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Die
vorliegende Erfindung betrifft die Verhinderung der Vorvernetzung
vor der Vernetzung einer thermoplastischen und/oder elastomeren
Zusammensetzung durch Peroxide oder Azoverbindungen.
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Die
vorzeitige Vernetzung (Vorvernetzung) in der Vorbereitungsphase
ist eine hauptsächliche
Schwierigkeit bei der Verwendung von Peroxiden und Azoverbindungen
bei Vernetzungsanwendungen (Härtung) elastomerer
und/oder thermoplastischer Materialien. Die Vorbereitungsphase besteht
gewöhnlich
aus den Verkneten der Bestandteile und gegebenenfalls ihrem Extrudieren
bei oft erhöhten
Temperaturen. Die Arbeitsbedingungen dieser Vorbereitungsphase führen recht
oft zur Zersetzung des Peroxid- oder Azo-Initiators, wodurch die
Vernetzungsreaktion mit Bildung von Gelpartikeln in der Masse des
Gemischs induziert wird. Das Vorliegen dieser Gelpartikel führt zu Fehlern
(Inhomogenität,
Oberflächenrauheit)
des Endprodukts. Eine übermäßige Vorvernetzung
verringert die plastischen Eigenschaften des Materials derart, dass
man dieses nicht mehr umformen kann, was zum Verlust der gesamten
Charge führt.
Außerdem
kann übermäßige Vorvernetzung
zum vollständigen
Anhalten des Extrusionsarbeitsgangs führen.
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Um
diesen Nachteil zu überwinden,
wurden mehrere Lösungen
vorgeschlagen. So hat man vorgeschlagen, einen Initiator zu verwenden,
der eine Halbwertszeit von 10 Stunden bei erhöhter Temperatur besitzt. Die
Nachteile dieses Ansatzes sind die kleine Produktivität aufgrund
einer langen Härtungsdauer
und die erhöhten
Energiekosten.
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Es
wurde ebenfalls vorgeschlagen, bestimmte Additive einzubringen,
um die Neigung zur Vorvernetzung zu verringern. So ist die Verwendung
organischer Hydroperoxide als Hemmstoffe der Vorvernetzung für Zusammensetzungen
auf Basis von Polyethylen, die mit einem Peroxid vernetzt werden,
in dem britischen Patent
GB 1
535 039 beschrieben. Die Verwendung von Vinylmonomeren
ist Gegenstand des Patents
US
3 954 907 . Die Verwendung von Nitriten wurde im Patent
US 3 202 648 beschrieben.
Das Patent
US 3 335 124 beschreibt
die Verwendung von aromatischen Aminen, Phenolverbindungen, Mercaptothiazolverbindungen,
Sulfiden, Hydrochinonen und Dialkyldithiocarbamatverbindungen.
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Vor
kurzem war der Einsatz von 2,2,6,6-Tetramethylpiperidinyloxy TEMPO) und
4-Hydroxy-2,2,6,6-tetramethylpiperidinyloxy
(4-Hydroxy-TEMPO) Gegenstand des japanischen Patents JP 11-49865.
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Der
Einsatz von Additiven im vorstehend genannten Stand der Technik,
um die Dauer der Beständigkeit
gegenüber
Vorvernetzung zu verlängern,
hat immer eine nachteilige Wirkung auf die Härtungszeit und/oder die Dichte
der endgültigen
Vernetzung. Er führt
zu einer Verringerung der Produktivität und/oder der Eigenschaften
des Endprodukts.
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Die
vorliegende Erfindung unterdrückt
die Nachteile des Standes der Technik, weil sie es gestattet, die Beständigkeit
gegenüber
Vorvernetzung, die Vernetzungsdichte zu erhöhen, ohne dass dies einen negativen Einfluss
auf die Vernetzungszeit hätte.
Dies wird durch Verwendung einer Familie besonderer Nitroxide als
Additiv erreicht.
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Eine
erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist somit eine die Vorvernetzung
verzögernde
Zusammensetzung, die ein Nitroxid (N), das mindestens eine Ungesättigtheit
enthält,
umfasst. Als Nitroxid (N) können beispielsweise
die durch die folgenden Formeln dargestellten verwendet werden:
wobei
mindestens einer der Substituenten R'
1, R'
2,
R
1, R
2, R
3, R
4, R
5,
R
6, R
7, R
8, R
9 und R
10 mindestens eine Ungesättigtheit besitzt, die mittels
einer Radikaladdition umgesetzt werden kann. Die verbleibenden Substituenten
können
gleich oder verschieden sein und stellen ein Wasserstoffatom, ein
Halogenatom, wie Fluor, Chlor, Brom oder Iod, einen geraden, verzweigten
oder cyclischen gesättigten
Kohlenwasserstoffrest, wie einen Alkylrest, einen substituierten
oder nicht substituierten aromatischen Rest, eine Cyanogruppe -CN,
einen Amidrest -CONRR
a, einen Esterrest
-COOR, einen Alkoxylrest -OR, einen Phosphonatrest -PO(OR)(OR
a), eine Hydroxylgruppe -OH oder eine Säuregruppe,
wie -COOH oder -PO(OH)
2 oder SO
3H,
dar. R und R
a, die gleich oder verschieden
sind, können
ein Wasserstoffatom, einen geraden, verzweigten oder cyclischen
Alkylrest mit einer Kohlenstoffanzahl von 1 bis 20, eine gegebenenfalls
substituierte Phenylgruppe darstellen.
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Die
Substituenten, die mindestens eine Ungesättigtheit besitzen, können jeweils
insbesondere einen geraden, verzweigten oder cyclischen ungesättigten
Kohlenwasserstoffrest oder eine Acrylat-, Methacrylat-, Acrylamid-
und Methacrylamidgruppe darstellen. Wenn mehrere Ungesättigtheiten
an der gleichen Gruppe vorhanden sind, können diese konjugiert, wie
beispielsweise in einer Butadienylgruppe, oder unkonjugiert sein.
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Wenn
die vorstehend genannten Formeln außerdem mindestens einen Substituenten
umfassen, der mindestens eine Ungesättigtheit, eine Hydroxygruppe
und/oder eine Säuregruppe
besitzt, wird die Hydroxylgruppe und/oder die Säuregruppe vorzugsweise durch
R5, R6, R7, R8, R9 und
R10 dargestellt.
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Gegenstand
der vorliegenden Erfindung ist auch eine die Vorvernetzung verzögernde Vernetzungszusammensetzung
(C), die ein Nitroxid (N) und einen Radikalinitiator umfasst, der
aus der Gruppe ausgewählt ist,
die aus organischen Peroxiden, Azoverbindungen und ihren Gemischen
besteht.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung ist eine vernetzbare Zusammensetzung
(A), die ein thermoplastisches Polymer und/oder ein elastomeres
Polymer, die mithilfe eines Peroxids oder einer Azoverbindung vernetzt
werden können,
ein Nitroxid (N) und einen Radikalinitiator umfasst, der aus der
Gruppe ausgewählt
ist, die aus organischen Peroxiden, Azoverbindungen und ihren Gemischen
besteht.
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Die
vorliegende Erfindung stellt ferner ein Verfahren zur Vernetzung
einer vernetzbaren Zusammensetzung bereit, die ein thermoplastisches
Polymer und/oder ein elastomeres Polymer umfasst, die mithilfe eines
Peroxids oder einer Azoverbindung vernetzt werden können, wobei
das Polymer mit einem Radikalinitiator, der aus der Gruppe ausgewählt ist,
die aus organischen Peroxiden, Azoverbindungen und ihren Gemischen
besteht, in Gegenwart eines Nitroxids (N) gemischt wird.
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Die
vorliegende Erfindung stellt ferner geformte Gegenstände oder
Extrudate bereit, wie Elektrokabeladern, die ausgehend von einer
vernetzbaren Zusammensetzung (A) erhalten werden.
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Erfindungsgemäß verwendet
man vorzugsweise ein Nitroxid (N) der Formel (III), wobei:
- – R1, R2, R3,
R4 gleich oder verschieden sein können und
eine Methyl-, Ethyl-, Propyl-, Isopropyl-, Butyl-, sek.-Butyl- oder
tert.-Butylgruppe darstellen,
- – R5, R6, R7,
R8, R9 jeweils ein
Wasserstoffatom darstellen und
- – R10 einen geraden, verzweigten oder cyclischen
ungesättigten
Kohlenwasserstoffrest, eine Acrylat-, Acrylamid-, Methacrylat- oder
Methacrylamidgruppe darstellt.
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Als
Beispiel kann man nennen:
- – 2,2,6,6-Tetraethyl-4-piperidinyloxyacrylat
- – 2,2,6,6-Tetraethyl-4-piperidinyloxymethacrylat
Vorzugsweise
wird insbesondere ein eine Ungesättigtheit
enthaltendes Nitroxid (N) verwendet, das durch die Formel (IV) dargestellt
wird: wobei X einen zweiwertigen
Rest -OC(O)-, -NRbC(O)-, -P(O)(ORb)O- darstellt, wobei Rb die
gleiche Bedeutung wie R hat und n eine ganze Zahl ist, die von 2
bis 20 und vorzugsweise von 2 bis 10 variieren kann. Die Position
der Ungesättigtheit
in der Gruppe CnH2n+1 ist
nicht entscheidend, aber es werden Ungesättigtheiten bevorzugt, die
sich entweder an Position 1 in Bezug auf X oder an endständiger Position
befinden.
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Als
Beispiel kann man nennen:
- – 2,2,6,6-Tetramethyl-4-piperidinyloxyacrylat,
- – 2,2,6,6-Tetramethyl-4-piperidinyloxymethacrylat,
- – 2,2,6,6-Tetramethyl-4-piperidinyloxyacrylamid,
- – 2,2,6,6-Tetramethyl-4-piperidinyloxymethacrylamid.
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Erfindungsgemäß kann man
als Radikalinitiatoren Azoverbindungen und/oder organische Peroxide einsetzen,
die mittels thermischer Zersetzung freie Radikale erzeugen, welche
die Härtungs-/Vernetzungsreaktion
erleichtern. Unter den als Vernetzungsmitteln verwendeten Radikalinitiatoren
sind die Dialkylperoxide und Diperoxidacetale bevorzugt. Eine eingehende
Beschreibung dieser Verbindungen findet man in Encyclopedia of Chemical
Technology, 3. Ausgabe, Bd. 17, Seiten 27 bis 90 (1982).
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Unter
den Dialkylperoxiden sind die bevorzugten Initiatoren: Dicumylperoxid,
Di-t-butylperoxid, t-Butylcumylperoxid,
2,5-Dimethyl-2,5-di-(t-butylperoxy)hexan, 2,5-Dimethyl-2,5-di-(t-amylperoxy)hexan,
2,5-Dimethyl-2,5-di-(t-butylperoxy)hexin-3,
2,5-Dimethyl-2,5-di-(t-amylperoxy)hexin-3, α,α'-Di-[(t-butyl-peroxy)isopropyl]benzol,
Di-t-amylperoxid, 1,3,5-Tri-[(t-butylperoxy)isopropyl]benzol,
1,3-Dimethyl-3-(t-butylperoxy)butanol,
1,3-Dimethyl-3-(t-amylperoxy)butanol und ihre Gemische.
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Unter
den Diperoxycetalen sind die bevorzugten Initiatoren: 1,1-Di-(t-butylperoxy)-3,3,5-trimethylcyclohexan,
1,1-Di-(t-butylperoxy)cyclohexan, 4,4-Di(t-amylperoxy)-n-butylvalerat, 3-3-Di(t-butylperoxy)ethylbutyrat,
2,2-Di-(t-amylperoxy)propan, 3,6,6,9,9-Pentamethyl-3-ethoxycarbonylmethyl-1,2,4,5,-tetraoxacyclononan,
4,4-Bis-(t-butylperoxy)-n-butylvalerat, 3,3-Di-(t-amylperoxy)ethylbutyrat und ihre
Gemische.
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Als
Azoverbindungen kann man beispielsweise 2,2'-Azobis-(2-acetoxypropan),
Azobisisobutyronitril, Azodicarbamid, 4,4'-Azobiscyanopentansäure und 2,2'-Azobismethylbutyronitril
nennen.
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Dicumylperoxid
und α,α'-Di-((t-butylperoxy)isopropyl]benzol
sind besonders bevorzugt.
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Die
thermoplastischen und/oder elastomeren Polymere, die bei der vorliegenden
Erfindung in Betracht gezogen werden, können als natürliche oder
synthetische Polymere definiert werden, die einen thermoplastischen
und/oder elastomeren Charakter besitzen und unter Einwirkung eines
Vernetzungsmittels vernetzt (gehärtet)
werden können.
In Rubber World, "Elastomer
Crosslinking with Diperoxyketals",
Oktober 1983, Seiten 26–32,
und in Rubber and Plastic News, "Organic
Peroxides for Rubber Crosslinking", 29. September 1980, Seiten 46–50, sind
die Vernetzungswirkung und vernetzbare Polymere beschrieben. Polyolefine,
die sich für die
vorliegende Erfindung eignen, sind in Modern Plastics Encyclopedia
89, Seiten 63–67,
74–75
beschrieben. Als Beispiele kann man gerades Polyethylen niedriger
Dichte, Polyethylen niedriger Dichte, Polyethylen höherer Dichte,
chloriertes Polyethylen, Ethylen-Propylen-Dien- (EPDM-) Terpolymere,
Ethylen-Vinylacetat-, Ethylen-Propylen-Copolymeren, Silikonkautschuk,
chlorsulfoniertes Polyethylen, Fluorelastomere, Naturkautschuk (NR),
Polyisopren (IR), Polybutadien (BR), Acrylnitril-Butadien- (NBR-)
Copolymere oder Styrol-Butadien- (SBR-) Copolymere nennen.
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Man
kann auch Ethylen-Methyl(meth)acrylat-Copolymere und Ethylen-Glycidylmethacrylat-Copolymere
nennen.
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Das
Gewichtsverhältnis
des Radikalinitiators zu dem Nitroxid (N) in der Vernetzungszusammensetzung
(C) und in der vernetzbaren Zusammensetzung (A) beträgt vorzugsweise
zwischen 1 und 50 und vorteilhafterweise zwischen 2 und 10.
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In
der vernetzbaren Zusammensetzung (A) macht der Radikalinitiator
vorzugsweise zwischen 0,2 und 5 Gew.-%, bezogen auf die Polymermenge,
und vorteilhafterweise zwischen 0,5 und 3 Gew.-% aus.
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Außer den
vorstehend genannten Bestandteilen können die Zusammensetzungen
(A) und (C) Antioxidantien, Stabilisatoren, Weichmacher und inerte
Füllstoffe,
wie Siliziumdioxid, Ton oder Calciumcarbonat, umfassen.
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Die
Zusammensetzungen (A) und (C) können
mehrere Nitroxide (N) umfassen. Sie können auch mehrere Radikalinitiatoren
umfassen.
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Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren
kann die Vernetzungstemperatur zwischen 110 und 220°C und vorzugsweise
zwischen 140 und 200°C
betragen.
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Vorteilhafterweise
wird das Verfahren in Gegenwart einer derartigen Menge an Initiator
und Nitroxid durchgeführt,
dass die Gewichtsverhältnisse
Initiator/Polymer und Nitroxid/Polymer nahezu der Zusammensetzung
(A) entsprechen.
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Die
Umwandlung der vernetzbaren Zusammensetzungen in geformte oder extrudierte
Gegenstände kann
während
oder nach der Vernetzung erfolgen.
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EXPERIMENTELLER TEIL
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Im
Folgenden werden die nachstehenden Abkürzungen verwendet:
- MH: Maximalwert des aus der vom Rheometer
aufgezeichneten Kurve erhaltenen Moments.
- Dieser Wert bestimmt die Vernetzungsdichte.
- T90: Härtungszeit, die Zeit benötigt wird,
um bei gegebener Temperatur 90% des maximalen Moments zu erreichen.
- Ts5: Vorvernetzungszeit, die Zeit, die
bei gegebener Temperatur benötigt
wird, damit sich das Moment um 5 Mooney-Einheiten erhöht.
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Die
Vernetzungsdichte (MH) und die Vernetzungszeit
(t90) des Gemischs wurden bei 180°C mithilfe
eines Monsanto-ODR-2000-E-Rheometers (Alpha Technologies, Oszillationswinkel
3°, Oszillationsfreugenz
100 Zyklen/min) gemessen.
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Die
Vernetzungszeitr wird auch mithilfe eines Rheometers bestimmt, das
unter den gleichen Bedingungen, wie vorstehend, verwendet wird.
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Die
Vorvernetzungszeit wurde bei 145°C
mithilfe eines Mooney-MV-2000-Viskosimeters (Alpha Technologies)
gemessen.
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Beispiel 1 (nicht erfindungsgemäß):
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Es
wurden 1000 g Polyethylen niedriger Dichte (Mitene, von Ashland
vertrieben), 25 g Dicumylperoxid (Luperox® DC)
und 3 g 2,2,6,6-Tetramethylpiperidinyloxy (TEMPO) in einem Turbomischer
bei 80°C
(Einstelltemperatur) für
15 Minuten gemischt (Rührgeschwindigkeit
= 930 Umdrehungen/min). Das Pulver wurde anschließend durch
Schmelzen bei 110°C
für 3 min
in ein Probestück
in Scheibenform umgewandelt. Das Probestück wurde anschließend in
die Kammer des Rheometers oder Viskosimeters eingebracht.
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Beispiel 2 (nicht erfindungsgemäß):
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Beispiel
1 wurde ohne Verwendung von 2,2,6,6-Tetramethylpiperidinyloxy wiederholt.
Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 angegeben. Der Vergleich der Beispiele
1 und 2 zeigt, dass die erhöhte
Vorvernetzungszeit mit TEMPO mit einer erheblichen Verringerung
der Vernetzungsdichte und einer leichten Erhöhung der Vernetzungszeit einhergeht.
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Beispiel 3:
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Es
wird wie im Beispiel 1 beschrieben vorgegangen, ausgenommen dass
3 g 2,2,6,6-Tetramethylpiperidinyloxy durch 4,4 g NT1 (2,2,6,6-Tetramethyl-4-piperidinyloxymethacrylat)
derart ersetzt werden, dass ein Vergleich bei äquivalenter Konzentration der
Nitroxidfunktion durchgeführt
werden kann.
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Der
Vergleich der Ergebnisse mit den in den vorstehenden Beispielen
erhaltenen zeigt eindeutig, dass Nitroxid eine Erhöhung der
Vorvernetzungszeit unter gleichzeitiger Erhöhung der Vernetzungsdichte
gestattet.
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Beispiel 4 (nicht erfindungsgemäß)
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Es
wurden 318 g der Verbindung EPDM DIN 7863 (die 100 g Ethylen-Propylen-Dien-Terpolymer
und 218 g Füllstoffe
enthielten) in einem Mischer des Banbury-Typs mit einem Volumen
von 350 cm3 bei 50°C für 5 min bei einer Geschwindigkeit
von 50 Umdrehungen/min konditioniert. Es wurden 8 g Luperox F40ED
(40% Di-(tert.-butylperoxysiopropyl)benzol
und 60% inerte Füllstoffe)
hinzugefügt
und für
5 min bei 50°C
und einer Geschwindigkeit von 50 Umdrehungen/min zurr Extrusionsmasse
vermischt.
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Beispiel 5 (nicht erfindungsgemäß)
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Es
wird wie im Beispiel 4 vorgegangen, ausgenommen dass zusätzlich zu
Luperox F40ED 0,677 g 4-Hydroxy-2,2,6,6-tetramethylpiperidinyloxy
(OH-TEMPO) hinzugefügt
werden.
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Beispiel 6:
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Es
wird wie im Beispiel 5 vorgegangen, ausgenommen dass an Stelle von
OH-TEMPO 0,931 g NT1 hinzugefügt
werden.