissolve the polybutadiene (s) of the invention.
  • the rubber solution may be prepared beforehand, but the solution resulting from the polymerization is preferably used directly. Subsequently, the solvent is removed thermally or preferably with the aid of steam. The conditions of this stripping process can be easily determined by preliminary experiments.
  • the fillers are added to the solid polybutadiene according to the invention or a mixture of rubbers and blended in a known manner, for example with a kneader.
  • the rubber mixtures according to the invention furthermore contain crosslinkers.
  • crosslinkers sulfur or peroxides can be used, with sulfur being particularly preferred.
  • the rubber mixtures according to the invention may comprise further rubber auxiliary products, such as reaction accelerators, aging inhibitors, heat stabilizers, light stabilizers, antiozonants, processing aids, plasticizers, tackifiers, blowing agents,
  • Preferred filler activators are sulfur-containing silyl ethers, in particular bis (trialkoxysilylalkyl) polysulfides, as described in DE-A-2 141 159 and DE-A-2 255 577, oligomeric and / or polymeric sulfur-containing silyl ethers of DE-A-4 435 311 and EP-A-0 670 347, mercapto-alkyltrialkoxisilanes, in particular mercaptopropyltriethoxysilane and Thiocyanatoalkylsilylether, such as in DE-A-195 44 469.
  • the rubber auxiliaries are used in customary amounts, which depend inter alia on the intended use. Usual amounts are e.g. Amounts of 0.1 to 50 wt .-%, based on rubber.
  • the compounding and vulcanization is described in more detail, for example, in Encyclopedia of Polymer Science and Engineering, Vol. 4, p. 66 ff (compounding) and Vol. 17, p. 666 ff (vulcanization).
  • the vulcanization of the rubber mixtures according to the invention can be carried out at customary temperatures of 100 to 200 ° C., preferably 130 to 180 ° C. (optionally under pressure 10 to 200 bar).
  • the rubber mixtures according to the invention are outstandingly suitable for the production of moldings of all kinds.
  • Non-heating examples of these moldings are O-rings, profiles, seals, membranes, tires, tire treads, damping elements and hoses.
  • the rubber mixtures according to the invention are suitable for the impact modification of thermoplastics, in particular of polystyrene and styrene / acrylonitrile copolymers.
  • a dry nitrogen inertized 20 L steel autoclave was charged with 8500 g of hexane (dried over molecular sieve), 1300 g of 1,3-butadiene, 21.4 mmol of a 20% solution of diisobutylaluminum hydride in hexane, 1.44 mmol of a 10% solution of ethylaluminum sesquichloride in hexane, and 1.44 mmol of a 40% solution of Neodymversatat in hexane introduced. It was heated with stirring to 73 ° C and polymerized with stirring for 60 min. It was taken sales test. The butadiene conversion was 99.7% after the polymerization.
  • MSR (2) 0.64.
  • Microstructure 97.5% by weight of 1,4-cis; 1.7% by weight 1,4-trans; 0.8% by weight of 1,2-vinyl
  • the high molecular weight neodymium catalyzed polybutadiene does not gel.
  • the modification coefficient (MK) is 1.2. Comparative Example 2: NdBR with high Mooneysprung> 50%, with gelling
  • a dry nitrogen inertized 20 L steel autoclave was charged with 8500 g of hexane (dried over molecular sieve), 1300 g of 1,3-butadiene, 21.3 mmol of a 20% solution of diisobutylaluminum hydride in hexane, 1.44 mmol of a 10% solution
  • Ethylaluminum sesquichloride in hexane and 1.44 mmol of a 40% solution of Neodymversatat in hexane introduced. It was heated with stirring to 73 ° C and polymerized with stirring for 60 min. It was taken sales test. The butadiene conversion was 99.7% after the polymerization. The polymerization was stopped by adding 6.5 g of stearic acid. The solution was held at 65 ° C for an additional 15 minutes.
  • Microstructure 97.6% by weight of 1,4-cis; 1.7% by weight 1,4-trans; 0.7% by weight of 1,2-vinyl
  • the high molecular weight neodymium catalyzed polybutadiene has a gelation of 8.5% by weight.
  • a dry nitrogen inertized 20 L steel autoclave was charged with 8500 g of hexane (dried over molecular sieve), 1300 g of 1,3-butadiene, 29.2 mmol of a 20% solution of diisobutylaluminum hydride in hexane, 1.44 mmol of a 10% solution
  • Ethylaluminum sesquichloride in hexane and 1.44 mmol of a 40% solution of Neodymversatat in hexane introduced. It was heated with stirring to 73 ° C and polymerized with stirring for 60 min. It was taken sales test. The butadiene conversion was 99.5% after the polymerization. The polymerization was stopped by adding 6.5 g of stearic acid (0.5 phr). The solution was held at 65 ° C for an additional 15 minutes.
  • Microstructure 97.4% by weight of 1,4-cis; 1.9% by weight of 1,4-trans; 0.6% by weight of 1,2-vinyl.
  • a dry nitrogen inertized 20 L steel autoclave was charged with 8500 g of hexane (dried over molecular sieve), 1300 g of 1,3-butadiene, 21 mmol of a 20% solution of diisobutylaluminum hydride in hexane, 1.44 mmol of a 10% solution out
  • Ethylaluminum sesquichloride in hexane and 1.44 mmol of a 40% solution of Neodymversatat in hexane introduced. It was heated with stirring to 73 ° C and polymerized with stirring for 60 min. It was taken sales test. The butadiene conversion was 98.7% after the polymerization. The polymerization was stopped by adding 6.5 g of stearic acid (0.5 phr). The solution was held at 65 ° C for an additional 15 minutes
  • Microstructure 97.4% by weight of 1,4-cis; 2.0% by weight 1,4-trans; 0.6% by weight of 1,2-vinyl
  • a dry nitrogen inerted 20 l steel autoclave was charged with 8500 g of hexane (dried over molecular sieve), 1300 g of 1,3-butadiene, 21 mmol of a 20% solution of diisobutylaluminum hydride in hexane, 1.44 mmol of a 10% solution from ethylaluminum sesquichloride in hexane, as well as
  • Microstructure 97.7% by weight of 1,4-cis; 1.7% by weight 1,4-trans; 0.6% by weight of 1,2-vinyl.
  • the modification coefficient is therefore 1.97.
  • All NdBR produced by the process of the invention show a high Mooneysprung on. Endmooney viscosities are greater than 50% over the starting
  • the previously annealed wire mesh consisting of a wire mesh with a mesh size of 0.036 mm, 0 50 mm, is placed in a desiccator in a desiccator for cooling. After cooling, the wire mesh is removed from the dry jar and weighed to the nearest 0,1 mg on the analytical balance. The result is the weight A.
  • Each 100 ml of filtered styrene are provided in three beakers.
  • the wire mesh with a diameter of 50 mm is inserted into the metal filtration system "Gelman" (seal-filter-seal) and the funnel top is screwed on. Now pour the polymer solution through the filter. The first of the three loaded with styrene
  • Beakers are used to rinse the wide-mouth bottle and this solution is also passed through the filter.
  • the filter is rinsed with the other two styrene portions.
  • the filter is now carefully removed with tweezers and placed on a clean pulp. The edge of the filter is gently pressed with the tweezers. With the magnifying glass one observes the vaporizing styrene. The wet, still wetted with styrene wire filter is visibly lighter with decreasing styrene. If all meshes of the filter are styrene-free, it is immediately weighed back on the balance. The result is the weight B.
  • the dry gel content in the drying oven is determined by drying at 100 ° C ( ⁇ 5 ° C) for 15 minutes.
  • the filter is in an open dry glass.
  • the vial and filter are added to the desiccator for about 10 minutes and then weighed again. The result is the weight C.
  • ELA 101 A solution of the polymer in toluene is placed on a KBr window, the solvent is evaporated and the polymer film is measured between 2 KBr windows by FTIR spectroscopy.
  • Irganox 1520 4,6-bis (octylthiomethyl) -o-cresol from BASF
  • Comparative Example 2 is not suitable for a compound test because of the very high gel content.
  • Rubber blends were prepared comprising BUNA TM CB 22 as Nd-catalyzed polybutadiene, without Mooney jump, and the polymer of Comparative Example 1 and the polymer of Example 2 according to the invention.
  • the mixture components are listed in Table 2.
  • the mixtures were first prepared without sulfur and accelerator in a 1.5 L kneader. The mixture components sulfur and accelerator were then mixed on a roll at 40 ° C.
  • the NdBR of Comparative Example 1 has a starting Mooney viscosity of 39 MU;
  • the NdBR according to the invention from Example 2 has a starting Mooney viscosity of 39 MU.
  • RHENOGRAN IS 60-75 as sulfur RheinChemie Rheinau GmbH
  • Blends VI and VI * and E2 and E2 * according to the invention showed smooth rolled skins, while blends V2 and V2 * with the unmodified Buna CB22 showed inhomogeneous rolled skins which bag very heavily and have only insufficient contact with the roll.
  • E ' provides an indication of the grip of the winter tire tread on ice and snow. The lower E ', the better the grip.
  • Tan ⁇ (60 ° C) is a measure of the hysteresis loss when rolling the tire. The lower tan ⁇ (60 ° C), the lower the rolling resistance of the tire.
  • Table 3 shows the vulcanizate properties of the blends.
  • E2 and E2 * of the present invention show significant improvement in low rolling resistance indicators over Comparative Examples VI and VI * such as high rebound resilience at 60 ° C, low tangent delta maximum in the MTS test at 60 ° C and low tangent Delta at 60 ° C in the Eplexortestest, better results in the tensile-elongation test, seen from a higher ratio of S300 / S 10 and very good low values in the abrasion test.
  • Examples E2 and E2 * according to the invention show a significant improvement in processing quality with comparable good compound properties, evident on a clearly smooth and homogeneous rolled sheet and on a perfect Garvey extrudate.
  • VI and E2 give smooth extrudates, while V2 has a strong sawtooth profile. Overall, it can be shown that by the polymers according to the invention with a large

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Abstract

Die Erfindung betrifft Verfahren zur sprungartigen Erhöhung der Mooney-Viskosität bei der Herstellung von hochmolekularem Polybutadien mit einem Anteil an cis-1,4-Einheiten von > 95 Gew.-% und einem Anteil an 1,2-Vinyl-Gehalt von < 1 Gew.- %, dadurch gekennzeichnet, dass man 1) mindestens ein Monomer, ausgewählt aus Butadien und/oder Isopren, in Gegenwart mindestens eines inerten, organischen Lösungsmittels und in Gegenwart von mindestens einem Katalysator auf Basis von Neodymcarboxylat bei Temperaturen von -20°C bis 150°C polymerisiert, 2) anschließend die Polymerisation durch Zugabe von protischen Verbindungen stoppt, und 3) danach zum Polymerisat Schwefelchloride zugibt, wobei die Schwefelchloride vor der Zugabe mit einer Carbonsäure, Fettsäure und/oder Fettsäureester behandelt werden.

Description

Hoch Mooney NdBR mit Moonevsprung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur sprungartigen Erhöhung der Mooney- Viskosität bei der Herstellung von hochmolekularem Polybutadien mit einem hohen Anteil an cis-l,4-Einheiten von > 95 Gew.-% und einem geringen Anteil an 1,2-Vinyl-Gehalt von < 1 Gew.-%. Polybutadiene werden als wichtige Bestandteile von Kautschukmischungen in der Reifenindustrie eingesetzt, wobei eine Verbesserung der Endeigenschaften, wie etwa eine Reduktion des Rollwiderstandes und des Abriebes gewünscht wird. Ein weiteres Anwendungsfeld sind Golfballkerne oder Schuhsohlen, wobei hier eine hohe Rückprallelastizität im Vordergrund steht.
Polybutadiene mit einem hohen Anteil an cis-l,4-Einheiten werden seit längerer Zeit in großem technischen Maßstab produziert und für die Herstellung von Reifen und anderen Gummiwaren sowie zur Schlagzähmodifizierung von Polystyrol eingesetzt.
Zur Erzielung hoher Anteile an cis-l,4-Einheiten werden derzeit fast ausschließlich Katalysatoren auf Basis von Verbindungen der Seltenen Erden eingesetzt, wie beispielsweise in EP-A 1 0 011 184 und EP-B-Al 0 007 027 beschrieben. Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass speziell Neodym-katalysierte Polybutadiene in der Gruppe der hoch-cis-Polybutadiene besonders vorteilhafte Eigenschaften hinsichtlich Rollwiderstand, Abrieb und Rückprallelastizität aufweisen. Bei der Herstellung von Polybutadienen spielen die eingesetzten Katalysatorsysteme eine wichtige Rolle.
Der technisch eingesetzte Neodymkatalysator beispielsweise ist ein Ziegler/Natta-System, das aus mehreren Katalysatorkomponenten gebildet wird. Bei der Katalysatorbildung werden meist unterschiedliche Katalysatorzentren gebildet, die sich im Polymer anhand einer mindestens bimodalen Molmassenverteilung erkennen lassen. Im Ziegler/Natta-Katalysatorsystem werden die bekannten 3 Katalysatorkomponenten, meist bestehend aus einer Neodymquelle, einer Chloridquelle und einer Aluminiumorganischen Verbindung in verschiedenster Art und Weise unter bestimmten Temperaturbedingungen vermischt, wobei das Katalysatorsystem mit oder ohne
Alterung für die Polymerisation vorbereitet wird.
Aus dem Stand der Technik sind mehrere Herstellungsverfahren für Ziegler/Natta- Katalysatorsysteme bekannt, welche zur Herstellung von Polybutadienen eingesetzt werden.
Aus dem Stand der Technik ist ebenfalls die EP 0 127 236 bekannt, in der der Katalysator durch die Vermischung von Neodymoxiden, Neodymalkoholaten und Carboxylaten mit einem
Organometallhalogeniden sowie einer organischen Verbindung bei einer Temperatur von 20°C bis 25°C hergestellt wird. Es ist auch möglich, die Vermischung dieser 4 Komponenten bei 50°C bis 80°C durchzuführen. Bei dieser Variante wird die Mischung auf 20 bis 25°C abgekühlt, sodann wird DIBAH zugefügt. Eine Alterung wird nicht erwähnt.
Aus EP 1 176 157 Bl ist ein Verfahren zur Herstellung von Polybutadienen mit verringertem Verhältnis Lösungsviskosität /Mooney-Viskosität bekannt, in dem die Katalysatorenherstellung mit Präformierung durchgeführt wird. Dabei wird zunächst das Neodymversatat mit DIBAH und
Isopren bei 50°C vermischt, anschließend wird diese Mischung auf 5°C abgekühlt, danach wird Ethylaluminiumsesquichlorid (EASC) zugegeben. Die Alterung kann mehrere Minuten bis mehrere Tage dauern bei einer Temperatur zwischen 10°C und -80°C. Während der Polymerisation werden Comonomeren, wie beispielsweise ein Bisdien, hinzugefügt, um den Verzweigungsgrad des Polymers zu erhöhen und somit auch das sehr enge Verhältnis Lösungsviskosität / Mooney- Viskosität zu erhalten. Das dabei erhaltene verzweigte Polymer hat pro Molekül durch die Kopplung über das Bisdien mindestens 4 freie Kettenenden, während lineare Moleküle nur 2 Kettenenden besitzen.
Die Anzahl der Kettenenden im Polymer ist für die Energiedissipation verantwortlich. Je höher die Anzahl an freien Kettenenden, desto höher ist die Energiedissipation durch das Polymer. Je geringer jedoch die Energiedissipation des Polymers ist, desto geringer ist beispielsweise der Rollwiderstand und desto besser ist die Rückprallelastizität des Polymers. Dementsprechend sind die Endeigenschaften eines linearen Polymers mit nur 2 Kettenenden pro Molekül immer besser als die eines verzweigten Polymers bei gleicher Molmasse. Es ist bekannt, dass kommerziell hergestellte Polymere eine statistische Molmassenverteilung besitzen, wobei die Breite der Molmassenverteilung durch die Katalysatorherstellung beeinflusst wird.
Die Bezeichnung "sprungartige Erhöhung der Mooney-Viskosität" und ihre Abwandlungen, wie etwa „Mooney-Sprung" oder „Mooney-Jump", beziehen sich auf Techniken, nach denen die Mooney-Viskosität der Polymere bedeutend erhöht wird.
Das Molekulargewicht von elastomeren ungesättigten Dienpolymeren anzuheben, ist aus verschiedenen Gründen wichtig. Dies gestattet zunächst die Erzeugung von niedermolekularen Basispolymeren, was den großen Vorteil hat, bei den üblicherweise angewandten Lösungspolymerisationstechniken niedrigere Viskositäten im "cement" (Lösung des Polymeren in dem organischen Lösungsmittelmedium, das bei der Polymerisation verwendet wird) zu bringen und einen Betrieb mit höheren Feststoffgehalten im "cement" erlaubt, da ein besserer Wärmetransport erreicht wird. Auch kann der Coldflow derartiger Dienpolymeren vermindert werden, so dass sie stärker mit Öl verstreckt werden können. Aus dem Stand der Technik ist allgemein bekannt, dass die Erzeugung hochmolekulargewichtiger Polymere, insbesondere hochmolekulares Neodym-katalysiertes Polybutadiens, direkt unter Anwendung von Lösungspolymerisationsverfahren aufgrund der hohen Lösungsviskositäten besonders schwierig und unwirtschaftlich ist. Es bestehen Schwierigkeiten beim Rühren. Zudem kommt es zu einer Heterogenität beim Polymerisationssystem und einer drastische Verminderung im Wärmetransport. Die direkte Polymerisation bis zu hohen Molekulargewichten würde daher eine Polymerproduktion bei geringeren Geschwindigkeiten durch Herabsetzung des Feststoffgehalts im Reaktionsraum notwendig machen. Eine solche Verfahrensweise erhöht die Kosten der Polymerherstellung beträchtlich. Es ist zwar bekannt, dass durch Präformierung von Nd-Katalysatoren die Katalysatorwirkung verändert werden kann. Solche präformierte Nd-Katalysatoren liefern Polymerisate mit relativ niedrigem cold-flow, jedoch sinkt durch das Präformieren meist die Katalysatoraktivität, so dass der Verbrauch an Neodym zum Teil beträchtlich ansteigt.
Es ist weiterhin bekannt, dass man Polydiene mit niedrigem cold-flow herstellen kann, wenn man die Dienpolymere nach der Polymerisation mit Dischwefeldichlorid, Schwefeldichlorid, Thionylchlorid, Dischwefeldibromid oder Thionylbromid behandelt (DE-AS 12 60 794). Nachteilig bei dem in der DE-AS 12 60 794 beschriebenen Verfahren zur Herstellung kautschukelastischer Dienpolymere ist jedoch, dass dieses Verfahren für hochmolekulares Neodym-katalysiertes Polybutadien nicht geeignet ist, wenn der Mooney-Sprung um mindestens 50 % höher als die Mooney- Viskosität des Polymers nach der Polymerisation betragen soll. Denn das „Sprung-Polymer" weist eine Gelbildung auf, was die Reaktorstandzeit aufgrund der Wandablagerung im Reaktor verringert wird. Die Wartung und Reinigung der Reaktoren bedeutet hohe Zeit- und Kostenaufwendung. Weiterhin besteht die Gefahr, dass das Polymer selbst Gelanteile aufweist und somit nicht mehr für Reifenanwendungen eingesetzt werden kann. Die DE 44 36 059 AI beschreibt ebenfalls ein Verfahren zur sprungartigen Erhöhung des
Molekulargewichts von Nd-katalysierten Dienkautschuken, wobei der Eigengeruch des Polymers durch einen Entspannungsschritt nach der Polymerisation durchgeführt wird, um alle niedrigsiedende Bestandteile des Reaktionsgemisches zu entfernen. Der Mooney-Sprung liegt hier bei ca. 27 % höher als die Mooney-Viskosität des Dienkautschuks nach der Polymerisation. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht also darin, ein einfaches, wirksames und wirtschaftliches Verfahren zur sprungartigen Erhöhung der Mooney-Viskosität zur Verfügung zu stellen, wobei die sprungartige Erhöhung der Mooney-Viskosität um mindestens 50% höher ist als die Mooney-Viskosität des Polymers nach der Polymerisation und gleichzeitig keine Gelbildung bzw. keine signifikante Gelbildung aufweist. Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren der eingangs genannten Art vorgeschlagen, bei dem man
1) mindestens ein Monomer, ausgewählt aus Butadien oder Isopren, in Gegenwart mindestens eines inerten, organischen Lösungsmittels und in Gegenwart von mindestens einem Katalysator auf Basis von Neodymcarboxylat bei Temperaturen von -20°C bis 150 °C polymerisiert,
2) anschließend die Polymerisation durch Zugabe von protischen Verbindungen stoppt und
3) danach zum Polymerisat Schwefelchloride zugibt, wobei das Schwefelchlorid vor der Zugabe mit einer Carbonsäure, Fettsäure und/oder Fettsäureester behandelt wird.
Die Zugabe von Schwefelchloriden zum Polymerisat wird auch als„Modifizierung" des Polymers verstanden.
Durch die Behandlung der Schwefelchloride vor der Zugabe mit einer Carbonsäure, Fettsäure und/oder Fettsäureester konnte überraschend festgestellt werden, dass eine größere "Sprung- Reaktion" bzw. Modifizierung erreicht werden kann, ohne dass dabei eine unerwünschte Gelbildung auftritt.
Es wird angenommen - allerdings ohne sich auf irgendeine Theorie festlegen zu wollen - dass durch die Behandlung mit einer Carbonsäure, Fettsäure und/oder Fettsäureester die Löslichkeit des Schwefelchlorids im Polymerisationslösungsmittel, insbesondere Hexan, verbessert und somit eine einheitliche Verteilung des Schwefelchlorids im Polymerisat gewährleistet wird, so dass lokale Vernetzungen vermieden, zumindert reduziert werden kann. Dies bedeutet die Vermeidung bzw. Reduzierung von Gelbildungen. Die Reaktivität des Schwefelchlorids kann somit kontrolliert bzw. gesteuert werden.
Es konnte überraschend festgestellt werden, dass der Gelgehalt des nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Polybutadiens bevorzugt kleiner als 1 Gew.-%, vorzugsweise kleiner als 0,3 Gew.-%, besonders bevorzugt kleiner als 0,2 Gew.-% beträgt. Die Methode zur Bestimmung des Gelgehalts ist unten beschrieben.
Zur Klarstellung der Begrifflichkeiten werden verstanden:
Ausgangsmooney-Viskosität: Mooney-Viskosität (ML 1+4 100°C) nach der Polymerisation des Polymers, d. h. nach Schritt 2).
Endmooney-Viskosität: Mooney-Viskosität (ML 1+4 100°C) nach der Modifizierung bzw. Mooney-Sprung oder Sprung-Reaktion des Polymers (Sprung-Polymer), d. h. nach Schritt 3). Sprung-Polymer: Hochmolekulares Polybutadien nach der Modifizierung, nach dem Mooney- Sprung oder nach der Sprung-Reaktion
Bevorzugt werden Ziegler-Natta-Katalysatoren auf Basis von Verbindungen der Seltenen Erdmetalle eingesetzt, wie Cer-, Lanthan-, Praseodym-, Gadolinium- oder Neodymverbindungen, die in Kohlenwasserstoffen löslich sind. Besonders bevorzugt werden die entsprechenden Salze der Seltenen Erdmetalle als Ziegler-Natta-Katalysatoren eingesetzt, wie Neodymcarboxylate, insbesondere Neodymneodecanoat, Neodymoctanoat, Neodymnaphthenat, Neodym-2,2-diethyl- hexanoat oder Neodym-2,2-diethyl-heptanoat, sowie die entsprechenden Salze des Lanthans oder Praseodyms. Weiterhin umfassen die einsetzbaren Ziegler-Natta-Katalysatoren auch Katalysatorsysteme auf Basis von Metallocenen, wie z.B. beschrieben in EP-A 1025136 und EP-A 1078939.
Bevorzugt wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand folgender Verfahrensschritte durchgeführt: a) Katalysatorenherstellung mit oder ohne Präformierung unter der Verwendung von Katalysatorsystemen basierend auf Neodym bestehend aus
Komponente A: einem Alkoholat oder einem Carboxylat von Neodym, vorzugsweise Neodymversatat,
Komponente B: einem Dialkylaluminiumhydrid, vorzugsweise
Diisobutylaluminiumhydrid (DIBAH),
Komponente C: einem Dien, vorzugsweise Butadien oder Isopren und Komponente D: wenigstens einer Organometallhalogenide, vorzugsweise Ethyl- aluminiumsesquichlorid (EASC), b) Polymerisation der Monomere bei einer Temperatur zwischen -20°C und 150°C, c) Stoppen der Polymerisation mit protischen Verbindungen und d) Zugabe von Schwefelchloriden, wobei die Schwefelchloriden vor der Zugabe mit einer Carbonsäure, Fettsäure und/oder Fettsäureester behandelt werden/wird.
Als Diene können Butadien, Isopren, Pentadien und 2,3-Dimethylbutadien eingesetzt werden, insbesondere Butadien und Isopren. Die genannten Diene können sowohl einzeln als auch im Gemisch untereinander eingesetzt werden, dass entweder Homopolymerisate oder Copolymerisate der genannten Diene entstehen.
Nachdem das Katalysatorsystem erzeugt wurde, wird die Polymerisation in organischen Lösungsmitteln ausgeführt. Diese Lösungsmittel müssen inert gegenüber dem verwendeten Katalysatorsystem sein. Geeignet sind z.B. aromatische, aliphatische und cycloaliphatische Kohlenwasserstoffe wie Benzol, Toluol, Pentan, n-Hexan, iso-Hexan, Heptan, isomere Pentane und Cyclohexan. Diese Lösungsmittel können einzeln oder in Kombination verwendet werden. Bevorzugt sind Cyclohexan und n-Hexan. Ebenfalls möglich ist die Abmischung mit polaren Lösungsmitteln.
Die inerten, organischen Lösungsmittel werden in Mengen von 200 bis 900 Gew.- Teilen, bezogen auf 100 Gew. -Teile Monomere, eingesetzt. Bevorzugt sind Mengen von 300 bis 500 Gew. -Teile.
Die Polymerisation kann sowohl kontinuierlich als auch diskontinuierlich durchgeführt werden.
Die Polymerisation wird bei einer Temperatur zwischen -20°C und 150°C, bevorzugt zwischen 0 und 130°C, durchgeführt.
Die Polymerisation kann nach üblichen Verfahren ein- oder mehrstufig, in diskontinuierlicher oder in kontinuierlicher Fahrweise erfolgen. Bevorzugt ist die kontinuierliche Fahrweise in einer Reaktorkaskade, bestehend aus mehreren, bevorzugt mindestens 2, insbesondere 2 bis 6 Reaktoren.
Nach Erreichen des gewünschten Umsatzes wird der Katalysator üblicher Weise durch Zusatz von protischen Verbindungen deaktiviert, d. h. die Polymerisation wird gestoppt. Die Menge an protischen Verbindungen beträgt vorzugsweise 0 bis 1 phr bezogen auf das eingesetzte Monomer.
Bevorzugt handelt es sich bei den protischen Verbindungen um Carbonsäuren und/oder Fettsäuren.
Bevorzugt werden Stearinsäure oder Laurinsäure zur Deaktivierung der Polymerisation eingesetzt.
Weiterhin ist es möglich, nach Erreichen des gewünschten Umsatzes den Katalysator mit einer oder mehreren reaktiven polaren organischen Verbindungen umzusetzen, die nach der Reaktion mit dem Katalysator als funktionelle Endgruppe an die Polymerkette angelagert werden kann.
Es ist ebenso möglich, aber nicht zwingend, einen Entspannungsschritt nach der Polymerisation durchzuführen, um alle niedrigsiedende Bestandteile des Polymerisats zu entfernen.
Das so erhaltene Polymerisat wird mit Schwefelchloriden versetzt, wobei die Schwefelchloride mit Carbonsäure, Fettsäure und/oder Fettsäureester vorbehandelt werden. Für die Vorbehandlung werden die Schwefelchloride mit Carbonsäure, Fettsäure und/oder Fettsäureester versetzt.
Vorzugsweise wird ein Mengenverhältnis von Schwefelchloriden zu Carbonsäure, Fettsäure und/oder Fettsäureester 1 : 0,01 bis 1 : 10 eingesetzt.
Bevorzugt handelt es sich bei der Carbonsäure um ausgewählte Verbindungen aus der Gruppe der Carbonsäuren mit 8 bis 20 Kohlenstoffatomen, wie Versatiesäure, Octansäure oder iso-Octansäure. Bevorzugt handelt es sich bei der Fettsäure um gesättigte, einfach oder mehrfach ungesättigte pflanzliche oder tierische Fettsäuren, wie Laurinsäure, Myristinsäure, Palmitinsäure oder Ölsäure.
Bevorzugt handelt es sich bei dem Fettsäureester um natürliche oder modifizierte, gesättigte, einfach oder mehrfach ungesättigte pflanzliche oder tierische Fettsäureester, wie epoxydiertes Sojabohnenöl (ESBO).
Bevorzugt handelt es sich bei den Schwefelchloriden um Dischwefeldichlorid, Schwefeldichlorid und/oder Thionylchlorid. Besonders bevorzugt wird die Modifizierung mit Dischwefeldichlorid durchgeführt.
Im Allgemeinen werden 0,05 bis 0,7 Gew. -Teile, bevorzugt 0, 1 bis 0,4 Gew. -Teile, Schwefelchloride, bevorzugt Dischwefeldichlorid, auf 100 Gew. -Teile Dienkautschuk zugegeben.
Die Modifizierung erfolgt üblicherweise bei Temperaturen von 20°C bis 150°C, bevorzugt bei 50 bis 120°C.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die mit Carbonsäure, Fettsäure und/oder Fettsäureester vorbehandelten Schwefelchloride etwa 5 bis 60 Minuten mit dem Polymerisat gerührt.
Der Polymerlösung können vor der Aufarbeitung übliche Stabilisatoren in üblichen Mengen zugesetzt werden. Als Stabilisatoren werden z.B. sterisch gehinderte Phenole, wie z.B. 2,6-Di- tert.Butyl-4,5-methyl-phenol, 4,6-bis (octylthiomethyl)-o-cresol oder Octadecyl-3-(3,5-di-tert- butyl-4-hydroxyphenyl)propionat oder aromatische Amine, wie N-(l,3-Dimethylbutyl)-N'-phenyl- para-phenylendiamin oder Phosphite, wie z.B. Tris(nonylphenyl)phosphit. Es können auch andere handelübliche Stabilisatoren eingesetzt werden.
Die Isolierung der Polymeren erfolgt durch Eindampfen der Polymerlösung, durch Fällen mit einem Nichtlösungsmittel wie beispielsweise Methanol, Ethanol, Aceton oder bevorzugt durch Wasserdampfdestillation des Lösungsmittels. Nach dem Strippen mit Wasserdampf erfolgt die Wasserentfernung mit geeigneten Sieb- oder Schneckenaggregaten wie Expeller- bzw. Expander-Schnecken oder Fließbetttrockner.
Die Trocknung erfolgt nach den üblichen Verfahren, z.B. im Trockenschrank oder in einem Schneckentrockner.
Das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte hochmolekulare Polybutadien weist eine Mooney-Viskosität (ML 1+4 bei 100°C) nach Schritt 3) um mindestens 50% höher als die
Mooney-Viskosität des Polybutadiens nach Schritt 2) auf. Vorzugsweise weist das erfindungsgemäße hochmolekulare Polybutadien (NdBR) eine Ausgangsmooney-Viskosität von mindestens 20 MU (ML 1+4 bei 100°C), bevorzugt 20 - 25 (ML 1+4 bei 100°C) MU, besonders bevorzugt mindestens 40 MU (ML 1+4 bei 100°C) auf und nach Zugabe von Schwefelchloriden, wie etwa Dischwefeldichlorid, Schwefeldichlorid und/oder Thionylchlorid, eine Endmooney-Viskosität von mindestens 30 MU (ML 1+4 bei 100°C), bevorzugt 40 - 50 MU (ML 1+4 bei 100°C), besonders bevorzugt 60 -80 MU (ML 1+4 bei 100°C), wobei keine Gelbildung bzw. Signifikant reduzierter Gelbildung vorliegt. Vorzugsweise ist der Gelgehalt kleiner als 1 Gew.-%.
Die Ausgangs-Viskosität bezieht sich auf die Mooney-Viskosität des Polybutadiens nach der Polymerisation.
Es ist ebenfalls möglich, mittels der Mooney-Stress-Relaxation gemäß ASTM D 1646-00 (MSR) den Mooney-Sprung zu bestimmen. Hierbei werden der MSR-Werte nach dem Schritt 2) und Schritt 3) gemessen. Der Quotient aus der MSR (2) und MSR (3) ergibt den Modifizierungskoeffizienten. Der MSR-Wert wird bei 100°C gemäß der Standardmethode ASTM D 1646-00 gemessen.
Vorzugsweise weist das erfindungsgemäße Polybutadien einen Modifizierungskoeffizienten von 1,3 bis 2,5, bevorzugt von 1,4 bis 2,1, auf.
Eine weitere Erfindung ist ein hochmolekulares Neodym-katalysiertes Polybutadien erhältlich nach dem erfindungsgemäßen Verfahren. Vorzugsweise weist das erfindungsgemäße hochmolekulare Neodym-katalysierte Polybutadien Carbonsäure, Fettsäure und/oder Fettsäureester auf. Insbesondere sind natürliche oder modifizierte, gesättigte, einfach oder mehrfach ungesättigte pflanzliche oder tierische Fettsäureester, insbesondere epoxydiertes Sojabohnenöl, oder Versatiesäure, Octansäure, iso-Octansäure, Laurinsäure, Myristinsäure, Palmitinsäure oder Ölsäure im erfindungsgemäßen Neodym- katalysierte Polybutadien nachweisbar. Dem Fachmann sind die üblichen Nachweisemethoden beispielsweise mittels Dünnschichtchromatograhie, Gaschromatographie, HPLC oder Massenspektroskopie bekannt, ggf. werden die Carbonsäure, Fettsäure und/oder Fettsäureester vorher extrahiert/isoliert.
Das erfindungsgemäße hochmolekulare Neodym-katalysierte Polybutadien bedarf keiner Zusätze an Extenderoele, wie z. B. aromatische Extenderoele, um die Mooney-Viskosität der Kautschuke einzustellen.
Die erfindungsgemäßen Polybutadiene können alleine, im Verschnitt mit aromatischen oder aliphatischen Ölen oder im Gemisch mit anderen Kautschuken verwendet werden. Für die Herstellung von Kautschukvulkanisaten eignen sich als zusätzliche Kautschuke neben Naturkautschuk auch Synthesekautschuke. Bevorzugte Synthesekautschuke sind beispielsweise bei W. Hofmann, Kautschuktechnologie, Gentner Verlag, Stuttgart 1980 und I. Franta, Elastomers and Rubber Compounding Materials, Elsevier, Amsterdam 1989 beschrieben. Sie umfassen u.a. BR - herkömmliches Polybutadien
ABR - Butadien/Acrylsäure-Cl-C4-alkylester-Copolymere
CR - Polychloropren
IR - Polyisopren
SBR - Styrol/Butadien-Copolymerisate mit Styrolgehalten von 1 bis 60,
vorzugsweise 20 bis 50 Gew.-%
HR - Isobutylen/Isopren-Copolymerisate
NBR - Butadien/Acrylnitril-Copolymere mit Acrylnitrilgehalten von 5 bis 60, vorzugsweise 10 bis 40 Gew.-%
HNBR - teilhydrierter oder vollständig hydrierter NBR-Kautschuk
EPDM - Ethylen/Propylen/Dien-Copolymerisate sowie Mischungen dieser Kautschuke. Für die Herstellung von Kfz-Reifen mit Hilfe der oberflächenmodifizierten Füllstoffe sind insbesondere Naturkautschuk, Emulsions-SBR sowie Lösungs-SBR-Kautschuke mit einer Glastemperatur oberhalb von -50°C, die gegebenenfalls mit Silylethern oder anderen funktionellen Gruppen, modifiziert sein können, wie in der EP-A-0 447 066 beschrieben, Polybutadienkautschuk mit hohem 1,4-cis-Gehalt (>90 Gew.-%), der mit
Katalysatoren auf Basis Ni, Co, Ti oder Nd hergestellt wird, sowie Polybutadienkautschuk mit einem Vinylgehalt von 0 bis 75 Gew.- % sowie deren Mischungen von Interesse.
Die Kautschukmischungen stellen einen weiteren Gegenstand der Erfindung dar und enthalten in der Regel 5 bis 300 Gew. -Teile eines aktiven oder inaktiven Füllstoffs, wie z.B. - hochdisperse Kieselsäuren, hergestellt z.B. durch Fällung von Lösungen von Silikaten oder
Flammenhydrolyse von Siliciumhalogeniden mit spezifischen Oberflächen von 5 bis 1000, vorzugsweise 20 bis 400 m2/g (BET-Oberfläche) und mit Primärteilchengrößen von 10 bis 400 nm. Die Kieselsäuren können gegebenenfalls auch als Mischoxide mit anderen Metalloxiden, wie AI-, Mg-, Ca-, Ba-, Zn-, Zr-, Ti-oxiden vorliegen, synthetische Silikate, wie Aluminiumsilikat, Erdalkalisilikat wie Magnesiumsilikat oder Calciumsilikat, mit BET-Oberflächen von 20 bis 400 m2/g und Primärteilchendurchmessern von 10 bis 400 nm, natürliche Silikate, wie Kaolin und andere natürlich vorkommende Kieselsäure, - Glasfasern und Glasfaserprodukte (Matten, Stränge) oder Mikroglaskugeln,
Metalloxide, wie Zinkoxid, Calciumoxid, Magnesiumoxid, Aluminiumoxid,
Metallcarbonate, wie Magnesiumcarbonat, Calciumcarbonat, Zinkcarbonat,
Metallhydroxide, wie z.B. Aluminiumhydroxid, Magnesiumhydroxid,
Metallsalze, wie z.B. Zink- oder Magnesiumsalze von [alpha], [beta] -ungesättigten Fettsäuren, wie z.B. Acryl- oder Methacrylsäure mit 3 bis 8 Kohlenstoffatomen, wie
Zinkacrylat, Zinkdiacrylat, Zinkmethacrylat, Zinkdimethacrylat und Mischungen davon;
Ruße. Die hierbei zu verwendenden Ruße sind nach dem Flammruß, Furnace- oder Gasrußverfahren hergestellt und besitzen BET-Oberflächen von 20 bis 200 m2/g, wie z.B. SAF-, ISAF-, HAF-, FEF- oder GPF-Ruße. - Kautschukgele, insbesondere solche auf Basis Polybutadien, Butadien/Styrol-Copolymere, Butadien/Acrylnitril-Copolymere und Polychloropren.
Besonders bevorzugt werden Zinkdiacrylate, hochdisperse Kieselsäuren und Ruße.
Die genannten Füllstoffe können alleine oder im Gemisch eingesetzt werden. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform enthalten die Kautschukmischungen als Füllstoffe ein Gemisch aus hellen Füllstoffen, wie hochdispersen Kieselsäuren, und Rußen, wobei das Mischungsverhältnis von hellen Füllstoffen zu Rußen bei 0,05 bis 20, bevorzugt 0,1 bis 10 liegt.
Die Füllstoffe werden bevorzugt als Feststoffe oder als Aufschlämmung in Wasser oder einem Lösungsmittel zur Lösung des/der erfindungsgemäßen Polybutadiene hinzugegeben. Die Kautschuklösung kann vorher hergestellt werden, bevorzugt wird aber die aus der Polymerisation stammende Lösung direkt eingesetzt. Anschließend wird das Lösungsmittel thermisch oder bevorzugt mit Hilfe von Dampf entfernt. Die Bedingungen dieses Stripp-Prozesses lassen sich leicht durch Vorversuche ermitteln.
Weiterhin bevorzugt werden die Füllstoffe zum festen erfindungsgemäßen Polybutadien oder einem Gemisch aus Kautschuken hinzugegeben und auf bekannte Weise, z.B. mit einem Kneter, eingemischt. Die erfindungsgemäßen Kautschukmischungen enthalten gegebenenfalls weiterhin Vernetzer. Als Vernetzer können Schwefel oder Peroxide eingesetzt werden, wobei Schwefel besonders bevorzugt wird. Die erfindungsgemäßen Kautschukmischungen können weitere Kautschukhilfsprodukte enthalten, wie Reaktionsbeschleuniger, Alterungsschutzmittel, Wärmestabilisatoren, Lichtschutz- mittel, Ozonschutzmittel, Verarbeitungshilfsmittel, Weichmacher, Tackifier, Treibmittel,
Farbstoffe, Pigmente, Wachse, Streckmittel, organische Säuren, Verzögerer, Metalloxide sowie Aktivatoren wie Triethanolamin, Polyethylenglykol, Hexantriol etc. die der Gummiindustrie bekannt sind.
In den bevorzugten Kautschukmischungen mit hochaktiven gefällten Kieselsäuren ist die Verwendung von zusätzlichen Füllstoffaktivatoren besonders vorteilhaft. Bevorzugte Füllstoffaktivatoren sind schwefelhaltige Silylether, insbesondere Bis-(trialkoxisilyl-alkyl)- polysulfide, wie in DE-A-2 141 159 und DE-A-2 255 577 beschrieben, oligomere und/oder polymere schwefelhaltige Silylether der DE-A-4 435 311 und EP-A-0 670 347, Mercapto- alkyltrialkoxisilane, insbesondere Mercaptopropyltriethoxysilan und Thiocyanatoalkylsilylether, wie z.B. in DE-A-195 44 469 beschrieben.
Die Kautschukhilfsmittel werden in üblichen Mengen, die sich unter anderem nach dem Verwendungszweck richten, eingesetzt. Übliche Mengen sind z.B. Mengen von 0,1 bis 50 Gew.-%, bezogen auf Kautschuk.
Die weitere Abmischung der Kautschuke mit den anderen erwähnten Kautschukhilfsprodukten, Vernetzern und Beschleunigern kann in üblicher Weise mit Hilfe von geeigneten Mischaggregaten, wie Walzen, Innenmischer und Mischextruder, durchgeführt werden.
Die Compoundierung und Vulkanisation wird beispielsweise näher in Encyclopedia of Polymer Science and Engineering, Vol. 4, S. 66 ff (Compoundierung) und Vol. 17, S. 666 ff (Vulkanisation) beschrieben. Die Vulkanisation der erfindungsgemäßen Kautschukmischungen kann bei üblichen Temperaturen von 100 bis 200°C, bevorzugt 130 bis 180°C (gegebenenfalls unter Druck 10 bis 200 bar), erfolgen.
Die erfindungsgemäßen Kautschukmischungen eignen sich hervorragend zur Herstellung von Formkörpern aller Art. Nichthmitierende Beispiele dieser Formkörper sind O-Ringe, Profile, Dichtungen, Membranen, Reifen, Reifenlaufflächen, Dämpfelemente und Schläuche.
Besonders bevorzugt werden verschiedene Reifenbauteile und Reifenlaufflächen. Weiterhin eignen sich die erfindungsgemäßen Kautschukmischungen zur Schlagzähmodifikation von Thermoplasten, insbesondere von Polystyrol und Styrol-/Acrylnitrilcopolymere.
Besonders geeignet ist die Verwendung der Kautschukmischungen für Golfbälle, insbesondere Golfballkerne. Der Rahmen der Erfindung erfasst alle oben stehenden und im Folgenden aufgeführten allgemeinen oder in Vorzugsbereichen genannten Restedefinitionen, Indizes, Parameter und Erläuterungen untereinander, also auch zwischen den jeweiligen Bereichen und Vorzugsbereichen in beliebiger Kombination.
Nachstehend wird die Erfindung anhand von Beispielen näher erläutert.
I. Herstellung von hochmolekularen Neodym-katalysierten Polybutadienen (NdBR)
Es wurden verschiedene NdBR mit sprungartiger Erhöhung des Molekulargewichts hergestellt.
Vergleichsbeispiel 1: NdBR mit kleinem Mooneysprung < 50%, ohne Vergelung Polymerisation:
Ein trockener, mit Stickstoff inertisierter 20 L-Stahlautoklav wurde mit 8500 g Hexan (über Molsieb getrocknet), 1300 g 1,3-Butadien, 21,4 mmol einer 20%igen Lösung aus Diisobutylaluminiumhydrid in Hexan, 1,44 mmol einer 10%igen Lösung aus Ethylaluminiumsesquichlorid in Hexan, sowie 1,44 mmol einer 40%igen Lösung von Neodymversatat in Hexan eingebracht. Es wurde unter Rühren auf 73 °C erwärmt und unter Rühren 60 min polymerisiert. Es wurde Umsatzprobe genommen. Der Butadienumsatz betrug nach der Polymerisation 99,7 %.
Die Polymerisation wurde durch Zugabe von 3,75 g Stearinsäure (0,25 phr) gestoppt und mit 1,3 g Irganox 1520 (0, 1 phr) stabilisiert. Die Lösung wurde weitere 15 min bei 65°C gehalten. Ausgangsmooney-Viskosität (ML 1+4 bei 100 °C): 39 MU
Mooney-Stress-Relaxation (MSR bei 100°C gemäß ASTM D 1646-00): MSR (2) = 0,64.
Modifizierung:
720 g der Polymerlösung wurden in einen 2 L-Glasreaktor überführt. Zur Modifizierung wurde 1,71 g einer Lösung von Dischwefeldichlorid in Hexan mit einer Konzentration von 11 % (0,2 phr) zugegeben. Die Lösung wurde 15 min bei 65°C gerührt. Das Polymer wurde durch Einleiten in 5 kg Ethanol ausgefällt, mit Irganox 1520 (0,2 phr) stabilisiert und bei 70 °C im Vakuum getrocknet. Auswaage nach dem Trocknen: 95 g
Endmooney-Viskosität (ML 1+4 bei 100 °C): 44 MU;
Mooney-Stress-Relaxation MSR (3) = 0,52;
Gelgehalt <0,3 Gew.- %
Mikrostruktur: 97,5 Gew.- % 1,4-cis; 1,7 Gew.- % 1,4-trans; 0,8 Gew.- % 1,2-vinyl
Bei einem kleinen Mooney-Sprung von 12,8 % über der Ausgangsmooney-Viskosität weist das hochmolekulare Neodym-katalysierte Polybutadien keine Gelbildung auf.
Der Modifizierungskoeffizient (MK) beträgt 1,2. Vergleichsbeispiel 2: NdBR mit hohem Mooneysprung > 50%, mit Vergelung
Polymerisation:
Ein trockener, mit Stickstoff inertisierter 20 L-Stahlautoklav wurde mit 8500 g Hexan (über Molsieb getrocknet), 1300 g 1,3-Butadien, 21,3 mmol einer 20%igen Lösung aus Diisobutylaluminiumhydrid in Hexan, 1,44 mmol einer 10%igen Lösung aus
Ethylaluminiumsesquichlorid in Hexan, sowie 1,44 mmol einer 40%igen Lösung von Neodymversatat in Hexan eingebracht. Es wurde unter Rühren auf 73 °C erwärmt und unter Rühren 60 min polymerisiert. Es wurde Umsatzprobe genommen. Der Butadienumsatz betrug nach der Polymerisation 99,7 %. Die Polymerisation wurde durch Zugabe von 6,5 g Stearinsäure gestoppt. Die Lösung wurde weitere 15 min bei 65°C gehalten.
Ausgangsmooney-Viskosität (ML 1+4 bei 100 °C): 36 MU
MSR (2)= 0,77.
Modifizierung: 720 g der Polymerlösung wurden in einen 2 L-Glasreaktor überführt. Zur Modifizierung wurde
3,42 g einer Lösung von Dischwefeldichlorid in Hexan mit einer Konzentration von 11 % (0,4 phr) zugegeben. Die Lösung wurde 15 min bei 65°C gerührt. Das Polymer wurde durch Einleiten in 5 kg Ethanol ausgefällt, mit Irganox 1520 (0,2 phr) stabilisiert und bei 70 °C im Vakuum getrocknet. Auswaage nach dem Trocknen: 95 g Endmooney-Viskosität (ML 1+4 bei 100 °C): 82 MU;
MSR (3) = 0,35;
Gelgehalt = 8,5 Gew.-%
Mikrostruktur: 97,6 Gew.- % 1,4-cis; 1,7 Gew.- % 1,4-trans; 0,7 Gew.- % 1,2-vinyl
Bei einem hohen Mooney-Sprung von 127,8 % über der Ausgangsmooney-Viskosität weist das hochmolekulare Neodym-katalysierte Polybutadien eine Gelbildung von 8,5 Gew.-% auf.
Der Modifizierungskoeffizient ist demnach 2,2. Erfindungsgemäßes Beispiel 1: NdBR mit hohem Mooneysprung von 83%, ohne Vergelung
Polymerisation:
Ein trockener, mit Stickstoff inertisierter 20 L-Stahlautoklav wurde mit 8500 g Hexan (über Molsieb getrocknet), 1300 g 1,3-Butadien, 29,2 mmol einer 20%igen Lösung aus Diisobutylaluminiumhydrid in Hexan, 1,44 mmol einer 10%igen Lösung aus
Ethylaluminiumsesquichlorid in Hexan, sowie 1,44 mmol einer 40%igen Lösung von Neodymversatat in Hexan eingebracht. Es wurde unter Rühren auf 73 °C erwärmt und unter Rühren 60 min polymerisiert. Es wurde Umsatzprobe genommen. Der Butadienumsatz betrug nach der Polymerisation 99,5 %. Die Polymerisation wurde durch Zugabe von 6,5 g Stearinsäure (0,5 phr) gestoppt. Die Lösung wurde weitere 15 min bei 65°C gehalten.
Ausgangsmooney-Viskosität (ML 1+4 bei 100 °C): 24 MU
MSR (2) = 0,78.
Modifizierung: 720 g der Polymerlösung wurden in einen 2 L-Glasreaktor überführt. Zur Modifizierung wurde
1,24 g einer Lösung von Dischwefeldichlorid in ESBO mit einer Konzentration von 54 % (0,7 phr) zugegeben. Die Lösung wurde 15 min bei 65°C gerührt. Das Polymer wurde durch Einleiten in 5 kg Ethanol ausgefällt, mit Irganox 1520 (0,2 phr) stabilisiert und bei 70 °C im Vakuum getrocknet. Auswaage nach dem Trocknen: 95,2 g Endmooney-Viskosität (ML 1+4 bei 100 °C): 44 MU;
MSR (3) = 0,46;
Gelgehalt < 0,3 Gew.- %
Mikrostruktur: 97,4 Gew.- % 1,4-cis; 1,9 Gew.- % 1,4-trans; 0,6 Gew.- % 1,2-vinyl.
Der Modifizierungskoeffizient ist demnach 1,7. Erfindungsgemäßes Beispiel 2: NdBR mit hohem Mooneysprung von 55%, ohne Vergelung
Polymerisation:
Ein trockener, mit Stickstoff inertisierter 20 L-Stahlautoklav wurde mit 8500 g Hexan (über Molsieb getrocknet), 1300 g 1,3-Butadien, 21 mmol einer 20%igen Lösung aus Diisobutylaluminiumhydrid in Hexan, 1,44 mmol einer 10%igen Lösung aus
Ethylaluminiumsesquichlorid in Hexan, sowie 1,44 mmol einer 40%igen Lösung von Neodymversatat in Hexan eingebracht. Es wurde unter Rühren auf 73 °C erwärmt und unter Rühren 60 min polymerisiert. Es wurde Umsatzprobe genommen. Der Butadienumsatz betrug nach der Polymerisation 98,7 %. Die Polymerisation wurde durch Zugabe von 6,5 g Stearinsäure (0,5 phr) gestoppt. Die Lösung wurde weitere 15 min bei 65 °C gehalten
Ausgangsmooney-Viskosität (ML 1+4 bei 100 °C): 40 MU
MSR (2) = 0,65.
Modifizierung:
720 g der Polymerlösung wurden in einen 2 1-Glasreaktor überführt. Zur Modifizierung wurde 0,40 g einer Lösung von Dischwefeldichlorid in ESBO mit einer Konzentration von 64 % (0,3 phr) zugegeben. Die Lösung wurde 15 min bei 65°C gerührt. Das Polymer wurde durch Einleiten in 5 kg Ethanol ausgefällt, mit Irganox 1520 (0,2 phr) stabilisiert und bei 70 °C im Vakuum getrocknet. Auswaage nach dem Trocknen: 95, 1 g.
Endmooney-Viskosität (ML 1+4 bei 100 °C): 62 MU,
MSR (3) = 0,36;
Gelgehalt < 0,3 Gew.- %
Mikrostruktur: 97,4 Gew.- % 1,4-cis; 2,0 Gew.- % 1,4-trans; 0,6 Gew.- % 1,2-vinyl
Molmasse: Mn = 202 kg/mol, Mw = 418 kg/mol, Mz = 1050 kg/mol; Polydispersität (Mw/Mn) =
2,07
Lösungsviskosität: 218 mPas
Der Modifizierungskoeffizient ist demnach 1,8. Erfindungsgemäßes Beispiel 3: NdBR mit hohem Mooneysprung von 97%, ohne Vergelung
Polymerisation:
Ein trockener, mit Stickstoff inertisierter 20 1-Stahlautoklav wurde mit 8500 g Hexan (über Molsieb getrocknet), 1300 g 1,3-Butadien, 21 mmol einer 20%igen Lösung aus Diisobutylaluminiumhydrid in Hexan, 1,44 mmol einer 10%igen Lösung aus Ethylaluminiumsesquichlorid in Hexan, sowie
1,44 mmol einer 40%igen Lösung von Neodym versatat in Hexan eingebracht. Es wurde unter Rühren auf 73 °C erwärmt und unter Rühren 60 min polymerisiert. Es wurde Umsatzprobe genommen. Der Butadienumsatz betrug nach der Polymerisation 99,5 %. Die Polymerisationslösung wurde nicht abgestoppt und direkt weiter verarbeitet. Es wurde eine Polymerprobe gezogen und der Polymermooney ermittelt.
Ausgangsmooney-Viskosität Präpolymer (ML 1+4 bei 100 °C): 37 MU
MSR(2) = 0,65.
Modifizierung:
720 g der Polymerlösung wurden in einen 2 L-Glasreaktor überführt. Zur Modifizierung wurde 0,76 g einer Lösung von Dischwefeldichlorid in ESBO mit einer Konzentration von 37,5 % (0,3 phr) zugegeben. Die Lösung wurde 15 min bei 65°C gerührt. Das Polymer wurde durch Einleiten in 5 kg Ethanol ausgefällt, mit Irganox 1520 (0,2 phr) stabilisiert und bei 70 °C im Vakuum getrocknet. Auswaage nach dem Trocknen: 95, 1 g
Endmooney-Viskosität (ML 1+4 bei 100 °C): 73 MU:
MSR(3) = 0,33;
Gelgehalt < 0,3 Gew.- %
Mikrostruktur: 97,7 Gew.- % 1,4-cis; 1,7 Gew.- % 1,4-trans; 0,6 Gew.- % 1,2-vinyl. Der Modifizierungskoeffizient ist demnach 1,97.
Alle nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten NdBR zeigen einen hohen Mooneysprung auf. Die Endmooney-Viskositäten sind größer als 50 % über der Ausgangsmooney-
Viskosität des NdBRs und weisen einen Gelgehalt von < 0,3 Gew.-% auf. Prüfungen:
A: Bestimmung des Gelgehaltes von Polybutadien in Styrol als gravimetrisches Verfahren analog der Methode BAYELAS MO AQ 259 - A LAB:
25,0 g Polymer werden auf der Laborwaage auf 0, 1 g genau abgewogen. Die Ränder werden vorher abgeschnitten und verworfen. Das Polymer wird in kleine Stücke geschnitten. In einer 1 1
Weithalsflasche werden 850 ml filtriertes Styrol vorgelegt und das Polymer auf der Schüttelmaschine ca. 4 Stunden gelöst.
Das zuvor ausgeglühte Drahtnetz bestehend aus einem Drahtgewebe mit Maschenweite 0,036 mm, 0 50 mm wird zur Abkühlung in einem Trockengläschen in den Exsikkator gegeben. Nach dem Abkühlen wird das Drahtnetz dem Trockengläschen entnommen und auf der Analysenwaage auf 0, 1 mg genau ausgewogen. Es ergibt sich das Gewicht A. Jeweils 100 ml filtriertes Styrol werden in drei Bechergläsern bereitgestellt. Das Drahtnetz mit einem Durchmesser von 50 mm wird in das Metall-Filtrationssystem "Gelman" eingelegt (Dichtung-Filter-Dichtung) und der Trichteraufsatz wird angeschraubt. Nun gießt man die Polymerlösung durch das Filter. Das erste der drei mit Styrol beschickten
Bechergläser wird zum Spülen der Weithalsflasche benutzt und diese Lösung ebenfalls durch das Filter gegeben. Mit den beiden weiteren Styrol-Portionen wird das Filter nachgespült.
Das Filter wird nun vorsichtig mit einer Pinzette entnommen und auf einem sauberen Zellstoff gelegt. Der Rand des Filters wird mit der Pinzette vorsichtig angedrückt. Mit der Lupe beobachtet man das verdampfende Styrol. Das feuchte, noch mit Styrol benetzte Drahtfilter wird mit abnehmender Styrolmenge sichtbar heller. Sind alle Maschen des Filters styrolfrei, wird es sofort auf der Waage zurückgewogen. Es ergibt sich das Gewicht B.
Nach Rückwaage des Filters, wird zur Ermittlung des Trockengel-Gehalt im Trockenschrank 15 Minuten bei 100°C (± 5°C) getrocknet. Dabei befindet sich das Filter in einem offenen Trockengläschen. Nach Trocknung wird das Gläschen samt Filter zur Abkühlung etwa 10 Minuten in den Exsikkator gegeben und anschließend erneut gewogen. Es ergibt sich das Gewicht C.
Berechnungen:
Nassgel (wet gel) = (B - A) * 106 [ppm]
25
Trockengel (dry gel) = (C - A) * 106 [ppm] 25
Quellindex = Nassgel [ohne Dimension]
Trockengel
B: Mooneyviskosität und Mooney-Stress-Relaxation nach ASTM D 1646-00
C: Lösungsviskosität nach ISO 3105:
5,43% Polymerlösung in Toluol wird bei Raumtemperatur mit einem Rotationsviskosimeter Typ Brookfield DV-I gemessen.
D: GPC wurde von der Firma Currenta durchgeführt.
E: Mikrostrukturbestimmung
Currenta, ELA 101: Eine Lösung des Polymeren in Toluol wird auf ein KBr Fenster gegeben, das Lösemittel wird verdampft und der Polymerfilm zwischen 2 KBr-Fenster mittel FTIR Spektroskopie vermessen.
ESBQ: Epoxdiertes Soyabohnenöl der Firma Cognis
Irganox 1520: 4,6-Bis(octylthiomethyl)-o-cresol der Firma BASF
II. Herstellung von Kautschukmischungen und Vulkanisaten
Vergleichsbeispiel 2 ist wegen des sehr hohen Gelgehaltes nicht für einen Compoundtest geeignet.
Es wurden Kautschukmischungen hergestellt, die BUNA™ CB 22 als Nd-katalysierte Polybutadien, ohne Mooney-Sprung, sowie das Polymer aus Vergleichsbeispiel 1 und das erfindungsgemäße Polymer aus Beispiel 2 enthalten. Die Mischungsbestandteile sind in Tabelle 2 aufgelistet. Die Mischungen wurden zunächst ohne Schwefel und Beschleuniger in einem 1,5-L Kneter hergestellt. Die Mischungsbestandteile Schwefel und Beschleuniger wurden anschließend auf einer Walze bei 40°C zugemischt.
Das NdBR aus Vergleichsbeispiel 1 hat eine Ausgangsmooney-Viskosität von 39 MU; das erfindungsgemäße NdBR aus Beispiel 2 hat eine Ausgangsmooney-Viskosität von 39 MU. Buna CB22, ohne Mooneysprung, hat eine Mooneyviskosität von 63 MU.
Für die Mischungsstudien wurden folgende Substanzen eingesetzt: Tabelle 1 :
Handelsname Hersteller
BUNA™ CB 22 als Nd-Polybutadien Lanxess Deutschland GmbH
CORAX N 326 als Ruß Evonik Degussa GmbH
VIVATEC 500 als Öl Hansen und Rosenthal KG
ZINKWEIß ROTSIEGEL als Zinkoxid Grillo Zinkoxid GmbH
EDENOR C 18 98-100 als Stearinsäure Caldic Deutschland GmbH
VULKANOX 4020/LG als Stabilisator Lanxess Deutschland GmbH
VULKANOX HS/LG als Stabilisator Lanxess Deutschland GmbH
VULKACIT® CZ/EGC als Beschleuniger Lanxess Deutschland GmbH
RHENOGRAN IS 60-75 als Schwefel RheinChemie Rheinau GmbH
TSR / RSS 3 DEFO 700 Naturkautschuk vom Typ Defo 700 „ ,
Tabelle 2: Zusammensetzung der Mischungen
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Für die Beurteilung der Compoundierbarkeit wurden die Walzfelle vor und nach der Einmischung der Kautschukchemikalien bewertet. Die Mischungen VI und VI* sowie der erfindungsgemäßen E2 und E2* zeigten glatte Walzfelle, während die Mischungen V2 und V2* mit dem nicht modfizierten Buna CB22 inhomogene Walzfelle zeigte, die sehr stark beuteln und nur unzureichenden Kontakt zur Walze besitzen.
An den Vulkanisaten wurden folgende Eigenschaften nach den genannten Normen bestimmt:
DIN 53505: Shore A-Härte bei 23°C und 70°C
DIN 53512: Rückprallelastizität bei 23°C und 70°C ("R23")
DIN 53504: Spannungswerte bei 10%, 25%, 50%, 100%, 200% und 300 % Dehnung (σ10, σ25, σ50, σιοο, σ2οο und σ3οο) , Zugfestigkeit sowie Bruchdehnung DIN 53516: Abrieb
Für die Bestimmung der dynamischen Eigenschaften (Temperaturabhängigkeit des Speichermoduls E' im Temperaturbereich -60°C bis 0°C sowie tan δ bei 60°C) wurde ein Eplexor-Gerät (Eplexor 500 N) der Firma Gabo-Testanlagen GmbH, Ahlden, Deutschland eingesetzt. Die Messungen wurden nach DIN53513 bei 10 Hz an Zylinderproben im Temperaturbereich -100°C und +100°C bei einer Heizrate von lK/min. ermittelt. Die Messungen erfolgten im Kompressionsmodus bei einer statischen Kompression von 1% und einer dynamischen Verformung von 0, 1%.
Mit der Methode wurden folgende Messgrößen erhalten, die nach ASTM 5992-96 bezeichnet werden: E' (-60°C): Speichermodul bei -60°C
E' (-50°C): Speichermodul bei -50°C
E' (-40°C): Speichermodul bei -40°C
E' (-30°C): Speichermodul bei -30°C
E' (-20°C): Speichermodul bei -20°C
E' (-10°C): Speichermodul bei -10°C
E' (0°C): Speichermodul bei 0°C
sowie
tan δ (60°C): Verlustfaktor (Ε'ΥΕ') bei 60°C.
E' liefert ein Indiz für den Griff der Winterreifen-Lauffläche auf Eis und Schnee. Je niedriger E' ist, umso besser ist der Griff.
Tan δ (60°C) ist ein Maß für den Hystereseverlust beim Rollen des Reifens. Je niedriger tan δ (60°C) ist, umso niedriger ist der Rollwiderstand des Reifens.
Tabelle 3 zeigt die Vulkanisateigenschaften der Mischungen auf.
Tabelle 3: Vulkanisateigenschaften
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Die erfindungsgemäßen E2 und E2* zeigen gegenüber den Vergleichsbeispielen VI und VI * eine deutliche Verbesserung der Indikatoren für den niedrigen Rollwiderstand, wie eine hohe Rückprallelastizität bei 60°C, ein niedriges Tangens Delta maximum im MTS-Test bei 60°C und ein niedriges Tangens Delta bei 60°C im Eplexortest, bessere Ergebnisse im Zug-Dehnungs-Test, ersichtlich aus einem höheren Quotienten aus S300/S 10 sowie sehr gute niedrige Werte im Abriebstest.
Gegenüber dem nicht modifizierten Buna CB22 in den Vergleichsbeispielen V2 und V2* zeigen die erfindungsgemäßen Beispiele E2 und E2* bei vergleichbaren guten Compoundeigenschaften eine deutliche Verbesserung in der Verarbeitungsqualität, ersichtlich an einem deutlich glatten und homogenen Walzfell und an einem perfekten Garvey-Extrudat.
Fig. 1. zeigt die Garvey-Extrudate von Vergleichsbeispiel VI, erfindungsgemäßes Beispiel E2 und Vergleichsbeispiel V2 (von oben nach unten) bei 90°C und einer Umdrehung von 50 UpM.
VI und E2 ergeben glatte Extrudate, während V2 ein starkes Sägezahnprofil besitzt. Insgesamt kann gezeigt werden, dass durch die erfindungsgemäßen Polymere mit einem großem
Mooneysprung von >50% Mischungen hergestellt werden können, die einfach zu verarbeiten sind, glatte Extrudate ergeben, jedoch in den physikalischen Compoundeigenschaften den schwer zu verarbeitenden nicht modifizierten Neodymkatalysierten Polybutadienkautschuken entsprechen.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur sprungartigen Erhöhung der Mooney-Viskosität bei der Herstellung von hochmolekularem Polybutadien mit einem Anteil an cis-l,4-Einheiten von > 95 Gew.-% und einem Anteil an 1,2-Vinyl-Gehalt von < 1 Gew.- %, dadurch gekennzeichnet, dass man
1) mindestens ein Monomer, ausgewählt aus Butadien und/oder Isopren, in Gegenwart mindestens eines inerten, organischen Lösungsmittels und in Gegenwart von mindestens einem Katalysator auf Basis von Neodymcarboxylat bei Temperaturen von -20°C bis 150°C polymerisiert,
2) anschließend die Polymerisation durch Zugabe von protischen Verbindungen stoppt und
3) danach zum Polymerisat Schwefelchloride zugibt, wobei die Schwefelchloride vor der Zugabe mit einer Carbonsäure, Fettsäure und/oder Fettsäureester behandelt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 umfassend folgende Verfahrensschritte: a) Katalysatorenherstellung mit oder ohne Präformierung unter der Verwendung von Katalysatorsystemen basierend auf Neodym bestehend aus
Komponente A: einem Alkoholat oder einem Carboxylat von Neodym, vorzugsweise Neodymversatat,
Komponente B: einem Dialkylaluminiumhydrid, vorzugsweise Diisobutyl- aluminiumhydrid (DIBAH),
Komponente C: einem Dien, vorzugsweise Butadien oder Isopren und Komponente D: und wenigstens einer Organometallhalogenide, vorzugsweise Ethylaluminiumsesquichlorid (EASC),
b) Polymerisation der Monomere bei einer Temperatur zwischen -20°C und 150°C, c) Stoppen der Polymerisation mit protischen Verbindungen und d) Zugabe von Schwefelchloriden, wobei die Schwefelchloride vor der Zugabe mit einer Carbonsäure, Fettsäure und/oder Fettsäureester behandelt werden/wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den protischen Verbindungen um Carbonsäuren und/oder Fettsäuren handelt.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den protischen Verbindungen um Stearinsäure oder Laurinsäure handelt.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugabe von den vorbehandelten Schwefelchloriden bei einer Temperatur von 20°C bis 150°C, bevorzugt bei 50°C bis 120°C durchgeführt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stabilisator zugesetzt wird, bevorzugt wird der Stabilisator nach der Zugabe von Schwefelchloriden zugesetzt.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass 0,05 bis 0,7 Gew. -Teile, bevorzugt 0, 1 bis 0,4 Gew. -Teile, Schwefelchloride, auf 100 Gew. -Teile Dienkautschuk zugegeben werden.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das es sich bei den Schwefelchloriden um Dischwefeldichlorid, Schwefeldichlorid und/oder Thionylchlorid handelt.
9. Verfahren nach Anspruch 1 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Mengenverhältnis von Schwefelchloriden bzw. Dischwefeldichlorid, Schwefeldichlorid und/oder Thionylchlorid zu Carbonsäure, Fettsäure und/oder Fettsäureester 1 : 0,01 bis 1 : 10 beträgt.
10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Carbonsäure um Verbindungen aus der Gruppe der Carbonsäuren mit 8 bis 20 Kohlenstoffatomen, vorzugsweise Versatiesäure, Octansäure oder iso-Octansäure, handelt.
11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Fettsäure um gesättigte, einfach oder mehrfach ungesättigte pflanzliche oder tierische Fettsäuren, vorzugsweise Laurinsäure, Myristinsäure, Palmitinsäure oder Ölsäure, handelt.
12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Fettsäureester um natürliche oder modifizierte, gesättigte, einfach oder mehrfach ungesättigte pflanzliche oder tierische Fettsäureester, vorzugsweise epoxydiertes Sojabohnenöl, handelt.
13. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das nach Schritt 3) erhaltene Polybutadien eine sprungartige Erhöhung der Mooney-Viskosität (ML 1+4 bei 100 °C) um mindestens 50%, bezogen auf die Mooney-Viskosität (ML 1+4 bei 100 °C) des Polybutadiens nach Schritt 2) aufweist.
14. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Polybutadien nach Schritt 2) eine Mooney-Viskosität (ML 1+4 bei 100 °C) (Ausgangsmooney-Viskosität) von mindestens 20 MU, bevorzugt 20 - 25 MU, besonders bevorzugt mindestens 40 MU aufweist und nach der Zugabe von Schwefelchloriden, bevorzugt Dischwefeldichlorid, Schwefeldichlorid und/oder Thionylchlorid im Schritt 3), eine Mooney-Viskosität (ML 1+4 bei 100 °C) (Endmooney-Viskosität) von mindestens 30 MU, bevorzugt 40 - 50 MU, besonders bevorzugt 60 -80 MU aufweist, wobei der Gelgehalt kleiner als 1 Gew.-% beträgt.
15. Hochmolekulares Neodym-katalysiertes Polybutadien erhältlich nach einem der vorgenannten Ansprüche.
16. Hochmolekulares Neodym-katalysiertes Polybutadien nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Polybutadien einen Modifizierungskoeffizienten von 1,3 bis 2,5, bevorzugt von 1,4 bis 2,1, aufweist, wobei zunächst der Mooney-Stress-Relaxation nach Schritt 2 (MSR (2)) und nach Schritt 3 (MSR (3)) gemäß ASTM D 1466-00 gemessen wird und der daraus gebildete Quotient aus MSR (2) /MSR (3) den Modifizierungskoeffizienten ergibt.
17. Hochmolekulares Neodym-katalysiertes Polybutadien nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Polybutadien Carbonsäure, Fettsäure und/oder Fettsäureester aufweist.
18. Hochmolekulares Neodym-katalysiertes Polybutadien nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Polybutadien natürliche oder modifizierte, gesättigte, einfach oder mehrfach ungesättigte pflanzliche oder tierische Fettsäureester, insbesondere epoxydiertes Sojabohnenöl aufweist.
19. Hochmolekularem Neodym-katalysiertem Polybutadien nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Polybutadien Versatiesäure, Octansäure, iso-Octansäure, Laurinsäure, Myristinsäure, Palmitinsäure oder Ölsäure aufweist.
20. Kautschukmischungen enthaltend ein Polybutadien gemäß Anspruch 15.
21. Verwendung der Kautschukmischungen gemäß Anspruch 20 zur Herstellung von Formkörpern aller Art, bevorzugt Reifenbauteile oder Golfbälle.
22. Verwendung der Kautschukmischungen gemäß Anspruch 20 für die Schlagzähmodifikation von Thermoplasten.
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