DE1297856B - Verfahren zur Herstellung von fuellstoffverstaerktem Kautschuk durch Strahlenvulkanisation - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von fuellstoffverstaerktem Kautschuk durch StrahlenvulkanisationInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von füllstoffverstärktem natürlichem oder
synthetischem Kautschuk durch Strahlenvulkanisation, ausgehend von einer wäßrigen Kautschukdispersion.
Die strahlenchemische Vulkanisation von Kautschuk, bei der im Gegensatz zu der herkömmlichen
Vulkanisation keine Vulkanisationsmittel benötigt werden, ist bekannt. So wird in der französischen
Zusatz-Patentschrift 64191 zur französischen Patentschrift 1079 401 ein Verfahren beschrieben, nach dem
Kautschuk' oder Elastomere, gegebenenfalls im Gemisch mit Füll- und Zusatzstoffen, in Form von Platten,
Folien oder auch in dispergierter Form durch Bestrahlung mit Elektronen von 50 keV bis 20 meV mit einer
Dosis von zumindest 3 · IO6 r vulkanisiert werden. Eine praktische Durchführungsart für die Herstellung füllstoffverstärkter
Massen oder Formteile wird in der Patentschrift aber nicht genannt.
Weiter wurde bereits von N. N. L e ζ h η e r u. a. (s. Khim. Nauka i Prom. 4 [1959] 407 und 408) der
Einfluß einer vorangehenden Bestrahlung von Ruß auf seine Verstärkungseigenschaften untersucht. Dabei
wurde allein oder mit adsorbierten Stoffen, wie Mercaptobenzothiazol, Schwefel oder auch Kautschuk,
bestrahlter Ruß auf der Mischwalze in Kautschuk eingearbeitet, der dann thermovulkanisiert wurde. Bei
den so erhaltenen Proben wurde das mechanische Verhalten untersucht und gefunden, daß Proben mit
allein oder mit adsorbiertem Kautschuk bestrahltem Ruß gegenüber den Vergleichsproben mit unbestrahltem
Ruß geringere Werte zeigen, wobei allerdings der festgestellte Effekt von der gewählten Rußsorte
abhängt und bei gewissen Rußsorten (»Channel black«) eine ausgeprägte Wirkung beobachtet wird, wenn sie
mit chemisch adsorbiertem Kautschuk bestrahlt und ίο dann eingearbeitet werden.
Es wurde nun festgestellt, daß man füllstoffverstärkten Kautschuk durch Strahlenvulkanisation, ausgehend
von einer wäßrigen Kautschukdispersion, erhalten kann, wobei überraschenderweise besonders
gute Ergebnisse erzielt werden, wenn man sowohl die Kautschukdispersion als auch den Füllstoff getrennt
mit ionisierender Strahlung behandelt.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß man die wäßrige Kautschukdispersion
mit ionisierender Strahlung bestrahlt und mit ebenfalls vorangehend, gegebenenfalls in wäßriger
Dispersion, bestrahltem Füllstoff mischt, die Mischung koaguliert, trocknet und gegebenenfalls erhitzt.
Die vorteilhafte Wirkung des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt sich aus der nachfolgenden Zusammenstellung
von Versuchsergebnissen.
Versuchs
reihe |
Bestrahlung
Naturkautschuk latex Ruß |
Wärmebehandlung
bei IOO0C (Min.) |
Zugfestigkeit
(kg/cm2) |
Bruchdehnung
(%) |
1 (Vergleich) |
nein nein | 0 30 60 |
70 217 170 |
650 750 770 |
2 | ja ja (getrennt bestrahlt) |
0 45 120 |
176 236 208 |
750 830 850 |
3 (Vergleich) |
ja ja (gemeinsam bestrahlt) |
0 30 120 |
132 157 123 |
650 700 700 |
4 (Vergleich) |
ja nein nein ja |
30 0 |
203 105 |
800 750 |
Für diese Versuche wurde Naturkautschuklatex verwendet, der auf 60% Trockensubstanzgehalt konzentriert
und durch Ammoniak stabilisiert war. Dieser wurde mit Ausnahme der gemeinsamen Bestrahlung
unverdünnt und ohne irgendwelche Zusätze bestrahlt. Als Füllstoff wurde hochabriebfester Ofenruß verwendet.
Dieser wurde in Form einer wäßrigen Dispersion bestrahlt, die durch 48stündiges Mahlen einer
Mischung von 100 Gewichtsteilen Ruß, 600 Gewichtsteilen destilliertem Wasser, 7,5 Gewichtsteilen eines
Dispergiermittels und 30 Gewichtsteilen einer 0,4%igen wäßrigen Tragant-Gummilösung (als Eindickmittel)
erhalten wurde.
Die wäßrige Rußdispersion wurde dem vorangehend verdünnten Latex je nach Versuchsreihe vor
oder nach der Bestrahlung zugefügt, und zwar wurden je 100 Gewichtsteile 60%iger Latex mit 67 Gewichtsteilen destilliertem Wasser verdünnt und mit 100 Gewichtsteilen
Rußdispersion gemischt. Diese Mischung entspricht etwa einem Verhältnis von 22,6 Gewichtsteilen Ruß pro 100 Gewichtsteile Kautschuk.
Für die Bestrahlung wurde eine Kobalt-60-y-Strahlenquelle verwendet. Die Bestrahlung erfolgte bei
Umgebungstemperatur in dicht abgeschlossenen, weitgehend gefüllten Behältern aus Glas (»Pyrex-Glas«),
Polyäthylen od. dgl., die neben der Bestrahlungsprobe nur eine sehr geringe Luftmenge enthielten. Bestrahlt
wurde mit einer Dosis von 1,4 •IO5 r/h bis zum Empfang einer Dosis von 1,3 · IO7 r.
Die Mischung der bestrahlten Bestandteile wurde auf eine Glasplatte ausgegossen und an der Luft
getrocknet. Man erhält Filme einer Dicke von etwa lmm. Diese Filme wurden zerteilt und die Anteile
entweder unmittelbar oder nach einer Wärmebehandlung bei 100°C (in einem Trockenofen) Zugversuchen
unterworfen.
Bei der mit 1 bezeichneten Versuchsreihe wurde weder Latex noch Ruß bestrahlt. Diese Proben wurden
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mit Schwefel vulkanisiert, und zwar wurde aus wäßrigen Dispersionen eine Dispersions-Mischung hergestellt
mit folgenden Anteilen:
Naturkautschuk 100
Hochabriebfester Ofenruß 22,6
Zinkoxyd 3
Phenyl-/S-naphthylamin 2,5
Schwefel 2,5
Zinkphenyläthyldithiocarbamat 1
Die tabellarische Zusammenstellung der Versuchsergebnisse zeigt, daß durch getrennte Bestrahlung von
Latex und Füllstoff und anschließende Wärmebehandlung die besten Ergebnisse erzielt werden
können. Dabei gibt es eine günstigste Wärmebehandlungszeit, die etwa der günstigsten Vulkanisationszeit
der klassischen Verfahren entspricht. Diese Tabelle zeigt weiter, daß zwar die Bestrahlung des Latex
entscheidend sein dürfte, aber auch durch Bestrahlung von Ruß oder Füllstoff allein eine gewisse Vetbesserung
erzielt werden kann, die erstaunlicherweise zum Gesamtergebnis nur dann positiv beiträgt, wenn Ruß
und Latex getrennt bestrahlt und erst nach der Bestrahlung gemischt werden.
Die Verarbeitung wäßriger Kautschukdispersionen für die Herstellung von füllstoffverstärkten Kautschukmassen
hat gegenüber dem sonst allgemein üblichen Zumischen der Füllstoffe zum festen Rohkautschuk
in Misch- oder Knetvorrichtungen den Vorteil einer erheblichen Zeit- und Energieersparnis, und die Abwesenheit
von Schwefel oder anderen Vulkanisationsmitteln bringt bei den erfindungsgemäß hergestellten
Produkten einen weiteren Vorteil. Dabei wird durch getrennte Bestrahlung von Füllstoff und Latex erstaunlicherweise
ein besonders günstiges Ergebnis hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften des
Vulkanisats erzielt.
Gemäß der Erfindung sind selbstverständlich außer Naturkautschuk ebenso Polymerisate des Isoprens,
des Chlorbutadiens, des Butadiens und analoge Verbindungen bzw. Mischpolymerisate von Butadien und
Styrol oder Acrylnitril und ähnlichen Verbindungen verarbeitbar, wobei diese jeweils als »Latex«, d. h.
als wäßrige Dispersion der Elastomerteilchen verwendet werden.
Für die Bestrahlung kann irgendeine Strahlenquelle verwendet werden, die ionisierende Strahlen, wie
α-, β-, γ- oder Röntgenstrahlen aussendet, und beispielsweise
ein Kernreaktor, natürliche oder künstliche radioaktive Isotope, die sich außerhalb oder innerhalb
des Latex und/oder der Füllstoffe befinden, oder Teilchenbeschleuniger, wie Van-de-Graaf- oder Linearbeschleuniger
oder Röntgengeräte.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, die Bestrahlungen in kontinuierlicher Arbeitsweise vorzunehmen,
wobei man zweckmäßig dafür sorgt, daß die Bestrahlungsdosis zwischen IO4 und IO8 r liegt.
Als Füllstoff dient im wesentlichen Ruß, wie er speziell für die Verbesserung der Eigenschaften von
Kautschuk benutzt wird. Es können aber auch andere Füllstoffe benutzt werden, wie Siliciumdioxyd. Bestrahlt
wird der Füllstoff entweder trocken in pulverförmigem Zustand oder in Form einer wäßrigen
Suspension.
Die Bestrahlung des Latex und der wäßrigen Dispersion des Füllstoffes kann ohne besondere Vorkehrungen
erfolgen, d. h. bei den Materialien, die
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noch Spuren Sauerstoff enthalten, aber unter Luftabschluß oder höchstens in Gegenwart eines kleinen
Luftvolumens. Als besonders vorteilhaft erweist es sich jedoch, wenn man die enthaltenen Spuren von
Sauerstoff (beispielsweise durch Durchspülen mit einem gegenüber den Elastomeren inerten Gas, wie
Stickstoff, Kohlendioxyd oder Ammoniak) entfernt und die Bestrahlung in inerter Atmosphäre durchführt.
ίο Nach der Bestrahlung wird die wäßrige Dispersion des Elastomeren und des oder der Füllstoffe in die
Form von Körnern, Filmen, Blättchen, Platten oder anders geformten Körpern gebracht, und zwar durch
Koagulation mit Hilfe von Elektrolyten oder durch Trocknen an der Luft, im Vakuum oder in einer gegenüber
dem Elastomeren inerten Atmosphäre. Dies kann bei Umgebungstemperatur oder bei einer
wesentlich höheren Temperatur geschehen. Es kommt lediglich darauf an, das Wasser aus dem Latex und
gegebenenfalls aus der wäßrigen Suspension des oder der Füllstoffe zu entfernen.
An diese Trocknung kann sich eine Wärmebehandlung anschließen, die einer Vulkanisation verwandt
ist und den Zweck verfolgt, optimale mechanische Eigenschaften des Kautschuks zu erzielen sowie der
Masse die bestimmte, jeweils gewünschte Form zu geben. Diese Wärmebehandlung kann ihrerseits in
Luft, in Wasser, in heißem Dampf, aber auch unter Vakuum oder in inerter Atmosphäre auf einen Formkörper
oder in einer Form mit oder ohne Druck durchgeführt werden, wobei beispielsweise die Form
entweder von Hand oder mechanisch nach irgendeinem bekannten Verfahren der Formtechnik beschickt
oder gefüllt wird, beispielsweise durch Kompression, Überschieben, Injektion usw.
Nach der Bestrahlung kann die hergestellte Dispersions-Mischung oder der aus dieser Dispersion durch
Koagulieren und Trocknen gewonnene Kautschuk benutzt werden, um Gewebe, Gewirke oder Textilfäden
zu imprägnieren oder um Gegenstände oder Formteile zu überziehen, welche ihrerseits Textilien
enthalten, die zuvor imprägniert worden sind. Der Überzug kann eine dünne Deckschicht sein oder eine
mehr oder weniger starke Oberflächenschicht aus dem den Füllstoff enthaltenden Elastomeren. So kann man
beispielsweise aus der trockenen, gemäß der Erfindung erhaltenen Mischung des Elastomeren und des Füllstoffes
einen Laufstreifen auf einer neuen oder bereits benutzten Karkasse eines Auto-Luftreifens aufbringen
oder eine flüssige Deckschicht der das Elastomere des Ausgangs-Latex sowie den oder die Füllstoffe enthaltenden
Dispersions-Mischung auf einen Riemen aus gummiertem Gewebe aufbringen, um ein Förderband
oder einen Antriebsriemen herzustellen.
Es folgen Beispiele zur Erläuterung der Erfindung.
Naturkautschuklatex und die Dispersion des Füllstoffes, d. h. des bereits weiter oben genannten Rußes,
in der gleichen Zusammensetzung, wie sie ebenfalls bereits angegeben wurde, wurden wie zuvor mit einer
Dosis von 1,3 · IO7 r getrennt bestrahlt, jedoch nach vorangehender Entfernung des im Latex und der
Füllstoff-Dispersion enthaltenen oder gelösten Sauerstoffs durch 30 Minuten langes »Spülen« mit gasförmigem
Ammoniak. Die Behälter mit den beiden Flüssigkeiten wurden unmittelbar nach diesem Durchspülen
mit Gas dicht verschlossen, um jeden weiteren
Luftzutritt zu vermeiden. Der Latex und die Füllstoffdispersion wurden nach der Bestrahlung miteinander
gemischt. Nach dem Ausgießen, Trocknen an der Luft und Erhitzen während 45 Minuten auf IOOcG
erhält man bei der Prüfung der Muster die folgenden Werte:
Zugfestigkeit: 300 kg/cm2 Bruchdehnung: 775%
Diese Werte liegen weit über sämtlichen Werten, die man durch Bestrahlung in Gegenwart geringer
Luftmengen erzielen kann, und vor allem über denjenigen Werten, wie sie durch Vulkanisation der üblichen
Art unter Verwendung von Schwefel erhalten werden können.
Die Bestrahlung wurde in einem Schwimmbadreaktor in etwa 50 cm Abstand vom Reaktorkern
durchgeführt. Da dieser Reaktortyp im Vergleich zu anderen, die auch für die Bestrahlung Verwendung
finden könnten, nur verhältnismäßig wenig thermische Neutronen liefert, läßt sich hier die Aktivierung der
Bestrahlungsproben so klein wie möglich halten.
Die Reaktorleistung lag bei 2 MW; die Dosisleistung am Bestrahlungsort betrug 4 ·10β r/h; die
Bestrahlung dauerte 3 Stunden und 15 Minuten; die Bestrahlungsdosis betrug mithin 1,3 · IO7 r.
Die Dispersion des Rußes und des Naturkautschuklatex wurde jeweils für sich allein in Behältern aus
Polyäthylen bestrahlt, die mit Cadmium umhüllt waren, um die thermischen Neutronen zu absorbieren
und eine Aktivierung der im Latex und Füllstoff enthaltenen metallischen Verunreinigungen zu verhindern.
Die auf Glasplatten ausgegossenen Filme des mit Füllstoff gemischten koagulierten und getrockneten
Kautschuks wurden für einen Zugversuch vorgerichtet und hinsichtlich ihrer Zugfestigkeit und Dehnung
geprüft. Dabei ergaben sich die folgenden Resultate:
Zugfestigkeit: 240 kg/cm2 Bruchdehnung: 820%
Die Bestrahlung wurde in einem Linearbeschleuniger mit Elektronen einer Energie von 4 MeV durchgeführt
bei einer Dosisleistung von 1,8 · IO8 r/h. Die Bestrahlung dauerte 4 Minuten und 20 Sekunden, und die
gesamte Bestrahlungsdosis betrug 1,3 · IO7 r. Der aus Ruß bestehende Füllstoff und der Naturkautschuklatex
wurden jeweils getrennt für sich bestrahlt. Die Bestrahlung des Füllstoffes erfolgte in seinem pulverigen
Ausgangszustand.
Die in der bereits beschriebenen Weise hergestellten Filme zeigten bei den Versuchen die folgenden
Ergebnisse:
Zugfestigkeit: 250 kg/cm2
Bruchdehnung: 800%
Bruchdehnung: 800%
Die Bestrahlung erfolgte mit Hilfe von Röntgenstrahlen, deren Spektrum ein Energiemaximum bei
kV (150 Kilovolt-Peak) hatte, bei einer Dosisleistung von 1,2 · 106 r/h; die Bestrahlungsdauer war
Stunden und die gesamte Bestrahlungsdosis 1,2· IO7 r.
Unter den gleichen sonstigen Bedingungen wie beim Beispiel 1 zeigten die in der oben bereits beschriebenen
Weise mit getrennter Bestrahlung hergestellten Pioben bei den Zugversuchen die folgenden Resultate:
Zugfestigkeit: 235 kg/cm2 Bruchdehnung: 810%
Es wurde eine Dispersion aus Copolymerisaten von Butadien und Styrol mit 23 % Styrolgehalt bestrahlt.
Der Gehalt des Latex an Elastomer-Teilchen betrug 25 Gewichtsprozent. Die Bestrahlung des Füllstoffes
(Ruß) und des Latex erfolgte jeweils getrennt. Die anderen Bedingungen entsprachen denen des Beispielsl
(Bestrahlung mit y-Strahlen einer Kobalt-60-StrahIenquelle).
Die durch KoaguUeren und Trocknen erhaltenen verstärkten Kautschukfilme ergaben folgende Versuchswerte:
Zugfestigkeit: 150 kg/cm2 Bruchdehnung: 600%
Als Füllstoff wurde Siliciumdioxyd in derselben Art wie Ruß in einer wäßrigen Dispersion verwendet.
Die Dispersion des Füllstoffes und des Latex aus natürlichem Kautschuk wurden getrennt bestrahlt.
Die hergestellten Filme enthielten 15 Gewichtsprozent des Füllstoffes. Bei den Zugversuchen wurden die
folgenden Ergebnisse gefunden.
Zugfestigkeit: 210 kg/cm2 Bruchdehnung: 750%
35 Beim Verfahren gemäß der Erfindung, nach dem — wie die Beispiele zeigen — relativ hohe mechanische
Festigkeitswerte erzielt werden können, ersetzt die Bestrahlung des Latex, an die. sich eine einfache
Wärmebehandlung anschließt, die Vulkanisation durch besondere Vulkanisiermittel, wie Schwefel, Zinkoxyd
und Vulkanisationsbeschleuniger, und zwar bei einer Bestrahlungsdosis, die wesentlich kleiner ist als diejenige,
die im allgemeinen notwendig ist, um trockenen, mit Ruß gemischten Kautschuk zu vulkanisieren.
Hier sind Dosen von 4 · IO7 r erforderlich, und bei Anwendung bestimmter Sensibihsatoren können entsprechende
Resultate bei einer Bestrahlungsdosis in der Gegend von 2 · IO7 r erreicht werden. Gemäß der
Erfindung werden dagegen ohne Zugabe irgendwelcher chemischen Produkte gut vulkansisierte
Kautschukmassen bei einer Bestrahlungsdosis in der Gegend von IO7 r erzielt und durch nachfolgende
Wärmebehandlung von relativ kurzer Dauer die günstigsten Eigenschaften der Kautschukmischung
entwickelt.
Durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich also das sehr kostspielige Mischen
des Kautschuks bzw. sein Durcharbeiten mit den Füllstoffen vermeiden und die unterschiedüchen Vorteile
erreichen, die ein durch Bestrahlung vulkanisierter Kautschuk aufweist, wie beispielsweise das
Fehlen von Schwefel oder Mercaptanen, wobei die erforderliche Bestrahlungsdosis nur ein Viertel derjenigen
beträgt, die bei einer einfachen Bestrahlung der trockenen Kautschukmischungen aufgewandt werden
muß. Die Tatsache, daß man in flüssigem Miheu arbeiten kann, bringt darüber hinaus noch weitere
Claims (4)
1. Verfahren zur Herstellung von füllstoff verstärktem natürlichem oder synthetischem Kautschuk
durch Strahlenvulkanisation, ausgehend von einer wäßrigen Kautschukdispersion, dadurch gekennzeichnet,
daß man die wäßrige Kautschukdispersion mit ionisierenden Strahlen behandelt und mit ebenfalls vorangehend, gegebenenfalls
in wäßriger Dispersion, bestrahltem Füllstoff mischt, die Mischung koaguliert, trocknet und
gegebenenfalls erhitzt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestrahlung kontinuierlich erfolgt
und die insgesamt empfangene Strahlendosis zwischen IO4 und IO8 Röntgen liegt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man die Bestrahlung unter
Luftabschluß oder in Anwesenheit höchstens kleiner Luftmengen oder aber in inerter Atmosphäre
nach vorangehender Entfernung des Sauerstoffs durchführt.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der
Kautschukdispersion vor der Bestrahlung ein die Wirkung der ionisierenden Strahlung steigernder
Sensibilisator beigegeben wird.
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1964
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