DE4137278C2 - Gemische kettenförmiger und cyclischer Siloxane bzw. Siloxan-Oligomerer, Verfahren zu deren Herstellung sowie ihre Verwendung - Google Patents
Gemische kettenförmiger und cyclischer Siloxane bzw. Siloxan-Oligomerer, Verfahren zu deren Herstellung sowie ihre VerwendungInfo
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Description
Gegenstand der Erfindung sind Gemische kettenförmiger und cyclischer Siloxane bzw. Siloxan-Oligomerer
der allgemeinen Formeln I und II,
in denen m eine ganze Zahl von 0 bis 8, n eine ganze Zahl von 2 bis 8 bedeutet, die Substituenten R aus
Vinyl-Gruppen, Methoxy- und/oder Ethoxy-Gruppen und/oder gegebenenfalls Alkyl-, Isoalkyl- oder Cycloalkyl-
Gruppen mit 1 bis 18 C-Atomen bestehen, wobei pro Silicium-Atom höchstens ein Vinyl-Substituent auftritt, das
Molverhältnis von Vinyl- zu Alkoxy-Substituenten 1 : 1 bis 1 : 8 und das Molverhältnis von Vinyl- zu Alkyl-, Isoalkyl- oder Cycloalkyl-Sub
stituenten 1 : 0 bis 1 : 8 beträgt.
Weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung der genannten Gemische durch geziel
te, sauer katalysierte Hydrolyse sowie die Verwendung dieser Gemische als Vernetzungsmittel für thermoplasti
sche Polyolefine.
Es ist bekannt, für die Herstellung hochwertiger Kabelisoliermassen eingesetztes Hochdruckpolyethylen mit
Vinyltrimethoxysilan zu vernetzen. Dieses Verfahren hat den besonderen Nachteil der hohen Flüchtigkeit des
Vinyltrimethoxysilans, so daß bei der Verarbeitung hohe Verluste auftreten, die sich umweltbelastend auswirken
und wegen der Toxizität des Vinyltrimethoxysilans auch ein Sicherheitsrisiko darstellen. Andererseits werden
durch die Flüchtigkeit des Vinyltrimethoxysilans bei der Verarbeitung unwillkommene Qualitätsschwankungen
im Vernetzungsprodukt hinsichtlich der dielektrischen Eigenschaften und der von der Vernetzungsdichte und
-homogenität abhängigen mechanischen Werte verursacht. Es ist daher auch schon versucht worden, anstatt des
Vinyltrimethoxysilans das Vinyl-tris-2-methoxyethoxysilan einzusetzen, wobei teilweise bessere Ergebnisse er
zielt wurden. Von ganz besonderem Nachteil hierbei ist jedoch die extreme Giftigkeit des bei der Vernetzungs
reaktion entstehenden 2-Methoxyethanols. Es wird daher angestrebt, dieses Vernetzungsverfahren wegen zu
hoher langzeittoxikologischer Risiken aufzugeben. Darüber hinaus stellt die elektrotechnische Industrie an die
vernetzten Kabelisoliermassen höhere Anforderungen hinsichtlich dielektrischer, thermischer und mechani
scher Eigenschaften, als bisher realisiert werden konnten.
Die Vernetzung von Niederdruckpolyethylen ist für eine Reihe von Anwendungszwecken, die insbesondere
eine höhere thermische Anforderung stellen (z. B. Rohre für Warmwasser), zur Verbesserung der Formstabilität
wichtig. Es gab dafür aber bisher noch keine praktikable Lösung.
Es bestand daher das Problem, vernetzende Stoffe aufzufinden, die die geschilderten Nachteile nicht zeigen
und die physikalischen Eigenschaften der Werkstoffe in der erwünschten Weise verbessern.
Die Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen zu dieser Problemstellung zeigten, daß die erfindungs
gemäßen Gemische kettenförmiger und cyclischer Siloxane bzw. Siloxan-Oligomerer der allgemeinen Formeln I
und II das Problem in einfacher und fortschrittlicher Weise lösen: Sie verbessern die physikalischen Werkstoffei
genschaften überraschend, selbst bei wesentlich geringeren Einsatzkonzentrationen als bisher erforderlich,
erlauben sauberes und verlustfreies Arbeiten und mindern die toxikologischen Risiken erheblich. Als Siloxane
werden hierbei die Verbindungen der allgemeinen Formel I für m = 0 bezeichnet. Die erfindungsgemäßen
Gemische sind bisher nicht bekannt.
Die Herstellung der erfindungsgemäßen Gemische erfolgt aus Vinyltrialkoxysilanen, gegebenenfalls im Ge
misch mit Alkyltrialkoxysilanen und/oder Tetraalkoxysilanen durch Hydrolyse bzw. Cohydrolyse in Lösung des
den Alkoxy-Gruppen entsprechenden Alkohols mit einer auf den erforderlichen Oligomerisierungsgrad berech
neten Menge Wasser unter saurer Katalyse mit Chlorwasserstoff als Katalysator und anschließender Abtren
nung des freien Alkohols und des Katalysators, z. B. mit üblichen destillativen Methoden, sowie gegebenenfalls
destillative Aufarbeitung der Produkte.
Als Vinyltrialkoxysilane werden Vinyltrimethoxysilan oder Vinyltriethoxysilan eingesetzt. Erfindungsgemäß
eingesetzte Alkyltrialkoxysilane sind beispielsweise
Ethyltriethoxysilan,
Propyltrimethoxysilan,
Isobutyltrimethoxysilan,
Cyclohexyltriethoxysilan,
Cyclopentyltrimethoxysilan,
Octyltrimethoxysilan,
Doedecyltrimethoxysilan,
Tetradecyltrimethoxysilan,
Octadecyltrimethoxysilan.
Ethyltriethoxysilan,
Propyltrimethoxysilan,
Isobutyltrimethoxysilan,
Cyclohexyltriethoxysilan,
Cyclopentyltrimethoxysilan,
Octyltrimethoxysilan,
Doedecyltrimethoxysilan,
Tetradecyltrimethoxysilan,
Octadecyltrimethoxysilan.
Als Tetraalkoxysilane werden Tetramethoxy- oder Tetraethoxysilan eingesetzt.
Die Silane werden im gewünschten Verhältnis, vorzugsweise bei Raumtemperatur, vorgemischt, mit der 0,2-
bis 8fachen Gewichtsmenge Alkohol (die die auf den gewünschten Oligomerisierungsgrad berechnete Wasser
menge sowie Chlorwasserstoff als sauren Katalysator enthält) verdünnt und bei 20 bis 80°C auskondensiert.
Vorzugsweise beträgt die HCl-Konzentration im Wasser/Alkohol-Gemisch 3 bis 3000 ppm. Nach Beendigung
der Kondensation werden die freien Alkohole und der Chlorwasserstoff destillativ abgezogen. Im Reaktor
verbleiben die neutralen Gemische der kettenförmigen und cyclischen Siloxane bzw. Siloxan-Oligomeren der
allgemeinen Formeln I und II, die in der Regel nicht weiter gereinigt werden müssen, sondern sofort als
Vernetzungsmittel einsetzbar sind.
Zur Verwendung als Vernetzungsmittel für Kabelmassen werden die entsprechend dem vorstehenden Absatz
hergestellten erfindungsgemäßen Gemische in an sich bekannter Weise mit Hilfe von Peroxiden auf thermopla
stische Polyolefine aufgepfropft und die resultierenden Pfropfpolymerisate hydrolytisch vernetzt. Die Werk
stoffeigenschaften der so erhaltenen Produkte sind den nach herkömmlichen Methoden erzielten Ergebnissen
überlegen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Beispiele näher erläutert.
In einem Rührreaktor mit Destillationseinrichtung und Vakuumanschluß wurden bei bis zu 20°C 74 kg
Vinyltrimethoxysilan und 44,2 kg Methyltrimethoxysilan vermischt. Das Gemisch wurde mit einer 2400 ppm
Chlorwasserstoff enthaltenden Lösung von 9,28 kg destilliertem Wasser in 61,9 kg Methanol versetzt. Die
Temperatur stieg innerhalb von 31 Minuten auf 38°C. Nach insgesamt 16 Stunden wurde das gesamte Methanol
(ca. 85 kg) samt HCl-Gehalt bei ca. 300 mbar innerhalb ca. 3 Stunden vollständig abdestilliert. Danach wurde das
Oligomerengemisch bis zu einem Druck von ca. 1 mbar in dem Siedeintervall zwischen 48 und 92°C nahezu
rückstandsfrei destilliert (Ausbeute ca. 93 kg). Der Siedepunkt des Produktes unter Normaldruck lag bei ca.
214°C.
100 Gewichtsteile (T) Hochdruckpolyethylen wurden zusammen mit 2 T Oligomer-Produkt (aus Beispiel 1a)
und 0,2 T Dicumylperoxid bei 182°C plastifiziert und nach Einarbeitung von 0,05 T Dibutylzinndilaurat zu
Normprüfkörpern extrudiert, die 24 Stunden lang durch Wasserbehandlung bei 95°C vernetzt wurden.
Vernetzungsgrad: Gelfraktion ≈ 100% (keine löslichen Bestandteile mehr extrahierbar).
Vernetzungsgrad: Gelfraktion ≈ 100% (keine löslichen Bestandteile mehr extrahierbar).
Aus den Werten geht hervor, daß das mit dem erfindungsgemäßen Gemisch vernetzte Polyethylen auch nach
Wasserlagerung bei erhöhter Temperatur sehr gute Werte aufweist.
100 Gewichtsteile (T) Hochdruckpolyethylen wurden zusammen mit 5 T Vinyltrimethoxysilan, 0,2 T Dicu
mylperoxid und 0,05 T Dibutylzinndilaurat bei 180°C plastifiziert und zu Normprüfkörpern extrudiert, die in 24
Stunden bei 95°C durch Wasserbehandlung vernetzt wurden.
Vernetzungsgrad: Gelfraktion ca. 72% (ca. 28% lösliche Bestandteile extrahierbar).
Vernetzungsgrad: Gelfraktion ca. 72% (ca. 28% lösliche Bestandteile extrahierbar).
Der Vernetzungsgrad des Polyethylens in diesem Vergleichsbeispiel ist unvollständig. Die dielektrischen
Eigenschaften nach Wasserlagerung sind erheblich schlechter als die entsprechenden Werte trocken bei Raum
temperatur.
100 Gewichtsteile (T) Hochdruckpolyethylen wurden zusammen mit 2 T Vinyl-tris-(2-Methoxyethoxy)-silan,
0,2 T Dicumylperoxid und 0,05 T Dibutylzinndilaurat bei 183°C plastifiziert und zu Normprüfkörpern extrudiert,
die 24 Stunden bei 95°C durch Wasserbehandlung vernetzt wurden.
Vernetzungsgrad: Gelfraktion ca. 82 bis 83% (ca. 17% lösliche Bestandteile extrahierbar).
Vernetzungsgrad: Gelfraktion ca. 82 bis 83% (ca. 17% lösliche Bestandteile extrahierbar).
Auch hier sind nach Wasserlagerung die dielektrischen Eigenschaften merklich ungünstiger als vorher.
N einem Rührreaktor mit Destillationseinrichtung und Vakuumanschluß wurden bei 20°C 57 kg Vinyltriet
hoxysilan, 12,5 kg Tetraethoxysilan und 41,4 kg Octyltriethoxysilan vermischt und das Gemisch mit einer
1700 ppm Chlorwasserstoff enthaltenden Lösung von 11,61 kg destilliertem Wasser in 51,4 kg Ethanol versetzt.
Die Temperatur stieg innerhalb von 53 Minuten auf 34°C. Nach insgesamt 18 Stunden wurde das gesamte
Ethanol (ca. 81 kg) samt HCl-Gehalt bei ca. 200 mbar und gegen Ende bei ca. 160°C Blasentemperatur und
vollem Vakuum (ca. 1 mbar) innerhalb 2 bis 3 Stunden vollständig abgezogen. Es wurden ca. 92 kg nichtflüchtiges
Oligomerengemisch erhalten.
100 Gewichtsteile (T) Niederdruckpolyethylen hoher Dichte wurden zusammen mit 3 T Oligomer-Produkt
(aus Beispiel 4a) und 0,2 T Ditertiärbutylperoxid bei 239°C plastifiziert. Die homogene Polymerschmelze wurde
nach Einarbeitung von 0,05 T Dibutylzinndilaurat zu Prüfkörpern extrudiert, die 24 Stunden durch Wasserbe
handlung bei 95°C vernetzt wurden.
Vernetzungsgrad: Gelfraktion ≈ 100% (keine löslichen Bestandteile extrahierbar).
Vernetzungsgrad: Gelfraktion ≈ 100% (keine löslichen Bestandteile extrahierbar).
Das mit dem erfindungsgemäßen Gemisch vernetzte Polyethylen wies einen praktisch vollständigen Vernet
zungsgrad auf. Die dielektrischen Werte wurden nicht gemessen.
100 Gewichtsteile (T) Niedruckpolyethylen hoher Dichte wurden mit 5 T Vinyltrimethoxysilan, 0,2 T Dicu
mylperoxid und 0,05 T Dibutylzinndilaurat bei 236°C plastifiziert, wobei Stippenbildung eintrat. Die extrudierten
Prüfkörper waren inhomogen und enthielten Stippen und "Fischaugen".
Vernetzungsgrad: Gelfraktion ca. 16%.
Vernetzungsgrad: Gelfraktion ca. 16%.
Der Vernetzungsgrad des Polyethylens war unvollständig. Die dielektrischen Werte wurden nicht bestimmt.
In einem Rührreaktor mit Destillationseinrichtung und Vakuumanschluß wurden bei 20°C 44,4 kg Vinyltrime
thoxysilan mit einer 1100 ppm Chlorwasserstoff enthaltenden Lösung von 3,38 kg Wasser in 22,5 kg Methanol
versetzt. Die Temperatur stieg innerhalb von 26 Minuten auf 36°C. Nach insgesamt 13 Stunden wurde das
gesamte Methanol (ca. 34,5 kg) samt HCl-Gehalt bei ca. 300 mbar vollständig abdestilliert innerhalb ca. 2 bis 3
Stunden. Danach wurde das Oligomerengemisch bei ca. 1 mbar in dem Siedeintervall zwischen 45°C und 90°C
nahezu rückstandsfrei destilliert (Ausbeute ca. 32 kg). Der Produktsiedepunkt unter Normaldruck lag bei ca.
202°C.
100 Gewichtsteile (T) Hochdruckpolyethylen wurden zusammen mit 1,4 T Oligomer-Produkt (aus Beispiel 6a)
und 0,14 T Dicumylperoxid bei 195°C plastifiziert, wobei die Viskosität des Ansatzes merklich anstieg, und nach
Einarbeitung von 0,05 T Dibutylzinndilaurat zu Prüfkörpern extrudiert, die 24 Stunden durch Wasserbehandlung
bei 95°C vernetzt wurden.
Vernetzungsgrad: Gelfraktion ca. 97% (2 bis 3% lösliche Bestandteile).
Vernetzungsgrad: Gelfraktion ca. 97% (2 bis 3% lösliche Bestandteile).
Im Gegensatz zu Beispiel 10 (Vergleichsbeispiel) wurde ein Oligomerengemisch erhalten, welches bei der
Vernetzung von Hochdruckpolyethylen einsetzbar ist.
100 Gewichtsteile (T) Niederdruckpolyethylen hoher Dichte wurden mit 1 T Oligomer-Produkt (aus Beispiel
6a) und 0,1 T Ditertiärbutylperoxid bei 252°C plastifiziert und nach Einarbeitung von 0,05 T Dibutylzinndilaurat
zu Prüfkörpern extrudiert, die 24 Stunden durch Wasserbehandlung bei 95°C vernetzt wurden.
Vernetzungsgrad: Gelfraktion ca. 100% (kaum lösliche Bestandteile extrahierbar).
Bemerkungen: siehe Beispiel 4b).
Vernetzungsgrad: Gelfraktion ca. 100% (kaum lösliche Bestandteile extrahierbar).
Bemerkungen: siehe Beispiel 4b).
Analog Beispiel 6a) wurde ein Gemisch aus 38 kg Vinyltriethoxysilan und 16,4 kg Tetraethoxysilan mit einer
2600 ppm Chlorwasserstoff enthaltenden Lösung von 3,24 kg Wasser in 38,2 kg Ethanol zu ca. 40 kg Oligomeren
umgesetzt.
Dieses Beispiel zeigt den erfindungsgemäßen Einsatz von Tetraethoxysilan.
Analog Beispiel 1 wurde ein Gemisch von 29,6 kg Vinyltrimethoxysilan, 20,2 kg Isobutyltrimethoxysilan und
9,1 kg Tetramethoxysilan mit einer Lösung von 6,66 kg Wasser in 71 kg Methanol zu ca. 40,8 kg Oligomer
umgesetzt.
Dieses Beispiel zeigt den erfindungsgemäßen Einsatz eines Isoalkyltrialkoxysilans.
Analog Beispiel 6 wurden 44,4 kg Vinyltrimethoxysilan bei 20°C mit einer 1100 ppm Chlorwasserstoff enthal
tenden Lösung von 3,38 g Wasser in 22,5 g Methanol versetzt und 36 Stunden lang bei 40°C gerührt. Die
Destillation ergab ca. 30 g Methanol, ca. 21 g Vinyltrimethoxysilan und ca. 12 g festen polymeren Rückstand.
Bei diesem Vergleichsbeispiel blieb der Katalysator (HCl) im Reaktionsgemisch. Das Kondensatgemisch
disproportionierte zu Monomerem und Hochpolymerem.
Claims (4)
1. Gemische kettenförmiger und cyclischer Siloxane bzw. Siloxan-Oligomerer der allgemeinen Formeln I
und II,
in denen m eine ganze Zahl von 0 bis 8, n eine ganze Zahl von 2 bis 8 bedeutet, die Substituenten R aus Vinyl-Gruppen, Methoxy- und/oder Ethoxy-Gruppen und/oder gegebenenfalls Alkyl-, Isoalkyl- oder Cyclo alkyl-Gruppen mit 1 bis 18 C-Atomen bestehen, wobei pro Silicium-Atom höchstens ein Vinyl-Substituent auftritt, das Molverhältnis von Vinyl- zu Alkoxy-Substituenten 1 : 1 bis 1 : 8 und das Molverhältnis von Vinyl- zu Alkyl-, Isoalkyl- oder Cykloalkyl-Substituenten 1 : 0 bis 1 : 8 beträgt.
in denen m eine ganze Zahl von 0 bis 8, n eine ganze Zahl von 2 bis 8 bedeutet, die Substituenten R aus Vinyl-Gruppen, Methoxy- und/oder Ethoxy-Gruppen und/oder gegebenenfalls Alkyl-, Isoalkyl- oder Cyclo alkyl-Gruppen mit 1 bis 18 C-Atomen bestehen, wobei pro Silicium-Atom höchstens ein Vinyl-Substituent auftritt, das Molverhältnis von Vinyl- zu Alkoxy-Substituenten 1 : 1 bis 1 : 8 und das Molverhältnis von Vinyl- zu Alkyl-, Isoalkyl- oder Cykloalkyl-Substituenten 1 : 0 bis 1 : 8 beträgt.
2. Verfahren zur Herstellung der Gemische nach Anspruch 1 durch gezielte, sauer katalysierte Hydrolyse,
dadurch gekennzeichnet, daß HCl als Katalysator, Vinyltrialkoxysilane, gegebenenfalls Alkyltrialkoxysilane
und/oder Tetraalkoxysilane, als Ausgangsprodukte eingesetzt werden und mit einer berechneten Menge
Wasser in Lösung der 0,2- bis 8fachen Gewichtsmenge an Methanol oder Ethanol, bezogen auf die Silane,
eine Kondensation bei 20 bis 80°C unter Entfernung des Katalysators und des freien Alkohols durchgeführt
wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die HCl-Konzentration im Wasser/Alkohol-
Gemisch 3 bis 3000 ppm beträgt.
4. Verwendung der Gemische nach Anspruch 1 als Vernetzungsmittel für thermoplastische Polyolefine
durch Pfropfpolymerisation und hydrolytische Auskondensation in an sich bekannter Weise.
Priority Applications (8)
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DE59209434T DE59209434D1 (de) | 1991-06-08 | 1992-05-11 | Gemische kettenförmiger und cyclischer Siloxan-Oligomerer, Verfahren zu deren Herstellung sowie ihre Verwendung |
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- 1992-05-11 DE DE59209434T patent/DE59209434D1/de not_active Expired - Lifetime
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Publication number | Publication date |
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