Die vorliegende Erfindung betrifft hydrierte Nitrilkautschukpolymere
mit niedrigeren Molekulargewichten und engeren Molekulargewichtsverteilungen als
die in der Technik bekannten.
Hintergrund der Erfindung
Durch selektive Hydrierung von Acrylnitril-Butadien-Kautschuk (Nitrilkautschuk,
NBR, ein Copolymer, das mindestens ein konjugiertes Dien, mindestens ein ungesättigtes
Nitril und gegebenenfalls weitere Comonomere enthält) hergestellter hydrierter
Nitrilkautschuk (HNBR) ist ein Spezialkautschuk mit sehr guter Wärmebeständigkeit,
hervorragender Ozon- und Chemikalienbeständigkeit und ausgezeichneter Ölbeständigkeit.
Im Verein mit dem hohen Niveau mechanischer Eigenschaften des Kautschuks (insbesondere
der hohen Abriebfestigkeit) überrascht es nicht, daß HNBR u.a. breite
Anwendung auf dem Automobilsektor (Dichtungen, Schläuche, Lagerelemente), Ölsektor
(Statoren, Bohrkopfdichtungen, Ventilplatten), Elektrosektor (Kabelmäntel),
Maschinenbausektor (Räder, Walzen) und Schiffsbausektor (Rohrdichtungen, Kupplungen)
gefunden hat.
Im Handel erhältliches HNBR hat eine Mooney-Viskosität im
Bereich von 55 bis 105, ein Molekulargewicht im Bereich von 200.000 bis 500.000
g/mol, eine Polydispersität von mehr als 3,0 und einen Restdoppelbindungsgehalt
(RDB-Gehalt) im Bereich von 1 bis 18 % (bestimmt durch IR-Spektroskopie).
Der Verarbeitbarkeit von HNBR sind durch die relativ hohe Mooney-Viskosität
Beschränkungen auferlegt. Für viele Anwendungen hätte ein HNBR mit
niedrigerem Molekulargewicht und niedrigerer Mooney-Viskosität eine bessere
Verarbeitbarkeit. Es sind zahlreiche Versuche unternommen worden, das Molekulargewicht
des Polymers durch Mastikation (mechanischen Abbau) und mit chemischen Mitteln (beispielsweise
mit starken Säuren) zu verringern, aber derartige Methoden haben den Nachteil,
daß funktionelle Gruppen (wie Carbonsäure- und Ester-Gruppen) in das Polymer
eingebaut werden und die Mikrostrukur des Polymers geändert wird. Dies führt
zu nachteiligen Änderungen der Eigenschaften des Polymers. Außerdem ergeben
diese Verfahrensweisen naturgemäß Polymere mit breiter Molekulargewichtsverteilung.
Ein hydrierter Nitrilkautschuk mit einer niedrigen Mooney-Viskosität
(<55) und verbesserter Verarbeitbarkeit, aber mit der gleichen Mirkostruktur
wie die gegenwärtig erhältlichen Kautschuke, ist mit den derzeitigen Technologien
nur schwer herstellbar. Die Hydrierung von NBR zu HNBR führt zu einer Erhöhung
der Mooney-Viskosität des Rohpolymers. Dieses Mooney-Erhöhungsverhältnis
(MIR) liegt in Abhängigkeit von der Polymerqualität, dem Hydriergrad und
der Beschaffenheit des Einsatzstoffs im allgemeinen bei etwa 2. Des weiteren diktieren
mit der Herstellung von NBR selbst verbundene Einschränkungen den niedrigen
Viskositätsbereich für den HBNR-Einsatzstoff. Ein gegenwärtig erhältliches
Produkt mit einer der niedrigsten Mooney-Viskositäten ist Therban®
VP KA 8837 (von Bayer) mit einer Mooney-Viskosität von 55 (ML 1+4 bei 100°C)
und einem RDB von 18%.
Karl Zieglers Entdeckung der hohen Wirksamkeit bestimmter Metallsalze
in Kombination mit Hauptgruppen-Alkylierungsmitteln zur Förderung der Olefinpolymerisation
unter milden Bedingungen hat bis heute erheblichen Einfluß auf die chemische
Forschung und Produktion gehabt. Schon früh wurde entdeckt, daß einige
Katalysatoren vom „Ziegler-Typ" nicht nur den vorgeschlagenen Koordinations-Insertions-Mechanismus
fördern, sondern auch einen ganz anderen chemischen Prozeß bewirken, nämlich
den wechselseitigen Austausch (oder die Metathese) von Alkenen gemäß einem
Schema wie in 1 gezeigt.
Die acyclische Dien-Methathese (ADMET) wird durch verschiedenste Übergangsmetallkomplexe
sowie nichtmetallische Systeme katalysiert. Für die Metathese von Olefinen
wurden ursprünglich heterogene Katalysatorsysteme auf der Basis von Metalloxiden,
Metallsulfiden oder Metallsalzen verwendet. Große Nachteile der heterogenen
Systeme sind jedoch die begrenzte Stabilität (insbesondere gegenüber Hetero-Substituenten)
und die sich aus den zahlreichen aktiven Zentren und Nebenreaktionen ergebende mangelnde
Selektivität.
Es sind auch homogene Systeme konzipiert und zur Bewirkung der Olefinmetathese
verwendet worden. Diese Systeme bieten erhebliche Aktivitäts- und Steuerungsvorteile
gegenüber den heterogenen Katalysatorsystemen. So sind beispielsweise bestimmte
Komplexe auf Rhodium-Basis wirkungsvolle Katalysatoren für die Metathese elektronenreicher
Olefine.
Durch die Entdeckung, daß bestimmte Metall-Alkyliden-Komplexe
die Metathese von Olefinen katalysieren können, wurde die Entwicklung einer
neuen Generation gut definierter, hochaktiver Single-Site-Katalysatoren ausgelöst.
Hiervon hat Bis(tricyclohexylphosphin)-benzylidenrutheniumdichlorid (gemeinhin als
Grubbs-Katalysator bekannt) aufgrund seiner bemerkenswerten Luft- und Feuchtigkeitsunempfindlichkeit
und hohen Toleranz gegenüber verschiedenen funktionellen Gruppen die breiteste
Anwendung gefunden. Im Gegensatz zu den Metathesekatalysatoren auf Molybdän-Basis
ist dieser Rutheniumcarbenkatalysator gegenüber Säuren, Alkoholen, Aldehyden
und quartären Aminsalzen stabil und kann in verschiedenen Lösungsmitteln
(C6H6, CH2Cl2, THF, t-BuOH) verwendet
werden.
Der Verwendung der übergangsmetallkatalysierten Alkenmetathese
ist seitdem zunehmende Aufmerksamkeit als Synthesemethode zuteil geworden. Die gängigsten
Katalysatoren basieren auf Mo, W und Ru. Die Forschungsanstrengungen haben sich
hauptsächlich auf die Synthese kleiner Moleküle konzentriert, aber durch
Anwendung der Olefinmetathese auf die Polymersynthese konnten neue polymere Substanzen
mit beispiellosen Eigenschaften (wie hochstereoreguläres Polynorbornadien)
hergestellt werden.
Der Verwendung der Olefinmetathese als Mittel zur Herstellung niedermolekularer
Verbindungen aus ungesättigten Elastomeren ist wachsendes Interesse gewidmet
geworden. Das Prinzip der Molekulargewichtsverringerung von ungesättigten Polymeren
ist in 2 gezeigt. Die Verwendung eines entsprechenden
Katalysators ermöglicht die Kreuzmetathese der Ungesättigtheit des Polymers
mit dem Co-Olefin. Das Endergebnis ist die Spaltung der Polymerkette an den ungesättigten
Stellen und die Bildung von Polymerfragmenten mit niedrigerem Molekulargewicht.
Außerdem tritt bei diesem Verfahren eine „Homogenisierung" der Polymerkettenlängen
auf, die zu einer Verringerung der Polydispersität führt. Vom Standpunkt
der Anwendung und Verarbeitung aus führt eine enge Molekulargewichtsverteilung
des Rohpolymers zu verbesserten physikalischen Eigenschaften des vulkanisierten
Kautschuks, während das niedrigere Molekulargewicht für ein gutes Verarbeitungsverhalten
sorgt.
Untersucht wurde auch die sogenannte „Depolymerisation" von
Copolymeren von 1,3-Butadien mit verschiedenen Comonomeren (Styrol, Propen, Divinylbenzol
und Ethylvinylbenzol, Acrylnitril, Vinyltrimethylsilan und Divinyldimethylsilan)
in Gegenwart von klassischen Mo- und W-Katalysatorsystemen. Ebenso wurde 1988 über
den Abbau eines Nitrilkautschuks unter Verwendung von WCl6 und SnMe4
oder PhC≡CH als Cokatalysator berichtet. Das Hauptaugenmerk dieser Forschungsarbeiten
lag jedoch nur auf der Herstellung von Molekülfragmenten, die mit herkömmlichen
chemischen Mitteln charakterisiert werden konnten, und enthält keinerlei Lehre
bezüglich der Herstellung von niedermolekularen Nitrilkautschukpolymeren. Des
weiteren sind derartige Verfahren ungesteuert und ergeben eine breite Palette von
Produkten.
Möglich ist auch die katalytische Depolymerisation von 1,4-Polybutadien
in Gegenwart von substituierten Olefinen oder Ethylen (als Kettenübertragungsmittel)
in Gegenwart von gut definierten Grubbs- oder Schrock-Katalysatoren. In der
US-PS 5,446,102 wurde die Verwendung von
Molybdän- oder Wolframverbindungen der allgemeinen Strukturformel {M(=NR1(OR2)2(=CHR);
M = Mo, W} zur Herstellung von niedermolekularen Polymeren oder Oligomeren aus gelierten
Polymeren mit interner Ungesättigtheit entlang der Polymerhauptkette beansprucht.
Das beschriebene Verfahren ist jedoch wiederum ungesteuert, und es gibt keinerlei
Lehre bezüglich der Herstellung von niedermolekularen Nitrilkautschukpolymeren.
Kurze Darstellung der Erfindung
Es wurde nun entdeckt, daß hydrierter Nitrilkautschuk mit niedrigeren
Molekulargewichten und engeren Molekulargewichtsverteilungen als die im Stand der
Technik bekannten durch Olefinmetathese von Nitril-Butadien-Kautschuk und nachfolgende
Hydrierung des erhaltenen metathesierten NBR hergestellt werden kann.
Gegenstand der offenbarten Erfindung ist somit ein hydrierter Nitrilkautschuk
mit einem Molekulargewicht (Mw) im Bereich von 30.000 bis 250.000 g/mol,
einer Mooney-Viskosität (ML 1+4 bei 100°C) im Bereich von 3 bis 50 und
einer Molekulargewichtsverteilung (bzw. einem Polydispersitätsindex) von weniger
als 2,5.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung des hydrierten
Nitrilkautschuks zur Herstellung eines Formteils, wie einer Dichtung, eines Schlauchs,
eines Lagerelements, eines Stators, einer Bohrkopfdichtung, einer Ventilplatte,
eines Kabelmantels, eines Rads, einer Walze, einer Rohrdichtung oder einer Schuhwerkkomponente.
Beschreibung der Erfindung
In der gesamten vorliegenden Beschreibung soll der Begriff „Nitrilpolymer"
eine breite Bedeutung haben und ein Copolymer umfassen, das von mindestens einem
konjugierten Dien, mindestens einem &agr;,&bgr;-ungesättigten Nitril und
gegebenenfalls einem oder mehreren weiteren copolymerisierbaren Monomeren abgeleitete
Wiederholungseinheiten aufweist.
Bei dem konjugierten Dien kann es sich um ein beliebiges bekanntes
konjugiertes Dien handeln, insbesondere ein konjugiertes C4-C6-Dien.
Bevorzugte konjugierte Diene sind Butadien, Isopren, Piperylen, 2,3-Dimethylbutadien
und Gemische davon. Noch weiter bevorzugte konjugierte C4-C6-Diene
sind Butadien, Isopren und Gemische davon. Das ganz besonders bevorzugte konjugierte
C4-C6-Dien ist Butadien.
Bei dem alpha,beta-ungesättigten Nitril kann es sich um ein beliebiges
bekanntes alpha,beta-ungesättigtes Nitril handeln, insbesondere ein &agr;,&bgr;-ungesättigtes
C3-C5-Nitril. Bevorzugte &agr;,&bgr;-ungesättigte
C3-C5-Nitrile sind Acrylnitril, Methacrylnitril, Ethacrylnitril
und Gemische davon. Das ganz besonders bevorzugte &agr;,&bgr;-ungesättigte
C3-C5-Nitril ist Acrylnitril.
Vorzugsweise enthält das Copolymer im Bereich von 40 bis 85 Gewichtsprozent
von einem oder mehreren konjugierten Dienen abgeleitete Wiederholungseinheiten und
im Bereich von 15 bis 60 Gewichtsprozent von einem oder mehreren ungesättigten
Nitrilen abgeleitete Wiederholungseinheiten. Besonders bevorzugt enthält das
Copolymer im Bereich von 60 bis 75 Gewichtsprozent von einem oder mehreren konjugierten
Dienen abgeleitete Wiederholungseinheiten und im Bereich von 25 bis 40 Gewichtsprozent
von einem oder mehreren ungesättigten Nitrilen abgeleitete Wiederholungseinheiten.
Ganz besonders bevorzugt enthält das Copolymer im Bereich von 60 bis 70 Gewichtsprozent
von einem oder mehreren konjugierten Dienen abgeleitete Wiederholungseinheiten und
im Bereich von 30 bis 40 Gewichtsprozent von einem oder mehreren ungesättigten
Nitrilen abgeleitete Wiederholungseinheiten.
Gegebenenfalls kann das Copolymer ferner von einem oder mehreren copolymerisierbaren
Monomeren, wie ungesättigten Carbonsäuren, abgeleitete Wiederholungseinheiten
enthalten. Nicht einschränkende Beispiele für geeignete ungesättigte
Carbonsäuren sind Fumarsäure, Maleinsäure, Acrylsäure, Methacrylsäure
und Gemische davon. Von einem oder mehreren copolymerisierbaren Monomeren abgeleitete
Wiederholungseinheiten ersetzen entweder das Nitril oder den Dienteil des Nitrilkautschuks;
die obigen Zahlenangaben müssen so eingestellt werden, daß sie 100 Gewichtsprozent
ergeben, wie für den Fachmann leicht ersichtlich ist. Im Fall der erwähnten
ungesättigten Carbonsäuren enthält der Nitrilkautschuk vorzugsweise
von einem oder mehreren copolymerisierbaren Monomeren abgeleitete Wiederholungseinheiten
im Bereich von 1 bis 10 Gewichtsprozent, bezogen auf den Kautschuk, wobei diese
Menge eine entsprechende Menge des konjugierten Diolefins ersetzt.
Andere bevorzugte fakultative weitere Monomere sind ungesättigte
Mono- oder Dicarbonsäuren oder Derivate davon (z. B. Ester, Amide und dergleichen)
einschließlich von Gemischen davon.
Der erfindungsgemäße HNBR ist in einer zweistufigen Synthese,
die in dem gleichen Reaktionsaufbau oder verschiedenen Reaktoren stattfinden kann,
leicht erhältlich.
Schritt 1: Metathese
Die Metathesereaktion wird in Gegenwart einer oder mehrerer Verbindungen
der allgemeinen Formeln I, II, III oder IV durchgeführt:
Formel I
worin: M für Os oder Ru steht,
R und R1 unabhängig voneinander für Wasserstoff oder einen
Kohlenwasserstoff aus der Gruppe bestehend aus C2-C20-Alkenyl,
C2-C20-Alkinyl, C1-C20-Alkyl, Aryl,
C1-C20-Carboxylat, C1-C20-Alkoxy, C2-C20-Alkenyloxy,
C2-C20-Alkinyloxy, Aryloxy, C2-C20-Alkoxycarbonyl,
C1-C20-Alkylthio, C1-C20-Alkylsulfonyl
und C1-C20-Alkylsulfinyl stehen,
X und X1 unabhängig voneinander für einen anionischen Liganden
stehen und
L und L1 unabhängig voneinander für einen neutralen Liganden,
wie Phosphine, Amine, Thioether oder Imidazolidine, oder ein neutrales Carbin stehen
und gegebenenfalls unter Bildung eines zweizähnigen neutralen Liganden miteinander
verbunden sein können;
Formel II
worin:
M1 für Os oder Ru steht,
R2 und R3 unabhängig voneinander für Wasserstoff
oder einen Kohlenwasserstoff aus der Gruppe bestehend aus C2-C20-Alkenyl,
C2-C20-Alkinyl, C1-C20-Alkyl, Aryl,
C1-C20-Carboxylat, C1-C20-Alkoxy, C2-C20-Alkenyloxy,
C2-C20-Alkinyloxy, Aryloxy, C2-C20-Alkoxycarbonyl,
C1-C20-Alkylthio, C1-C20-Alkylsulfonyl
und C1-C20-Alkylsulfinyl stehen,
X2 für einen anionischen Liganden steht und
L2 für einen neutralen &pgr;-gebundenen Liganden steht, unabhängig
davon, ob mono- oder polycyclisch,
L3 für einen Liganden aus der Gruppe bestehend aus Phosphanen, sulfonierten
Phosphinen, fluorierten Phosphinen, funktionalisierten Phosphinen mit bis zu drei
Aminoalkyl-, Ammoniumalkyl-, Alkoxyalkyl-, Alkoxycarbonylalkyl-, Hydroxycarbonylalkyl-,
Hydroxylalkyl- oder Ketoalkylgruppen, Phosphiten, Phosphiniten, Phosphoniten, Phosphinaminen,
Arsinen, Stibinen, Ethern, Aminen, Amiden, Iminen, Sulfoxiden, Thioethern und Pyridinen
steht,
Y- für ein nichtkoordinierendes Anion steht,
&pgr; für eine ganze Zahl im Bereich von 0 bis 5 steht;
Formel III
worin:
M2 für Mo oder W steht,
R4 und R5 unabhängig voneinander für Wasserstoff
oder einen Kohlenwasserstoff aus der Gruppe bestehend aus C2-C20-Alkenyl
, C2-C20-Alkinyl , C1-C20-Alkyl , Aryl
, C1-C20-Carboxylat, C1-C20-Alkoxy,
C2-C20-Alkenyloxy, C2-C20-Alkinyloxy,
Aryloxy, C2-C20-Alkoxycarbonyl, C1-C20-Alkylthio,
C1-C20-Alkylsulfonyl und C1-C20-Alkylsulfinyl
stehen,
R6 und R7 unabhängig voneinander unter unsubstituierten
oder halogensubstituierten Alkyl-, Aryl- oder Aralkylgruppen oder siliciumhaltigen
Analogen davon ausgewählt sind; Formel VI
worin:
M für Os oder Ru steht,
R und R1 unabhängig voneinander aus der Gruppe bestehend aus Wasserstoff,
substituiertem oder unsubstituiertem Alkyl und substituiertem oder unsubstituiertem
Alkyl ausgewählt sind,
X und X1 unabhängig voneinander für einen anionischen Liganden
stehen und
L und L1 unabhängig voneinander für einen neutralen Liganden,
wie Phosphine, Amine, Thioether oder Imidazolidine, oder ein neutrales Carbin stehen
und gegebenenfalls unter Bildung eines zweizähnigen neutralen Liganden miteinander
verbunden sein können.
Verbindungen der Formel I sind bevorzugt. Noch weiter bevorzugt sind
Verbindungen der Formel I, worin L und L1 für Trialkylphosphine
stehen, X und X1 für Chloridionen stehen und M für Ruthenium
steht.
Die Verbindungsmenge hängt von der Beschaffenheit und der katalytischen
Aktivität der betreffenden Verbindungen ab. In der Regel liegt das Verhältnis
von Verbindungen) zu NBR im Bereich von 0,005 bis 5, vorzugsweise im Bereich von
0,025 bis 1 und besonders bevorzugt im Bereich von 0,1 bis 0,5.
Die Metathesereaktion wird in Gegenwart eines Co-Olefins durchgeführt,
bei dem es sich vorzugsweise um ein lineares oder verzweigtes C2- bis
C16-Olefin, wie Ethylen, Isobuten, Styrol oder 1-Hexen, handelt. Wenn
das Co-Olefin flüssig ist (wie 1-Hexen), liegt die Menge des eingesetzten Co-Olefins
vorzugsweise im Bereich von 1 bis 200 Gew.-%. Wenn das Co-Olefin ein Gas ist (wie
Ethylen), wird die Menge des Co-Olefins so gewählt, daß sich im Reaktionsgefäß
ein Druck im Bereich von 1·105 Pa bis 1·107 Pa,
vorzugsweise im Bereich von 5,2·105 Pa bis 4·106
Pa, einstellt.
Die Metathesereaktion kann in einem geeigneten Lösungsmittel
durchgeführt werden, welches den Katalysator nicht desaktiviert und die Reaktion
auch nicht anderweitig stört. Bevorzugte Lösungsmittel sind u.a. Dichlormethan,
Benzol, Toluol, Tetrahydrofuran, Cyclohexan und dergleichen. Das ganz besonders
bevorzugte Lösungsmittel ist Monochlorbenzol (MCB). In bestimmten Fällen
kann das Co-Olefin selbst als Lösungsmittel fungieren (beispielsweise 1-Hexen),
so daß kein anderes Lösungsmittel erforderlich ist.
Die Konzentration des Nitrilpolymers (NBR) in der Reaktionsmischung
ist nicht kritisch, sollte aber natürlich so sein, daß die Reaktion nicht
behindert wird, wenn die Mischung beispielsweise zu viskos ist, um effizient gerührt
zu werden. Vorzugsweise liegt die Konzentration des NBR in der Reaktionsmischung
im Bereich von 1 bis 20 Gew.-%, ganz besonders bevorzugt im Bereich von 6 bis 15
Gew.-%.
Die Metathesereaktion wird bei einer Temperatur im Bereich von 20
bis 140°C, vorzugsweise im Bereich von 60 bis 120°C, durchgeführt.
Die Reaktionszeit hängt von einer Reihe von Faktoren ab, u.a.
der Konzentration der Kautschuklösung, der verwendeten Katalysatormenge und
der Temperatur, bei der die Reaktion durchgeführt wird. Die Metathese ist unter
typischen Bedingungen in der Regel innerhalb der ersten zwei Stunden beendet. Der
Fortschritt der Metathese kann durch Standard-Analytik verfolgt werden, z.B. mittels
GPC oder Lösungsviskosität. Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung wurde
die Molekulargewichtsverteilung des Polymers stets durch Gelpermeationschromatographie
(GPC) unter Verwendung eines Separation Module 2690 von Waters und eines Differential
Refractometer 410 von Waters mit Millenium-Software Version 3.05.01 von Waters bestimmt.
Proben wurden in mit 0,025% BHT stabilisiertem Tetrahydrofuran (THF) gelöst.
Als Säulen für die Bestimmung dienten drei hintereinandergeschaltete Mixed-B-Gel-Säulen
von Polymer Labs. Als Referenzstandards dienten Polystyrol-Standards von American
Polymer Standards Corp.
Schritt 2: Hydrierung
Nach der Metathesereatkion muß das Nitrilpolymer zu einem teil-
oder vollhydrierten Nitrilpolymer (HNBR) hydriert werden. Die Reduktion
des Produkts aus der Metathesereaktion kann nach an sich bekannten Standardreduktionstechniken
erfolgen. So kann man beispielsweise dem Fachmann bekannte homogene Hydrierkatalysatoren
verwenden, wie Wilkinson-Katalysator {(PPh3)3RhCl} und dergleichen.
Die Hydrierung kann in situ durchgeführt werden, d.h. in demselben
Reaktionsgefäß, in dem der Metatheseschritt durchgeführt wird, und
ohne daß das metathesierte Produkt vorher isoliert werden muß. Dazu wird
der Hydrierkatalysator einfach in das Reaktionsgefäß gegeben, welches
dann zur Herstellung des HNBR mit Wasserstoff behandelt wird.
Grubbs-Katalysator wird in Gegenwart von Wasserstoff in einen Dihydridkomplex
(PR3)2RuCl2H2 umgewandelt, der selbst
ein Olefin-Hydrierkatalysator ist. Somit wurde bei einer günstigen Eintopfreaktion
Grubbs-Katalysator zur Verringerung des Molekulargewichts von NBR in Gegenwart von
Co-Olefin verwendet. Dann wurde die Reaktionsmischung mit Wasserstoff behandelt,
wodurch der Grubbs-Komplex in die Dihydridspezies umgewandelt wurde, welche dann
das Metatheseprodukt zu dem erfindungsgemäßen HNBR hydrierte. Die Hydrierungsgeschwindigkeit
war in diesem Fall kleiner als bei Verwendung von Wilkinson-Katalysator für
den Hydrierungsschritt, aber es ist klar, daß eine derartige Vorgehensweise
in der Tat brauchbar ist.
Unter Hydrierung wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorzugsweise
verstanden, daß mehr als 50% der im Ausgangs-Nitrilpolymer vorhandenen Restdoppelbindungen
(RDB), vorzugsweise mehr als 90% der RDB, besonders bevorzugt mehr als 95% der RDB
und ganz besonders bevorzugt mehr als 99% der RDB hydriert werden.
Der eine niedrige Mooney-Viskosität aufweisende HNBR, der einen
Gegenstand der Erfindung bildet, kann nach an sich bekannten Standardtechniken charakterisiert
werden. So wurde beispielsweise die Molekulargewichtsverteilung durch Gelpermeationschromatographie
(GPC) unter Verwendung eines Separation Module 2690 von Waters und eines Differential
Refractometer 410 von Waters mit Millenium-Software Version 3.05.01 von Waters bestimmt.
Proben wurden in mit 0,025% BHT stabilisiertem Tetrahydrofuran (THF) gelöst.
Als Säulen für die Bestimmung dienten drei hintereinandergeschaltete Mixed-B-Gel-Säulen
von Polymer Labs. Als Referenzstandards dienten Polystyrol-Standards von American
Polymer Standards Corp.
Die Mooney-Viskosität des Kautschuks wurde gemäß ASTM-Test
D1646 bestimmt.
Der erfindungsgemäße hydrierte Nitrilkautschuk eignet sich
sehr gut zur Herstellung eines Formteils, wie einer Dichtung, eines Schlauchs, eines
Lagerelements, eines Stators, einer Bohrkopfdichtung, einer Ventilplatte, eines
Kabelmantels, eines Rads, einer Walze, einer Rohrdichtung oder einer Schuhwerkkomponente.
BEISPIELEBeispiele 1–4
Bis(tricyclohexylphosphin)benzylidenrutheniumdichlorid (Grubbs-Metathesekatalysator),
1-Hexan und Monochlorbenzol (MCB) wurden von Alfa, Aldrich Chemicals bzw. PPG bezogen
und in Lieferform verwendet. Perbunan wurde von Bayer Inc. erhalten.
Die Metathesereaktionen wurden in einem Parr-Hochdruckreaktor unter
den folgenden Bedingungen durchgeführt:
Konzentration der Kautschuklösung: 6 bzw. 15 Gew.-%
Co-Olefin: Ethylen bzw. 1-Hexen
Konzentration des Co-Olefins: siehe Tabelle A
Rührergeschwindigkeit: 600 U/min
Reaktortemperatur: siehe Tabelle A
Katalysatorbeladung: siehe Tabelle A
Lösungsmittel: Monochlorbenzol
Substrat: statistisches Butadien-Acrylnitril-Copolymer mit einem Acrylnitrilgehalt
von 34 Mol-% und einer Mooney-Viskosität ML (1+4) bei 100°C von 35
Der Reaktor wurde auf die gewünschte Temperatur erhitzt, wonach
60 mL einer Monochlorbenzollösung mit Grubbs-Katalysator zugegeben wurde. Der
Reaktor wurde mit dem gewünschten Ethylendruck für die Beispiele 1–3
bzw. 100 psi Stickstoff für Beispiel 4 beaufschlagt. Die Temperatur wurde über
die Reaktionsdauer konstant gehalten. Zur Regulierung der Temperatur diente eine
an einen Temperaturregler und einen Wärmesensor angeschlossene
Kühlschlange. Der Fortschritt der Reaktion wurde für die 6%igen Kautschuklösungen
mittels Lösungsviskositätsmessungen verfolgt. Bei der höheren Kautschuklösungskonzentration
wurde angenommen, daß die Reaktion nach 18 Stunden beendet war.
Die Hydrierungsreaktionen wurden in demselben Reaktor wie die Metathese
unter den folgenden Bedingungen durchgeführt:
Feststoffkonzentration der Kautschuklösung: 12%
H2(g)-Druck: 1200 psi
Rührergeschwindigkeit: 600 U/min
Reaktortemperatur: 138°C
Katalysatorbeladung (Wilkinson): 0,08 phr
Triphenylphosphin: 1 phr
Lösungsmittel: Monochlorbenzol
Die Kautschuklösung aus der Metathesereaktion wurde auf der höchsten
Rührstufe dreimal mit H2 (100 psi) entgast. Nach Erhöhung der
Reaktortemperatur auf 130°C wurden 60 mL Monochlorbenzollösung mit Wilkinson-Katalysator
und Triphenylphosphin zugegeben. Die Temperatur wurde auf 138°C ansteigen gelassen
und über die Dauer der Reaktion konstant gehalten. Die Hydrierungsreaktion
wurde durch Bestimmung des Gehalts an Restdoppelbindungen (RDB) in verschiedenen
Intervallen mittels IR-Spektroskopie verfolgt.
Alternativ dazu könnte man den Ruthenium-Metathesekatalysator
zur Hydrierung des Polymers verwenden.
Beispiel 1: Einzelheiten
200 g Kautschuk wurden in 1133 g MCB gelöst (Feststoffgehalt
15 Gew.-%). Die Kautschuklösung wurde dann in den Reaktor gegeben und auf der
höchsten Rührstufe dreimal mit C2H4 (6,9·105
Pa) entgast.
Beispiel 2: Einzelheiten
200 g Kautschuk wurden in 1133 g MCB gelöst (Feststoffgehalt
15 Gew.-%). Die Kautschuklösung wurde dann in den Reaktor gegeben und auf der
höchsten Rührstufe dreimal mit C2H4 (6,9·105
Pa) entgast.
Beispiel 3: Einzelheiten
75 g Kautschuk wurden in 1175 g MCB gelöst (Feststoffgehalt 6
Gew.-%). Die Kautschuklösung wurde dann in den Reaktor gegeben und auf der
höchsten Rührstufe dreimal mit C2H4 (6,9·105
Pa) entgast.
Beispiel 4: Einzelheiten
75 g Kautschuk wurden in 1175 g MCB gelöst (Feststoffgehalt 6
Gew.-%). Die Kautschuklösung wurde dann in den Reaktor gegeben. Nach Zugabe
von 150 g 1-Hexen wurde die Mischung auf der höchsten Rührstufe dreimal
mit trockenem N2 entgast.
Tabelle A – Experimentelle Einzelheiten
Für ein typisches Produkt beträgt das Mn 27 kg/mol (verglichen
mit 85 kg/mol für das Ausgangspolymer) und das Mw 54 kg/mol (verglichen mit
296 kg/mol für das Ausgangspolymer). Wie erwartet fällt die Molekulargewichtsverteilung
von 3,4 für den Ausgangs-Substrateinsatzstoff auf 2,0 für das metathesierte
Produkt. Dies steht im Einklang mit einem homogeneren Bereich von Polymerkettenlängen
und Molekulargewichten.
Die Polymereingeschaften für ausgesuchte Proben sind in Tabelle
1 zusammengefaßt. Die GPC-Ergebnisse zeigen eine bis zu fünffache Verringerung
des Mw und eine Verengung des Polydispersitätsindex bis zu einem Minimum von
1,90.
Tabelle 1 – Zusammenfassung der Polymereigenschaften
Anspruch[de]
Hydrierter Nitrilkautschuk mit einem Molekulargewicht (Mw)
im Bereich von 30.000 bis 250.000, einer Mooney-Viskosität (ML 1+4 bei 100°C)
im Bereich von 3 bis 50 und einer Molekulargewichtsverteilung (bzw. einem Polydispersitätsindex)
von weniger als 2,5.Hydrierter Nitrilkautschuk nach Anspruch 1, wobei das Molekulargewicht
(Mw) im Bereich von 40.000 bis 220.000 liegt.Hydrierter Nitrilkautschuk nach Anspruch 1, wobei der Polydispersitätsindex
weniger als 2,3 beträgt.Hydrierter Nitrilkautschuk nach Anspruch 1 mit einer Mooney-Viskosität
(ML 1+4 bei 100°C) von weniger als 35.Hydrierter Nitrilkautschuk nach Anspruch 1 mit einer Mooney-Viskosität
(ML 1+4 bei 100°C) von weniger als etwa 5.Verwendung eines hydrierten Nitrilkautschuks nach einem der Ansprüche
1 bis 5 bei der Herstellung eines Formteils.Verwendung nach Anspruch 6, wobei es sich bei dem Formteil um eine Dichtung,
einen Schlauch, ein Lagerelement, einen Stator, eine Bohrkopfdichtung, eine Ventilplatte,
einen Kabelmantel, ein Rad, eine Walze oder eine Rohrdichtung handelt.