N-nitrosaminarmer Gummiwerkstoff
Beschreibung
Die Erfindung betrifft einen N-nitrosaminarmen Gummiwerkstoff, umfassend eine vulkanisierte Kautschukmischung, insbesondere auf Basis von Ethylen-Propylen-Dien- Terpolymer (EPDM), unter Beimischung üblicher ischungsingredienzien, wie Vulkanisationsmittel (z.B. Schwefel oder Schwefelspender), Beschleuniger, Füllstoff (z.B. Ruß), Zinkoxid sowie gegebenenfalls weitere Zusatzstoffe (z.B. Alterungsschutzmittel).
Der N-nitrosaminarme Gummiwerkstoff soll sich darüber hinaus durch folgende Eigenschaften auszeichnen:
- thermische Beständigkeit > 120°C;
- hohe dynamische Belastbarkeit;
- hohe Beständigkeit gegen Druckverformung;
- niedrige Ausgasung flüchtiger Substanzen.
Nach dem heutigen Stand der Technik (DE 37 09 311 A1 , DE 37 09 312 A1 , DE 40 27 114 A1 , DE 40 36 420 A1 , DE 40 37 756 A1 , DE 40 38 946 A1 , DE 41 29 023 A1, DE 42 07028 A1 ) ist es nicht möglich, die genannten Eigenschaften durch ein kanzerogen unbedenkliches Vulkanisationssystem zu erreichen, da es für einige Vulkanisationsbeschleuniger und Schwefelspender keine alternativen Ersatzstoffe gibt. Das Eigenschaftsprofil der Gummierzeugnisse für den technischen Einsatz (z.B. Gummiwerkstoffe für dynamisch hoch beanspruchte Gummiartikel) wird ungenügend erfüllt. Die Wirtschaftlichkeit der in den oben genannten Offenlegungsschriften aufgezeigten N-nitrosaminarmen Gummiwerkstoffe konnte nicht zufriedenstellend gelöst werden.
Um dynamisch-mechanisch hoch beanspruchte Gummiwerkstoffe herstellen zu können, muss das Elastomer konventionell über polysulfidische Brücken vernetzt werden. Durch ein Semi-Efficient- (SEV) oder Efficient-Vulkanisationssystem (EV) werden die erforderlichen kurzkettigen Schwefelbrücken erzeugt, um einerseits gute dynamische Eigenschaften und andererseits eine hohe Beständigkeit gegen Druckverformung zu erreichen. Durch Reduzierung des elementaren Schwefelgehaltes und Erhöhung des Gehaltes an Schwefelspendern steigt zugleich das Risiko der N-Nitrosaminbildung.
N-Nitrosamine können bei der konventionellen Vernetzungsreaktion von Gummiwerkstoffen gebildet werden. Weiterhin besteht durch Roh-, Füll- und Hilfsstoffe die Möglichkeit des Einschleppens von N-Nitrosaminen oder der zur Bildung benötigten Reaktionspartner (insbesondere Stickoxide). Außerdem können die Stickoxide der Umgebungsluft mit den sekundären Aminen im Gummiwerkstoff reagieren und N-Nitrosamine bilden.
Die Aufgabe besteht nun darin, bei Gewährleistung der genannten Werkstoffeigenschaften einen Werkstoff bereit zu stellen, bei dem bei der Herstellung, Lagerung und Anwendung ein Herausdiffundieren von Stickoxiden und/oder sekundären Aminen und/oder N-Nitrosaminen verhindert wird, und zwar zusätzlich unter dem Gesichtspunkt der Wirtschaftlichkeit.
Gelöst wird die Aufgabe dadurch, dass der Kautschukmischung zusätzlich ein Molekularsieb mit oder ohne Kristallwasser beigemischt ist, das mit einem Radikalfänger beladen ist, und zwar unter Bildung eines Molekularsieb/Radikalfänger- Adduktes, wobei der Radikalfänger Stickoxide und/oder sekundäre Amine und/oder N- Nitrosamine bindet.
Das Molekularsieb ist ein Metall-Aluminium-Silikat der folgenden Formel:
Men [(AIO2)x • (SiO2)γ] mit oder ohne Kristallwasser, insbesondere Na86 [(AIO2)β6 - (SiO2)10e] mit oder ohne Kristallwasser
Nach einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich der Gummiwerkstoff dadurch aus, dass das Molekularsieb/Radikalfänger-Addukt
zusätzlich Kristallwasser enthält, und zwar derart, dass in Bezug auf eine ausreichende Grundmolmenge (m) an Kristallwasser das Molekularsieb partiell dehydratisiert ist, wobei das Molekularsieb mit der reduzierten Molmenge (m1) an Kristallwasser mit dem Radikalfänger beladen ist, so dass bei Adsorption von Wasser unter Zunahme des Kristallwassergehaltes des Molekularsiebes eine Desorption des Radikalfängers stattfindet, wobei der Radikalfänger Stickoxide und/oder sekundäre Amine und/oder N- Nitrosamine bindet.
Das Molekularsieb ist wiederum ein Metall-Aluminium-Silikat der folgenden Formel:
Men [(AIO2)x- (SiO2)γ] • m(m')H2O, insbesondere Na86 [(AlOzJββ ■ (SiO2)ιoβ] ■ m(m')H2O
Die Grundmolmenge (m) an Kristallwasser beträgt wenigstens 100, insbesondere wenigstens 200. Das partiell dehydratisierte Molekularsieb weist einen Dehydratisierungsgrad von mindestens 20 %, vorzugsweise 40 bis 70 %, auf.
Der Radikalfänger ist vorzugsweise eine sterisch behinderte organische Verbindung, insbesondere ein Chinolinderivat, wobei wiederum insbesondere 2,2,4-Trimethyl-1,2- dihydrochinolin (TMQ) zu nennen ist. Hinsichtlich der diesbezüglichen Strukturformel wird auf den Patentanspruch 15 verwiesen. Auch ein Benzoat, insbesondere Benzylidenphthalid (Strukturformel, Patentanspruch 17), ist ein wirksamer Radikalfänger.
Das Mengenverhältnis von Molekularsieb zu Radikalfänger beträgt 90 : 10 bis 40 : 60, insbesondere 50 : 50.
Die Kautschukmischung weist folgende Mengenanteile auf:
Kautschukkomponente 50 - 80 Gew.-%
Molekularsieb/Radikalfänger-Addukt 5 - 10 Gew.-% übliche Mischungsingredienzien 45 - 10 Gew.-%
Darüber hinaus besteht die Aufgabe der Erfindung darin, ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Gummiwerkstoffes bereitzustellen.
Gelöst wird diese Zusatzaufgabe durch folgende Verfahrensschritte:
- das Molekularsieb wird mit dem Radikalfänger unter Bildung des Molekularsieb/Radialfänger-Adduktes beladen;
- nun wird das Molekularsieb/Radikalfänger-Addukt in die Kautschukmischung eingemischt;
- schließlich erfolgt die Vulkanisation der Kautschukmischung.
Die Beladung erfolgt insbesondere unter Normaldruck mittels einer Mösermühle oder Kugelmühle.
In Verbindung mit der partiellen Dehydratisierung kommen zweckmäßigerweise folgende Verfahrensschritte zur Anwendung:
- das Molekularsieb mit einer ausreichenden Grundmolmenge (m) an Kristallwasser wird bei einer Temperatur von 100 bis 500°C, vorzugsweise bei 350 bis 450°C, mehrere Stunden lang, vorzugsweise 2 bis 6 Stunden, partiell dehydratisiert;
- anschließend wird das partiell dehydratisierte Molekularsieb mit der reduzierten Molmenge (m') unter Bildung des Molekularsieb/Radikalfänger-Adduktes beladen.
Die Dehydratisierung erfolgt auch hier insbesondere unter Normaldruck.
Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispieles unter Bezugnahme auf eine schematische Zeichnung erläutert.
In Form eines einfachen Ausführungsbeispieles umfasst der Gummiartikel 1 mit den eingangs genannten Eigenschaften einen Gummiwerkstoff 2, der dem spezifischen Anwendungsbereich entsprechend geformt ist (z.B. Motorlager, Metallgummi- Schichtfeder).
ln den Gummiwerkstoff 2 ist nun das Molekularsieb/Radikalfänger-Addukt 3 pulverförmig und bei im Wesentlichen gleichmäßiger Verteilung eingemischt. Als Molekularsieb wird insbesondere ein Natrium-Aluminium-Silikat der Formel
Na86 [(AIO2)ββ - (SiO2)106] ■ m(m')H2O
verwendet, das im noch nicht dehydratisierten Zustand eine Grundmolmenge (m = 276) an Kristallwasser enthält. Im Rahmen der partiellen Dehydratisierung werden dabei mindestens 20 % Mole Wasser entzogen. Das partiell dehydratisierte Molekularsieb mit der reduzierten Molmenge (m'; z.B. m' = 200) ist nun mit einem Radikalfänger Z beladen.
Das Molekularsieb/Radikalfänger-Addukt 3 gibt nun bei Adsorption von Wasser (Feuchtigkeit) unter Zunahme des Kristallwassergehaltes des Molekularsiebes den Radikalfänger Z desorptiv ab, der Stickoxide X-] und/oder sekundäre Amine X2 und/oder N-Nitrosamine X3 bindet.
Mittels des Dehydratisierungsgrades kann zudem die Abgabegeschwindigkeit des Radikalfängers gesteuert werden.
Bezugszeichenliste
1 Gummiartikel
2 Gummiwerkstoff
3 Molekularsieb/Radialfänger-Addukt
Z Radikalfänger
Xi Stickoxid χ2 sekundäres Amin χ3 N-Nitrosamin