CN102149763A - 有机酸的含硅前体化合物作为用于交联有填料的和无填料的聚合物化合物的催化剂的用途 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及有机酸的含硅的前体化合物,尤其有机酸的烯属含硅的前体化合物和/或四羧基硅烷用于无填料和/或有填料的聚合物复合物、聚合物或填充有填料的塑料,如由热塑性基础聚合物和/或由热塑性基础聚合物的单体和/或预聚物制成的颗粒或成品的生产中的用途。成品是诸如模塑体尤其电缆、软管或管材之类的产品。本发明进一步涉及包括该含硅的前体化合物的母料。
Description
本发明涉及有机酸的含硅的前体化合物,尤其有机酸的烯属含硅的前体化合物和/或四羧基硅烷用于无填料和/或有填料的复合聚合物材料、聚合物或填充有填料的塑料(如由热塑性母体聚合物和/或由热塑性母体聚合物的单体和/或预聚物制成的颗粒或成品)的生产中的用途。成品是诸如模塑体尤其电缆、软管或管之类的制品。本发明进一步涉及包括该含硅的前体化合物的母料。
已知的是,有填料和无填料的复合聚合物材料,尤其聚乙烯(PE)和它的共聚物,能够通过使用有机锡化合物或芳族磺酸(Borealis Ambicat?)作为硅烷接枝或硅烷共聚合聚乙烯的交联用的硅烷醇缩合催化剂来生产。有机锡化合物的缺点是它们的显著毒性,而该磺酸是因为它们的刺激臭味而闻名,它们经历该方法的全部阶段进入到最终产品中。由磺酸交联的复合聚合物材料一般不适合用于食品和饮料领域或用于饮用水领域,例如用于饮用水管的生产,因为有反应副产物。二月桂酸二丁锡(DBTDL)和二月桂酸二辛基锡(DOTL)是普通的锡型硅烷醇缩合催化剂,并且通过它们的配位层而用作催化剂。
已知的是,湿气可交联的聚合物如下生产:通过在自由基产生剂存在下将硅烷接枝到聚合物链上,并且湿气交联是在成形过程之后在上述硅烷水解催化剂和/或硅烷醇缩合催化剂存在下进行的。聚合物使用可水解的不饱和硅烷所实施的湿气交联是在世界范围内用于电缆,管材,泡沫体等等的生产。这一类型的方法已知名称为Sioplas方法(DE 19 63 571 C3,DE 21 51 270 C3,US 3,646,155)和Monosil方法(DE 25 54 525 C3,US 4,117,195)。而Monosil方法在加工的第一步完成之前添加交联催化剂,Sioplas方法将交联催化剂的添加延迟到后续步骤-成形步骤。另一个可能性是让乙烯基官能化硅烷与单体和/或预聚物直接共聚合而得到母体聚合物,或通过接枝到聚合物链上来让上述硅烷偶联到聚合物上。
EP 207 627公开了另一种含锡的催化剂体系,和借助于这些体系,以二丁基锡氧化物与乙烯-丙烯酸共聚物的反应为基础的改性共聚物。JP 58013613使用Sn(乙酰基)2作为催化剂,和JP 05162237教导了锡、锌或钴的羧酸盐与连接的烃基团一起作为硅烷醇缩合催化剂的用途,例如马来酸二辛基锡,单丁基锡氧化物,二甲基氧基丁基锡或二乙酸二丁基锡。 JP 3656545将锌和铝皂用于交联,实例是辛酸锌和月桂酸铝。JP 1042509同样地公开了有机锡化合物用于硅烷的交联中的用途,而且公开了以钛螯合物为基础的烷基钛酸酯。
官能化三氯硅烷的脂肪酸反应产物自上世纪六十年代以来是众所周知的,尤其作为润滑添加剂。DE 25 44 125公开了二甲基二羧基硅烷作为在磁带涂层中的润滑添加剂的用途。在不存在强酸和碱下,该化合物有足够的耐水解特性。
本发明的目的是开发新型硅烷水解催化剂和/或硅烷醇缩合催化剂,它们不具有现有技术的已知催化剂的上述缺点,并且它们能够优选与硅烷接枝聚合物,硅烷共聚合聚合物,单体或预聚物,或一般与热塑性聚合物一起经历分散过程或均化过程。优选的是该硅烷水解催化剂和/或硅烷醇缩合催化剂是液体的,蜡状至固体的,和/或已经施加于载体材料上,或被包封。
该目的是通过与权利要求1的特征对应的本发明应用,和通过根据权利要求12和13所要求的母料来达到的。优选的实施方案在从属权利要求中和在说明书中发现。
令人吃惊地已经发现,有机酸的含硅的前体化合物能够用作硅烷水解催化剂和/或硅烷醇缩合催化剂,尤其用作硅烷醇的交联用或与在基材中能够缩合的其它官能团(例如与OH-Si或HO-基材)交联用的催化剂。对于前体化合物的一般要求是,它是可水解的,特别在水分存在下,并且因此能够释放出游离有机酸,尤其在Monosil过程和/或Sioplas过程的方法条件下。在本发明中,有机酸的含硅的前体化合物在加热时,更好地在水分存在下在熔化状态中,是可水解的,并且至少部分地或完全地释放有机酸。
在本发明的另一个方面,有机酸的含硅的前体化合物的使用能够在Monosil方法,在Sioplas方法,或在共聚合方法中进行。尤其,它能够用于接枝到烯烃聚合物上,或用于与单体,与预聚物,和/或与热塑性母体聚合物之间的共聚合。令人吃惊地还发现,有机酸的含硅的前体化合物也能够用作粘合促进剂,尤其用于Si-O-Si键,或Si-O-基材的形成。
根据本发明的该前体化合物作为催化剂的使用能够允许热塑性母体聚合物,该母体聚合物的单体和/或预聚物,以简单和成本低效率高的方式转化成复合聚合物材料,但是没有上述缺点,如现有技术的催化剂的毒性和气味损害。取决于用途,在复合聚合物材料或聚合物的生产过程中总体上也不再有醇的释放。
在本发明中的含硅的前体化合物能够是羧基硅烷,尤其烯烃羧基硅烷,和/或四羧基硅烷。属于有机酸的含硅的前体化合物的羧基硅烷能够存在于液体中或优选存在于固相中,并且因此对于大气湿度的水解作用优选是惰性的。在本发明中的烯烃羧基硅烷是所谓的全合一(All-in-one)包装配料,因为它能够共聚合或接枝和能够同时用作粘合促进剂和/或硅烷水解催化剂和/或硅烷醇缩合催化剂。优选地,水解形成有机酸仅仅在供入热和水分下发生。
在本发明中,有机酸的至少一种含硅的前体化合物对应于通式I和/或II
-其中,互相地独立地,z是0,1,2或 3,x是0,1,2或3,y是0,1,2或3,和u是0,1,2或3,前提条件是在通式I中z + x是小于或等于(≤) 3,和在通式II中y + u独立地是小于或等于(≤)2,
-A在通式I和/或II中彼此独立是一价烯烃基团,
和在通式II中呈现二价结构部分形式的A是二价烯烃基团,
-R1互相独立地对应于羰基-R3基团,其中R3对应于取代或未被取代的烃结构部分,尤其具有1到45个碳原子,和
-R2互相独立地对应于取代或未被取代的烃基团。
优选的是,当有机酸的至少一种含硅的前体化合物(例如具有通式I,其中z = 1,2或3,和/或通式II,其中y = 0,1,2或3,和/或其中z = 0和OR1对应于不饱和羧酸酯结构部分,尤其对应于四羧基硅烷)接枝到母体聚合物上或与母体聚合物的单体和/或预聚物共聚合(如果合适的话在自由基产生剂存在下),或与合适的羧基取代的硅烷接枝的母体聚合物混合,并且如果合适的话,在成形过程之后,优选在加热下,用作催化剂在水分存在下导致交联时,不再释放出醇。该接枝或共聚合也能够在有机官能化硅烷化合物,例如通式III的不饱和烷氧基硅烷的存在下进行。
在通式I中,对于三羧基硅烷而言优选的是z = 1和x = 0,或z = 0和x = 1和/或对于四羧基硅烷而言优选的是z = 0和x = 0,或对于二羧基硅烷而言优选的是z = 1和x = 1。
A在通式I和/或II中彼此独立优选是一价烯烃基团,如特别是
- (R9)2C=C(R9)-Mk-,其中R9是相同或不同的,和R9是氢原子或甲基或苯基,基团M是选自-CH2-,-(CH2)2-,-(CH2)3-,-O(O)C(CH2)3-,或-C(O)O-(CH2)3-的基团,k是0或1,例子是乙烯基,烯丙基,3-甲基丙烯酰氧基丙基和/或丙烯酰氧基丙基,正3-戊烯基,正4-丁烯基,或
- 异戊二烯基,3-戊烯基,己烯基,环己烯基,萜烯基,角鲨烷基,角鲨烯基,聚萜烯基,Betulaprenoxy,顺/反-聚异戊二烯基,或
- R8-Fg-[C(R8)=C(R8)-C(R8)=C(R8)]r-Fg-,其中R8是相同或不同的,并且R6是氢原子或具有1-3个碳原子的烷基,或芳基,或芳烷基,优选甲基或苯基,基团F是相同或不同的,并且F是选自-CH2-,-(CH2)2-,-(CH2)3-,-O(O)C(CH2)3-,或-C(O)O-(CH2)3-的基团,r是1到100,尤其1或2,和g是0或1,
- 和在通式II中,A是呈现为在通式II中的二价烯烃结构部分的形式,例子是相应的亚链烯基,如2-亚戊烯基,1,3-亚丁二烯基,异3-亚丁烯基,亚戊烯基,亚己烯基,亚己二烯基,亚环己烯基,亚萜烯基,亚角鲨烷基,亚角鲨烯基,聚亚萜烯基,顺/反-聚亚异戊二烯基。
优选的是,在通式I和/或II中的R1互相独立地对应于羰基-R3基团,即-(CO)R3基团(-(C=O)-R3),使得-OR1是-O(CO)R3,其中R3对应于未取代或取代的烃结构部分(HC结构部分),尤其具有1-45个碳原子,优选具有4-45个碳原子,尤其具有6-45个碳原子,优选具有6-22个碳原子,特别优选具有6-14个碳原子,优选具有8-13个碳原子, 和尤其对应于线性、支化和/或环状的未取代和/或取代的烃结构部分,和特别优选对应于天然或合成脂肪酸的烃结构部分,和尤其在R1中的R3互相独立地是具有化学式-CnH2n+1的饱和HC结构部分,其中n = 4-45,例子是-C4H9,-C5H11,-C6H13,-C7H15,-C8H17,-C9H19,-C10H21,-C11H23,-C12H25,-C13H27,-C14H29,-C15H31,-C16H33,-C17H35,-C18H37,-C19H39,-C20H41,-C21H43,-C22H45,-C23H47,-C24H49,-C25H51,-C26H53,-C27H55,-C28H57,-C29H59,或优选不饱和HC结构部分,例子是-C10H19,-C15H29,-C17H33,-C17H33,-C19H37,-C21H41,-C21H41,-C21H41,-C23H45,-C17H31,-C17H29,-C17H29,-C19H31,-C19H29,-C21H33 和/或-C21H31。 组合物能够同样地使用较短链HC结构部分R3,例子是-C4H9,-C3H7,-C2H5,-CH3(乙酰基)和/或R3 = H(甲酰基)。然而,因为HC结构部分的低疏水性,所以组合物一般是以通式I和/或II的化合物为基础,其中R1是羰基-R3基团,该R3是选自具有含有4-45个碳原子,尤其具有6-22个碳原子,优选具有8-22个碳原子,特别优选具有6-14个碳原子,或最优选具有8-13个碳原子的未取代或取代的烃结构部分的基团R3。
在通式I和/或II中的R2互相独立地是具有1-24个碳原子,优选具有1-18个碳原子,和对于烷基而言尤其具有1-3个碳原子的烃基,尤其取代或未被取代的线性、支化和/或环状的烷基、链烯基、烷基芳基、链烯基芳基和芳基。特别合适的烷基是乙基,正丙基和/或异丙基。合适的取代烃尤其是卤代烃,例子是3-卤代丙基,如3-氯丙基或3-溴丙基,其中这些基团任选地可以发生亲核取代或能够用于PVC。
因此,优选还可以使用通式I和/或II的有机酸的含硅的前体化合物,它们对应于其中z = 0和x = 1或2的烷基取代的二或三羧基硅烷。这里的例子是以癸酸,肉豆蔻酸,油酸或月桂酸为基础的甲基-,二甲基-,乙基-,或甲基乙基-取代的羧基硅烷。
羰基-R3基团是有机羧酸类的酸结构部分,例子是R3-(CO)-,其中根据该通式的呈现羧基形式的这些基团键接于硅Si-OR1上,如以上所述。一般地,通式I和/或II的酸结构部分能够从天然或合成脂肪酸获得,例子是饱和脂肪酸戊酸(R3 = C4H9),己酸(R3 = C5H11),庚酸(R3 = C6H13),辛酸(R3 = C7H15),壬酸(R3 = C8H17),癸酸(R3 = C9H19),月桂酸(R3 = C9H19),十一烷酸(R3 = C10H23),十三酸(R3 = C12H25),肉豆蔻酸(十四酸,R3 = C13H27),十五酸(R3 = C14H29),棕榈酸(十六酸,R3 = C15H31), 十七酸(R3 = C16H33),硬脂酸(十八烷酸,R3 = C17H35),十九烷酸(R3 = C18H37),花生酸(二十烷酸,R3 = C19H39),山酸(二十二烷酸,R3 = C21H43),木蜡酸(二十四烷酸,R3 = C23H47),蜡酸(二十六酸,R3 = C25H51),褐煤酸(二十八烷酸,R3 = C27H55),和/或蜂花酸(三十烷酸,R3 = C29H59),以及短链不饱和脂肪酸,如戊酸(R3 = C4H9),丁酸(R3 = C3H7),丙酸(R3 = C2H5),乙酸(R3 = CH3),和/或甲酸(R3 = H),和能够用作其它纯有机硅烷醇缩合催化剂的通式I和/或II的含硅的前体化合物。
然而优选的是,在通式I和/或II中,使用具有疏水性HC结构部分的脂肪酸,其中所述结构部分具有足够的疏水性,在释放之后没有显示出任何不良气味,和没有从所生产的聚合物中渗出。如果该酸可分散在聚合物中或在单体或预聚物中,则HC结构部分是足够疏水性的。举例来说,该渗出限制了较高浓度的硬脂酸和棕榈酸在有机酸的含硅的前体化合物中的可能使用。举例来说,在高于约0.01wt%的释放硬脂酸或棕榈酸的浓度下(基于聚合物的总构成),在所生产的聚合物上已观察到蜡状物渗出。因此,如果使用含硅的前体化合物的相应硬脂酸酯和/或棕榈酸酯,需要注意的唯一因素是相应的所释放酸的浓度是足够低的。在通式I和/或II中的优选的酸结构部分是从诸如下列这些酸之类的酸衍生的,如能够有利地使用:癸酸,月桂酸,肉豆蔻酸,或山酸。
同样,天然或合成不饱和脂肪酸能够优选被转化成通式I和/或II的前体化合物。它们能够同时发挥两种功能,首先用作硅烷水解催化剂和/或用作硅烷醇缩合催化剂,和,由于它们的不饱和烃结构部分,能直接参与到自由基聚合反应。优选的不饱和脂肪酸是山梨酸(R3 = C5H7),十一碳烯酸(R3 = C10H19),棕榈油酸(R3 = C15H29),油酸(R3 = C17H33),反油酸(R3 = C17H33),11-十八碳烯酸(R3 = C19H37),二十二烯酸(R3 = C21H41),鲸蜡烯酸(R3 = C21H41),顺芥子酸(R3 = C21H41),神经酸(R3 = C23H45),亚油酸(R3 = C17H31),α-亚麻酸(R3 = C17H29),γ-亚麻酸(R3 = C17H29),花生四烯酸(R3 = C19H31),二十碳五烯酸(R3 = C19H29),鲶鱼酸(R3 = C21H33),蓖麻醇酸(12-羟基-9-十八碳烯酸(R3 = C17H33O)),和/或二十二碳六烯酸(R3 = C21H31)。含有至少一个油酸(R3 = C17H33)结构部分的通式I和/或II的前体化合物是特别优选的。
其它有利的酸(从它能够生产具有R3-COO或R1O的通式I和/或II的前体化合物)是戊二酸,乳酸(R1是(CH3)(HO)CH-),柠檬酸(R1是HOOCCH2C(COOH)(OH)CH2-),吴尔品酸,对苯二甲酸,葡糖酸,和己二酸,其中还有可能的是全部的羧基已经Si-官能化,苯甲酸(R1是苯基),烟酸(维生素B3,B5)。然而,还可以使用天然或合成的氨基酸,使得R1对应于合适的结构部分,如从色氨酸、L-精氨酸、L-组氨酸、L-苯基丙氨酸或L-亮氨酸衍生的那些结构部分,其中L-亮氨酸是可优选使用的。相应还可以使用相应的D-氨基酸或L-和D-氨基酸的混合物,或酸,如D[(CH2)d)COOH]3,其中D = N,P和d独立地是1-12,优选1,2,3,4,5或6,其中各羧酸官能团的羟基能够独立地已经Si-官能化。
因此还可以使用以这些酸的结构部分为基础的通式I和/或II的相应化合物作为硅烷水解催化剂和/或硅烷醇缩合催化剂。
有机酸的含硅的前体化合物尤其以水解的形式经由所释放的有机酸作为硅烷水解催化剂和/或硅烷醇缩合催化剂是活性的,并且其本身适合以水解或未水解的形式用于接枝到聚合物上和/或用于与母体聚合物或与聚合物/单体或预聚物之间的共聚合,或用于交联,例如以粘合促进剂的形式。以水解的形式,所形成的硅烷醇化合物在缩合反应过程中有助于利用所形成的Si-O-Si硅氧烷桥和/或Si-O-基材或分别地载体材料所进行的交联。该交联能够使用其它硅烷醇,硅氧烷,或能够一般使用在基材上,在填料上,和/或在载体上存在并且适合于该交联反应的官能团进行。优选的填料和/或载体材料因此是氢氧化铝,氢氧化镁,煅制二氧化硅,沉淀硅石,硅酸盐,以及下面提及的其它填料和载体材料。
非常特别优选的前体化合物是乙烯基硅烷三肉豆蔻酸酯,乙烯基硅烷三月桂酸酯,乙烯基硅烷三癸酸酯,以及上述酸的相应烯丙基硅烷化合物,和/或硅烷四羧基化物Si(OR1)4,例子是硅烷四肉豆蔻酸酯,硅烷四月桂酸酯,硅烷四癸酸酯,或此类化合物的混合物。能够有利地使用一定量的乙烯基硅烷三硬酯酸酯,乙烯基硅烷三棕榈酸酯,烷基硅烷三硬酯酸酯,和/或烷基硅烷三棕榈酸酯。硅烷硬脂酸酯和/或硅烷棕榈酸酯的用量应该优选使得不超过0.05wt%,优选0.01wt%-0wt%,尤其0.01wt%-低于0.001wt%的所释放酸,如硬脂酸或棕榈酸存在于所形成的复合聚合物材料或聚合物的总构成(wt%)中。
所使用的特别优选的含硅的前体化合物总是是其中酸或有机酸中的一种具有至少一个疏水基团(就塑料而言它允许有溶剂化或分散能力)的那些。这些尤其是具有至少一个羧酸基团的长链、支化或环状的、非极性的、尤其未被取代的烃结构部分,尤其具有6-22个碳原子,优选具有8-14个碳原子,特别优选具有8-13个碳原子。能够使用的优选的取代烃结构部分是卤素取代的HC结构部分。
对于本发明的目的,优选的是,通式I和/或II的含硅的前体化合物也是或作为一个替代方案而用于接枝到聚合物上和/或与单体、预聚物或母体聚合物共聚合,和后续的水分交联。
羧基硅烷的生产长期以来是所属技术领域的专业人员所已知的。举例来说,US 4,028,391公开了它们的生产方法,其中氯硅烷与脂肪酸在戊烷中反应。US 2,537,073公开另一种方法。该酸能够例如直接在非极性的溶剂如戊烷中,与三氯硅烷或与官能化三氯硅烷一起,在回流状态下加热,得到羧基硅烷。在四羧基硅烷的生产的例子中,例如四氯硅烷与相应的酸在合适溶剂中进行反应(Zeitschrift für Chemie (1963), 3(12), 475-6)。其它方法涉及该盐或该酸的脱水物(Anhydrate)与四氯硅烷或与官能化三氯硅烷的反应。
有机酸是不具有硫酸酯基团或磺酸基的羧酸类,和尤其它们是对应于R3-COOH的有机酸;这些有机酸的酸酐,酯或盐也能够被认为无硅的前体化合物,并且它们特别优选具有长链,非极性,尤其取代或未被取代的烃结构部分,其中该烃结构部分能够是饱和或不饱和的,例如其中R3具有1-45个碳原子,尤其具有4-45个碳原子,优选具有8-45个碳原子,尤其具有6-22个碳原子,优选具有8-22个碳原子,特别优选具有6-14个碳原子,特别优选其中R3具有8-13个碳原子,其中特别优选的是R3具有11-13个碳原子;这些物质的例子是月桂酸或肉豆蔻酸;或具有氢(R3)和至少一个羧酸基团(COOH)。明确从有机酸的定义中排除的材料是有机芳基磺酸,如磺基邻苯二甲酸,和萘二磺酸。
因此,特别优选的是具有长链的、疏水性的烃结构部分的各种酸。这些酸也能够用作分散剂和/或加工助剂。
对于含硅的前体化合物的一般要求是,它在Monosil过程和/或Sioplas过程的条件下是可水解的,因此释放出游离有机酸。优选的是,水解的起始仅在该方法的交联步骤之前发生,和尤其,它是在成形过程之后,例如引入到水浴中,或在成形过程之后在水分存在下发生。 从无硅的前体化合物中排除的化合物理想的是这样一些化合物,该化合物在水解时得到无机酸和有机酸。无机酸这里不包括硅烷醇。
有机酸的含硅的前体化合物能够施加于载体材料上,或包封和/或包埋在载体材料中。 根据另一个实施方案,如果有机酸的含硅的前体化合物(尤其通式I和/或II的)用作硅烷水解催化剂和/或用作硅烷醇缩合催化剂和/或用于接枝到聚合物上,用于共聚合,或用作粘合促进剂,则它能够,如果合适的话与有机官能化硅烷化合物,如果合适的话与自由基产生剂,和如果合适的话与另一种硅烷醇缩合催化剂一起,存在于组合物或母料中。
在一种优选的用途中,至少一种含硅的前体化合物(尤其通式I和/或II的有机酸的)与对应于不饱和或烯属烷氧基硅烷的有机官能化硅烷化合物一起用作催化剂,其中该硅烷化合物特别优选对应于单不饱和的烷氧基硅烷。
本发明将含硅的前体化合物用作在Monosil,在Sioplas,和/或在共聚合过程或方法中的催化剂。特别合适的是,该硅烷水解催化剂和/或硅烷醇缩合催化剂一直到添加附加的水分之后才变成活性的。因此无填料或有填料的聚合物的最终交联一般按照已知的方式在水浴中,在蒸汽浴中,或在环境温度下经由大气湿度(该过程已知为“环境固化”)来发生。
对于本发明的目的,有机官能化硅烷化合物特别适合于接枝到聚合物上和/或与单体、预聚物或母体聚合物共聚合,和后续的水分交联。
优选的有机官能化硅烷化合物是不饱和烷氧基硅烷,特别优选具有通式III,例子是乙烯基烷氧基硅烷:
- 其中,互相独立地,b是0,1,2或3,和a是0,1,2或3,前提条件是在通式III中a + b是小于或等于3,
- 其中B,互相独立地,是在通式III中的一价基团(R7)2C=C(R7)-Eq-,其中R7是相同或不同的,和R7是氢原子或甲基或苯基,基团E是选自-CH2-,-(CH2)2-,-(CH2)3-,-O(O)C(CH2)3-或-C(O)O-(CH2)3-,q是0或1,例子是乙烯基,烯丙基,正3-戊基,正4-丁烯基,3-甲基丙烯酰氧基丙基,和/或丙烯酰氧基丙基,或异戊二烯基,己烯基,环己烯基,萜烯基,角鲨烷基,角鲨烯基,聚萜烯基,Betulaprenoxy,顺/反-聚异戊二烯基, 或B包括烯烃基团,例如R6-Dp-[C(R6) = C(R6)-C(R6) = C(R6)]t-Dp-,其中R6是相同或不同的,和R6是氢原子或具有1到3个碳原子的烷基,或芳基,或芳烷基,优选甲基或苯基,基团D是相同或不同的,和D是选自-CH2-,-(CH2)2-,-(CH2)3-,-O(O)C(CH2)3-或-C(O)O-(CH2)3-的基团,和p是0或1,和t是1或2,
- R5互相独立地是甲基,乙基,正丙基或异丙基,
- R4互相独立地是具有1-24个碳原子,尤其具有1-16个碳原子,优选具有1-8个碳原子的取代或未被取代的烃基团,尤其取代或未被取代的线性、支化和/或环状的烷基、链烯基、烷基芳基、链烯基芳基和/或芳基。尤其,该取代的基团特别是疏水性的。
特别合适的烷基是乙基,正丙基,异丙基,正丁基,异丁基,环己基,正辛基,异辛基,十六烷基,和特别合适的取代的烷基是具有氯取代基,溴取代基的卤代烷基,优选的是适合于亲核取代的卤代烷基,例子是3-氯丙基或3-溴丙基。
尤其如果组合物不具有b)组的组分,则特别优选的是,B包括至少一个烯烃基团,例子是聚乙烯,聚丙烯,丙烯共聚物或乙烯共聚物,如果合适的话与自由基产生剂和与其它稳定剂和/或添加剂一起。
非常特别优选的是,所使用的通式III的有机官能化硅烷化合物包括乙烯基三甲氧基硅烷,乙烯基三乙氧基硅烷,乙烯基甲基二烷氧基硅烷,乙烯基三乙氧基甲氧基硅烷(VTMOEO),乙烯基三异丙氧基硅烷,乙烯基三-正丁氧基硅烷,3-甲基丙烯酰氧基丙基三乙氧基硅烷,3-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(MEMO),和/或乙烯基乙氧基二甲氧基硅烷,和/或烷基烷氧基硅烷,如烯丙基三乙氧基甲硅烷。作为备选方案,或与上述化合物混合,所使用的有机官能化硅烷化合物也能够包括不饱和硅氧烷,优选的例子是低聚乙烯基硅氧烷,或上述化合物的混合物。优选的有机官能化硅烷化合物含有乙烯基或甲基丙烯酸基团,因为这些化合物是对自由基有反应性的并且适合于接枝到聚合物链上或与单体,预聚物共聚合。
本发明将至少一种含硅的前体化合物(尤其具有通式I和/或II),如果合适的话与自由基产生剂和/或与有机官能化硅烷化合物一起,用于Monosil方法,或Sioplas方法,和/或用于共聚合方法,尤其与热塑性母体聚合物用于Monosil或Sioplas方法,或与热塑性母体聚合物的单体和/或预聚物一起用于共聚合方法。
尤其,该前体化合物是在交联反应之前基本上在无水条件下用于上述的方法中,以便抑制在实际用于Monosil方法或Sioplas方法,或共聚合方法中之前的任何不希望有的水解和/或缩合反应。前体化合物的水解优选在成形过程之后,在水分(优选为添加的水分)存在下,在加热下进行。
该含硅的前体化合物优选也能够与其它硅烷醇缩合催化剂一起使用,其中包括二月桂酸二丁锡,二月桂酸二辛基锡;二辛基锡二(2-乙基己酸盐) ((C8H17)2Sn(OOCC7H15)2),二辛基锡二(异辛基巯基乙酸盐)((C8H17)2Sn-(SCH2CO2C8H17)2),二丁基锡二羧酸盐((C4H9)2Sn(OOC-R)2),单丁基锡三(2-乙基己酸盐)((C4H9)Sn(OOCC7H15)3),二丁基锡二新癸酸盐((C4H9)2Sn(OOCC9H19)2),月桂基锡氧烷([(C4H9)2Sn(OOCC11H23)]2O),二丁基锡二酮酸盐((C4H9)2Sn(C5H7O2)2),二辛基锡氧化物(DOTO) ((C8H17)2SnO),二乙酸二丁基锡(DBTA) ((C4H9)2Sn(OOCCH3)2),马来酸二丁锡((C4H9)2Sn(C4H2O4)2),二丁基锡二氯化物 ((C4H9)2SnCl2),硫化二丁锡((C4H9)2SnS),二丁基锡氧化物(DBTO) ((C4H9)2SnO),有机锡氧化物,单丁基锡二羟基氯化物((C4H9)Sn(OH)2Cl),单丁基锡氧化物(MBTO) ((C4H9)SnOOH),二丁基锡双(异辛基马来酸盐) ((C4H9)2Sn(C12H19O4)2)。与单独使用时相比,普通催化剂如含锡的催化剂的浓度因此能够显著降低。
适合于本发明的目的的热塑性母体聚合物尤其是丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS),聚酰胺(PA),聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA),聚碳酸酯(PC),聚乙烯(PE),聚丙烯(PP),聚苯乙烯(PS),聚氯乙烯(PVC),以及以乙烯-单元为基础的聚合物乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA),EPDM,或EPM和/或赛璐珞,或硅烷共聚合的聚合物,并且单体和/或预聚物是母体聚合物的前体化合物,例子是乙烯,丙烯。其它热塑性母体聚合物是以下所提及的。
优选的热塑性母体聚合物是硅烷接枝的母体聚合物,硅烷共聚合的母体聚合物,和/或该母体聚合物的单体和/或预聚物,或硅烷嵌段共预聚物或嵌段共预聚物,和/或这些的混合物。优选的是该热塑性母体聚合物是非极性的聚烯烃,例子是聚乙烯,聚丙烯,或聚氯乙烯,或硅烷接枝的聚烯烃和/或硅烷共聚合的聚烯烃,和/或一种或多种烯烃和含有极性基团的一种或多种共聚用单体的共聚物。
该热塑性母体聚合物也能够部分地或完全地用作载体材料,例如用于母料中,该母料包括作为载体材料的热塑性母体聚合物或聚合物和有机酸的含硅的前体化合物和如果合适的话有机官能化硅烷化合物,和/或自由基产生剂。
硅烷共聚合热塑性母体聚合物的其它例子是乙烯-硅烷共聚物,例如乙烯-乙烯基三甲氧基硅烷共聚物,乙烯-乙烯基三乙氧基硅烷共聚物,乙烯-二甲氧基乙氧基硅烷共聚物,乙烯-γ-三甲氧基硅烷共聚物,乙烯-γ-(甲基)丙烯酰氧基丙基三乙氧基硅烷共聚物,乙烯-γ-丙烯酰氧基丙基三乙氧基硅烷共聚物,乙烯-γ-(甲基)丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷共聚物,乙烯-γ-丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷共聚物,和/或乙烯-三乙酰氧基硅烷共聚物。
所使用的非极性的热塑性母体聚合物能够包括热塑性塑料如尤其纯的PE类,例子是LDPE,LLDPE,HDPE或mPE。含有极性基团的母体聚合物例如提供改进的耐火性能,即降低的易燃性和烟浓度,并且提高授受填料的能力。 极性基团的例子是羟基,腈,羰基,羧基,酰基,酰氧基,和羰基烷氧基或氨基,以及卤素原子,尤其氯原子。烯属双键和碳-碳叁键是非极性的。合适的聚合物不仅是聚氯乙烯而且是一种或多种烯烃和含有极性基团的一种或多种共聚用单体(例如乙酸乙烯酯,丙酸乙烯基酯,(甲基)丙烯酸,(甲基)丙烯酸甲基酯,(甲基)丙烯酸乙基酯,(甲基)丙烯酸丁基酯,丙烯腈)的共聚物。 在共聚物中极性基团的量的例子是基于聚烯烃单元的0.1-50 mol%,优选5-30 mol%。特别合适的母体聚合物是乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)。举例来说,合适的商购共聚物含有19 mol%的乙酸乙烯酯单元和81 mol%的乙烯单元。
特别合适的母体聚合物是聚乙烯,聚丙烯,和相应的硅烷改性聚合物。因此,尤其,有机酸的含硅的前体化合物在组合物或母料中的使用能够以有利的方式得到硅烷接枝的,硅烷共聚合的和/或硅烷交联的PE,PP,聚烯烃共聚物,EVA,EPDM,EPM。该硅烷接枝聚合物能够是有填料的形式或是无填料的形式,和如果合适的话,能够在成形过程之后随后进行水分交联。相应的情形适用于有填料的形式或无填料的形式的硅烷共聚合聚合物,并且这些聚合物如果合适的话能够在成形过程之后随后进行水分交联。
本发明还提供有机酸的含硅的前体化合物(尤其具有通式I和/或II)在无填料的Si-交联的复合聚合物材料的生产中和/或在有填料的Si-交联的复合聚合物材料的生产中;和/或在以热塑性母体聚合物为基础的相应的有填料的Si-交联的或无填料的Si-交联的聚合物的生产中的用途。Si-交联是指Si-O-基材键或Si-O-Si键的形成,例如在硅烷醇之间,例子是水解的有机官能化硅烷(III),或在硅酸盐之间,或在硅石之间,或在衍生物之间。所使用的基材是能够参与缩合过程的官能化基材中的任何一种,并且尤其能够是上述的填料,载体材料,颜料,或有机官能化硅烷的水解产物,和/或有机官能化硅烷的缩合产物等等。
本发明进一步提供有机酸的至少一种含硅的前体化合物在制品,尤其模塑体,优选电缆、软管或管材,特别优选饮用水管或在医学技术领域中的软管的生产中的用途。
有机酸的含硅的前体化合物依据取代型式能够是液体,蜡状至固态;它优选是蜡状至固态,或包封或包埋,或结合于载体材料上。这一措施能够使得更容易以无水形式贮存该前体化合物,和容易地计量该前体化合物。在使用之前的不希望有的水解和/或缩合,尤其在Monosil方法,Sioplas方法或共聚合方法中,能够被抑制。
为了允许计量能力和如果合适的话对水解的敏感性的更好调节,通式I和/或II的有机酸的含硅的前体化合物,有机官能化硅烷化合物和如果合适的话自由基产生剂能够施加于载体材料上,例如按照在EP 0 426 073中所述。
如果含硅的前体化合物I和/或II本身是固体,则它能够本身用作载体材料,尤其用于承载有机官能化硅烷,例如用作通式III的硅烷例如乙烯基三乙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三(甲氧基乙氧基)硅烷、乙烯基(共)低聚物的载体材料,或通式III的其它液体硅烷的载体材料。
在一个变形实施方案中,该有机酸的至少一种含硅的前体化合物能够已经施加于载体材料上,包封和/或包埋在载体材料中。为了有更好的计量能力,优选的是以固体或流动性形式提供有机酸的含硅的前体化合物。这可以例如以组合物或母料的形式(如果合适的话,与有机官能化硅烷化合物和/或如果合适的话自由基产生剂一起,以及特别与至少一种其它硅烷水解催化剂和/或硅烷醇缩合催化剂一起)以固体,流动性配制剂形式提供。这可以在载体材料和/或填料之上和/或之中作为载体进行。
该载体能够是多孔的,颗粒状的,可溶胀的或如果合适的话采取泡沫体的形式。合适的载体材料尤其是聚烯烃,如PE,PP,EVA或聚合物共混物,和合适的填料尤其是无机或矿物填料,该填料能够有利地具有增强、增量或阻燃效果。该载体材料和填料在下面更详细地说明。
优选的自由基产生剂是有机过氧化物和/或有机过酸酯,或这些的混合物,优选的例子是过新戊酸叔丁基酯,2-乙基过己酸叔丁基酯,二枯基过氧化物,二叔丁基过氧化物,叔丁基枯基过氧化物,1,3-二(2-叔丁基过氧基异丙基)苯,2,5-二甲基-2,5-双(叔丁基过氧基)己-3-炔,二-叔戊基过氧化物,1,3,5-三(2-叔丁基过氧基异丙基)苯,1-苯基-1-叔丁基过氧苯酞(phthalid),α,α’-双(叔丁基过氧基)二异丙基苯,2,5-二甲基-2,5-二叔丁基过氧己烷,1,1-二(叔丁基过氧基)-3,3,5-三甲基环己烷(TMCH)。也理想的是使用4,4-二(叔丁基过氧基)戊酸正丁基酯,3,3-二(叔丁基过氧基)丁酸乙基酯,和/或3,3,6,9,9-六甲基-1,2,4,5-四氧杂环壬烷。
还能够与至少一种稳定剂和/或其它附加物质和/或添加剂或这些的混合物一起用于组合物或母料中。所使用的稳定剂和/或其它附加物质如果合适的话能够包括金属减活剂,加工助剂,无机或有机颜料,填料,载体材料和粘合促进剂。这些的例子是二氧化钛(TiO2),滑石,粘土,石英,高岭土,氢氧化铝,氢氧化镁,膨润土,蒙脱石,云母(白云母),碳酸钙(白垩,白云石),染料,颜料,滑石,炭黑,SiO2,沉淀硅石,煅制二氧化硅,氧化铝,如α-和/或γ-氧化铝,氧化铝氢氧化物,勃姆石,重晶石,硫酸钡,生石灰,硅酸盐,铝酸盐,硅酸铝,和/或ZnO,或这些的混合物。优选的是载体材料或附加物质,如颜料,填料,是粉末状的,颗粒状的,多孔的,可溶胀的或如果合适的话采取泡沫体的形式。
优选的金属减活剂的例子是N,N’-双(3-(3,5-二-叔丁基-4-羟苯基)丙酰基)肼,以及亚磷酸三(2-叔丁基-4-硫基(2’-甲基-4-羟基-5’-叔丁基)苯基-5-甲基)苯基酯。
还能够尤其与其它组分如至少一种热稳定剂一起用于组合物或母料中,该热稳定剂的例子是季戊四醇-四[3-(3,5-双(1,1-二甲基乙基)-4-羟苯基)丙酸酯],3-(3,5-二-叔丁基-4-羟苯基)丙酸十八烷基酯,或4,4’-双(1,1-二甲基苄基)二苯基胺。
所使用的填料一般是无机或矿物填料和能够有利地具有增强、增量或阻燃效果。至少在它们的表面上,它们携带有能够与硅烷醇的烷氧基,羟基,或不饱和硅烷化合物,或通式I和/或II的水解化合物反应的基团。结果是,键接了官能团的硅原子以化学键被固定到该表面上。在填料的该表面上这一类型的基团特别是羟基。优选使用的填料因此是具有化学计量比的羟基或在它的各种脱水形式中具有亚化学计量比的羟基的金属氢氧化物,延伸到具有较低残留羟基的氧化物,然而其中这些羟基可以由DRIFT-IR光谱法或NIR谱学可检测。
特别优选使用的填料是三氢氧化铝(ATH),氧化铝氢氧化物(AlOOH.aq),二氢氧化镁(MDH),水镁石,碳钙镁石,水菱镁矿,云母,和蒙脱石。能够使用的其它填料是碳酸钙,滑石,和玻璃纤维。还有可能使用所述为“焦形成剂(char former)”的材料,例子是聚磷酸铵,锡酸盐,硼酸盐,滑石,或这些类型的材料与其它填料的结合物。
优选的合适载体材料是选自于聚丙烯,聚烯烃,使用低碳的链烯烃的乙烯共聚物,乙烯-醋酸乙烯酯共聚物,高密度聚乙烯,低密度聚乙烯,或线性低密度聚乙烯中的多孔聚合物,其中多孔聚合物能够具有30-90%的孔隙容积和尤其能够以微粒或团粒的形式使用。
作为备选方案,该载体材料还可以是填料或附加物质,尤其纳米尺寸的填料。优选的载体材料,填料或附加物质是氢氧化铝,氢氧化镁,煅制二氧化硅,沉淀硅石,硅灰石,煅烧变体,化学和/或物理改性的材料,如高岭土,改性高岭土,和尤其研磨、片状剥离的材料,如页硅酸盐,优选特定的高岭土,硅酸钙,蜡,如以LDPE(低密度聚乙烯)为基础的聚烯烃蜡,或炭黑。
该载体材料能够包封该含硅的前体化合物和/或该有机官能化硅烷化合物,和/或自由基产生剂,或能够将这些维持在物理或化学结合的形式,尤其以母料的形式。这里,如果担载或未担载的载体材料是可溶胀的,尤其在溶剂中可溶胀,则是有利的。含硅的前体化合物的量通常是在0.01wt%-99.9wt%,优选0.01wt%-70wt%,特别优选0.1wt%-50wt%,最优选0.1wt%-30wt%范围内,以包括载体材料、有机官能化硅烷化合物和/或自由基产生剂的总重量为基础计。因此载体材料的存在量一般是总重量(加至100wt%)的99.99-70wt%。
可以提到的各种优选的载体材料是:ATH(三氢氧化铝,Al(OH)3),氢氧化镁(Mg(OH)2),或煅制二氧化硅,它是在工业规模上通过在氢气/氧火焰中四氯化硅的连续水解而生产的。这一过程使四氯化硅蒸发,然后自发地和定量地在火焰内与从氢气/氧反应形成的水进行反应。煅制二氧化硅是二氧化硅的无定形改性形式并且是自由流动的、带蓝色的粉末。粒度通常在几个纳米左右,并且因此比表面积是大的,一般是50-600 m2/g。乙烯基烷氧基硅烷和/或含硅的前体化合物或这些物质的混合物结合于该材料上的过程因此基本上是吸附。
沉淀硅石一般是通过在控制的条件下用无机酸中,从钠水玻璃溶液生产的。在从该液相中分离,洗涤和干燥之后,粗产物被细磨的,例如在蒸汽喷射的磨机中。 再次,沉淀硅石是基本上无定形的二氧化硅,它的比表面积一般是50-150 m2/g。与煅制二氧化硅不同,沉淀硅石具有一定的孔隙度,例如约10% (按体积)。因此,乙烯基烷氧基硅烷和/或含硅的前体化合物或这些物质的混合物的吸收是吸附在该表面上和吸附在孔隙内。硅酸钙一般是在工业上通过将石英或硅藻土与碳酸钙或氧化钙共熔化,或用水溶性钙化合物让偏硅酸钠水溶液发生沉淀而生产的。小心干燥的产品一般是多孔的和能够吸附至多五倍重量的水或油。
多孔聚烯烃,如聚乙烯(PE)或聚丙烯(PP),以及共聚物,如有低碳的链烯烃如丙烯、丁烯、己烯或辛烯的乙烯共聚物,或乙烯-乙酸乙烯酯(EVA)是经由特定的聚合技术和聚合方法来生产的。颗粒尺寸一般是3 mm至<1 mm,和孔隙度能够高于50%(体积),使得该产品能够因此适宜地吸收大量的不饱和有机硅烷/混合物,例如具有通式III的那些,和/或含硅的前体化合物,或这些的混合物,但没有损失它们的自由流动性质。
特别合适的蜡是具有长侧链的以低密度聚乙烯(LDPE)为基础的聚烯烃蜡,优选支化的。该熔点和固化点一般是90-120℃。该蜡一般可以在与不饱和有机硅烷如乙烯基烷氧基硅烷,和/或与含硅的前体化合物,或这些的混合物,在低粘度的熔体中进行混合。固化的混合物一般是足够硬的,使得它能够造粒。
炭黑的各种商购形式例如适宜地用于生产黑色电缆包皮。
下列方法尤其可用于生产在载体上的组合物(干燥液体),例子是由烯属硅烷羧酸酯如肉豆蔻酸或月桂酸的乙烯基硅烷羧酸酯和载体材料组成的组合物,或由乙烯基硅烷硬脂酸酯和载体材料组成的组合物,或由四羧基硅烷和乙烯基烷氧基硅烷与载体材料组成的组合物:
众所周知的方法是喷雾干燥。下面详细解释可选的方法:矿物载体或多孔聚合物一般在烘箱中预热到例如60℃,然后加入到已经用干燥氮气吹扫和充干燥氮气的圆筒形容器中。 一般然后添加乙烯基烷氧基硅烷和/或乙烯基羧基硅烷,并且该容器放置于以滚筒装置中让容器旋转约30分钟。 在这一时间之后,该载体物质和液体、高粘度或蜡状的烷氧基硅烷和/或羧基硅烷通常形成流动性、干燥表面的微粒,后者有利地在不透光的容器中在氮气中贮存。作为备选方案,加热的载体物质能够加入到已用干燥氮气吹扫和填充干燥氮气的混合器中, 例如L?DIGE型的犁头混合器或 HENSCHEL型的螺旋桨式混合器。该混合器元件然后运转起来,随后一旦达到了最高的混合功率,烯属烷氧基硅烷和/或羧基硅烷(尤其具有通式I)或这些的混合物能够利用喷嘴进行喷雾加入。当添加已经结束时,均化作用一般继续进行另外约30分钟,然后该产品排入到不透光的充氮容器中,例如借助于用干燥氮气操作的气动输送系统。
具有90-120℃或更高的熔点的粒化形式的蜡/聚乙烯蜡能够分批地在装有搅拌器、回流冷凝器和液体添加设备的可加热容器中熔化,然后维持在熔化状态下。在整个生产过程中干燥氮气适宜地通过该装置。借助于液体添加设备,例如有可能将液体乙烯基羧基硅烷/混合物逐渐地添加到所得熔体中并让这些物质与该蜡通过强烈搅拌来进行混合。该熔体然后一般排入到模具中来固化,然后固化的产物进行造粒。作为备选方案,该熔体能够被滴落在冷却模塑传送带上,在传送带上它以使用方便的锭剂形式固化。
在一个优选的实施方案中,所使用的组合物是由选自有机酸的含硅的前体化合物(尤其具有通式I和/或II)和如果合适的话单不饱和的烷氧基硅烷和/或其它硅烷醇缩合催化剂(例子是上述锡化合物中的一种)和/或自由基产生剂,以及如果合适的话至少一种稳定剂和/或附加物质和/或载体材料和/或添加剂和/或这些的混合物的物质组成。
在另一个优选实施方案,所使用的组合物是由选自通式I和/或II的前体化合物(其中R1对应于羰基-R3基团,其中R3具有4-45个碳原子,优选具有6-45个碳原子,尤其具有6-22个碳原子,优选具有8-22个碳原子,特别优选具有6-14个碳原子,特别优选其中R3具有8-13个碳原子,尤其其中R3具有11-13个碳原子),和如果合适的话烯属烷氧基硅烷(尤其具有通式III)和/或自由基产生剂,和/或其它硅烷醇缩合催化剂,以及如果合适的话至少一种稳定剂和/或附加物质和/或载体材料和/或添加剂和/或这些的混合物的物质组成。
本发明还提供了尤其用于热塑性母体聚合物的交联的母料,该母料包括有机酸的至少一种含硅的前体化合物并包括至少一种自由基产生剂。
本发明的备选实施方案提供一种母料,它尤其用于热塑性母体聚合物的交联,该母料包括:作为组分A,对应于上述定义的有机酸的至少一种含硅的前体化合物(尤其具有通式I和/或II),以及载体材料,和如果合适的作为组分B,自由基产生剂,和如果合适的作为组分C,有机官能化硅烷化合物(尤其不饱和烷氧基硅烷,优选具有通式III),其中b、a、B、R4和R5的定义与以上所述的相同,其中以上组分A、B和/或C中的至少一种是在载体之上或已经被包封。优选的是,这些组分中的至少一种已经施加于至少一种载体或一种载体材料上,或已经被包埋,或已经被载体材料包封。该母料,或在组分A,B和/或C当中的一种能够另外包括至少一种附加物质,稳定剂,添加剂,或这些的混合物。
在一个变形实施方案中,有机官能化硅烷化合物是在载体之上和/或已经包封在含硅的前体化合物中。
优选的是,组分A包含在组分A中的0.01-99.9wt%,尤其0.01-70wt%,优选0.1-50wt%,特别优选0.1-30wt%的有机酸的至少一种含硅的前体化合物,尤其具有以上所定义的通式I和/或II,和占100wt%的余量的载体材料,或在备选方案中,占组分A的100wt%的余量的还有至少一种稳定剂,附加物质,添加剂,或这些的混合物。
组分B的自由基产生剂的通常用量是在组分B中的0.05-10wt%,其中还有占组分B的100wt%的余量的至少一种附加物质,载体材料,稳定剂,添加剂,或这些的混合物。
组分C的有机官能化硅烷化合物(尤其具有通式III)的常规用量是在组分C中的60-99.9wt%,其中还有占组分C的100wt%的余量的至少一种附加物质,载体材料,稳定剂,添加剂,或这些的混合物。
合适的自由基产生剂,附加物质,稳定剂,添加剂,和载体材料已经如上所述。能够使用的特殊的载体材料是以上所述的那些,例子是PE,PP,以及以上所述的其它那些。类似的考虑适用于自由基产生剂和稳定剂。组分A和B,或A和C,优选彼此独立地存在于母料中,如果将它们用于该方法的两个步骤中的话。对于同时使用,组分A,B和/或C能够一起以物理混合物形式例如以粉末、颗粒或丸粒的形式存在,或能够存在于单个配制剂中,例如在丸粒形式或片剂形式。
一种优选的母料包括例如6wt%的在聚合物载体材料如HDPE上的有机酸(例如脂肪酸,尤其肉豆蔻酸,或月桂酸)的含硅的前体化合物,其中所存在的HDPE的量是该母料(组分A)的94wt%(加至100wt%)。其它母料包括以山酸、L-亮氨酸、癸酸、油酸、月桂酸和/或肉豆蔻酸为基础的有机酸的含硅的前体化合物,如果合适的话以在载体材料例如HDPE上的混合物形式。
所存在的组分C能够优选包括:不饱和的烷氧基硅烷(尤其具有通式III)或从其生产的低聚硅氧烷,优选乙烯基三甲氧基硅烷或乙烯基三乙氧基硅烷,与自由基产生剂和与稳定剂一起,如果合适的话与其它添加剂一起。优选在载体材料上,例如以颗粒的形式。
本发明将有机酸的含硅的前体化合物,例如,用于组合物或母料中,用作硅烷水解催化剂和/或硅烷醇缩合催化剂,用于Monosil过程,用于Sioplas过程,或用于共聚合过程,尤其用于加填料的和/或无填料的复合聚合物材料(它能够呈现交联的或未交联的形式)的生产中,和/或用于以热塑性母体聚合物为基础的交联的加填料的和/或无填料的聚合物的生产中。为了本发明的目的,交联尤其是指Si-O-基材键或Si-O-填料或Si-O-载体材料,或Si-O-Si桥的形成,即Si-OH基团与基材的可缩合的其它基团之间的缩合。
本发明还提供有机酸的含硅的前体化合物(尤其具有通式I和/或II)在含硅的聚合物的,复合的聚合物材料的,或无填料的交联聚合物的,和/或加填料的交联聚合物的生产中的用途。该用途优选发生在Monosil方法中,在Sioplas方法中,和/或在共聚合方法中。含硅的前体化合物I和/或II这里也能够用于本发明的目的,用于接枝到聚合物上和/或用于与单体,预聚物或母体聚合物的共聚合,和后续水分交联。
优选的是用于硅烷接枝的,硅烷共聚合的,和/或交联的,尤其硅氧烷交联的,加填料的或无填料的聚合物的生产中的用途。上述的聚合物还可以包括嵌段共聚物。优选的是,该填料同样与含硅的化合物之间交联,尤其借助于Si-O-填料/载体材料键。能够使用的具体填料是上述的填料或载体材料。
本发明还提供含硅的前体化合物在聚合物,复合聚合物材料如无填料的交联聚合物和/或加填料的交联聚合物,复合电缆材料,加填料的塑料,或模塑体,和/或制品的生产中的用途。合适的模塑体和/或产品是电缆,软管,管材,如饮用水管,或能够用于食品和饮料领域中或用于卫生保健产品的领域中的,用于医学技术的领域中的产品,例如呈现为医用仪器或医用仪器的一部分,Braunüle,套管针,移植片固定模,血凝块取回器(Clot Retriever),血管修补物,或导管零件的形式,这里仅仅提到几种可能性。
本发明的水分交联的无填料的或加填料的复合聚合物材料一般通过各种起始原料组分在熔体中的合适混合(有利地排除水分)来生产。通常的可加热的均化装置一般适合于这一目的,;例子是捏合机或有利地对于连续操作而言的Buss共捏合机或双螺杆挤出机。作为这些的替代方案,还有可能使用单螺杆挤出机。这里可能的方法将这些组分连续地,在各情况下各自或以部分混合物形式,按照规定的定量比例,引入到该挤出机中,该挤出机已经被加热到高于热塑性母体聚合物的熔点的一种温度。有利的是,在向着螺杆末端的方向上温度会升高,以便确定低粘度和因此允许充分混合。在有利的方法中,该挤出物在它们被引入到供颗粒或模塑体如管或软管的模塑加工所用的装置中时仍然是液体。无填料或有填料的聚合物的最终交联因此一般按照已知的方式在水浴中,在蒸汽浴中,或在环境温度下经由大气湿度(该过程已知为“环境固化”)来发生的。
本发明还提供包括有机酸的含硅的前体化合物(尤其具有通式I和/或III)的一种制品,和/或它的水解和/或缩合的产物,尤其由聚合物如交联的加填料的或交联的无填料的聚合物组成的模塑体;优选电缆,阻燃性电缆,例如填充了Mg(OH)2或Al(OH)3,或填充了片状剥离材料如页硅酸盐;或管材,例如饮用水管,或在医用领域中的软管,或能够用于食品和饮料领域中的或用于卫生保健产品的领域中的制品,或用于医学技术的领域中,例如用作医用仪器或医用仪器的一部分,软管,Braunüle,套管针,移植片固定模,血凝块取回器,血管修补物,或导管零件,这里仅仅提到几种可能性。
对于单阶段方法,例如对于Monosil方法,引发交联的聚合物和组合物,或母料,被加入到该挤出机中,所形成的物质在一个步骤中加工得到最终产品。所使用的组合物能够适当地是这样的组合物,该组合物包括有机官能化硅烷化合物,尤其具有通式III的那些,并且它包括自由基产生剂,和它还包括有机酸的含硅的前体化合物和如果合适的话包括另外的硅烷醇缩合催化剂,以及如果合适的话包括稳定剂。
对于加填料的塑料的生产,无机填料主要地被直接引入到加工装置中并且与该聚合物一起加工得到最终产品。该填料也能够任选地在后面的时间点处被引入到该装置中,例如在双螺杆挤出机或共捏合机的情况下。使用有机酸的含硅的前体化合物生产的接枝聚合物能够获得在非极性聚合物和极性填料例如氢氧化铝或氢氧化镁之间的显著更好的相容性。
还有可能的是单独生产接枝聚合物,尤其Sioplas材料,并且如果合适的话将该材料造粒和包装,特别为了防止水分的影响,并且贮存它和然后将它作为母料供应到进一步的加工者,例如电缆生产者或管材生产者,该生产者随后引入填料以生产最终的有填料的塑料产品。
下列实施例为本发明的应用和母料提供进一步的示例,但是本发明不局限于这些实施例。
A) 烷基-,链烯基三羧基硅烷或四羧基硅烷的生产
一般实施例:
a) 为了链烯基三羧基硅烷的生产,1 mol的链烯基三氯硅烷(或以一般术语,链烯基三卤硅烷)直接与3 mol或与过量的有机单羧酸进行反应,或在惰性溶剂中,尤其在升温下,进行反应。
b) 为了烷基三羧基硅烷的生产,1 mol的烷基三氯硅烷相应地直接与3 mol或过量的有机单羧酸进行反应,或在惰性溶剂中进行反应。优选的是,反应在升温下,例如在高达溶剂沸点下,或在有机脂肪酸或有机酸的熔点左右来进行。
c) 为了四羧基硅烷的生产,1 mol的四卤硅烷,尤其四氯硅烷或四溴硅烷,与4 mol或与过量的至少一种单羧酸例如脂肪酸或脂肪酸混合物进行反应。反应能够直接经由熔体或在惰性溶剂中,优选在升温下进行。
实施例1
乙烯基三硬脂酰基硅烷的生产
1 mol的乙烯基三氯硅烷与3 mol的硬脂酸在作为溶剂的甲苯中的反应:50 g的硬脂酸(50.1 g)作为初始投料与150.0 g的甲苯一起加入到烧瓶中。在温和加热后固体溶解。冷却得到浑浊的、高度粘滞的物料,它在再加热时再次形成澄清液体。在实验的开始,油浴被设定在95℃,并且约20分钟的混合时间得到澄清液体。然后用移液管将9.01 g的乙烯基三氯硅烷快速地滴加进去。在约10分钟之后混合物是澄清液体,然后油温度调节到150℃。在实验开始后的约另外3小时之后,混合物在惰性气体中被冷却。它然后通过甲苯的蒸馏除去来进行后处理。这得到白色固体,它在熔化时具有油性和浅黄色外观。为了进一步提纯,固体能够经历进一步的旋转蒸发器处理,例如在约90℃的油浴温度和<1毫巴的真空下,进行较长时间(3-5小时)。固体是利用NMR(1H,13C,29Si)作为乙烯基三氯硅烷来表征的。
实施例2
乙烯基三癸酸的生产
1 mol的乙烯基三氯硅烷与3 mol的癸酸在作为溶剂的甲苯中的反应:60.0g的癸酸作为初始投料与143.6 g的甲苯一起加入到烧瓶中。在实验一开始油浴被设定为80℃,然后该乙烯基三氯硅烷慢慢地被滴加进去(对于19.1 g,约0.5小时),同时混合物的温度是大约55℃。在约45分钟后,油的温度提高至150℃。在约另外2小时的反应时间后,油浴被关掉但进行搅拌,水冷却,然后氮气覆盖继续进行,直至完全冷却为止。澄清的液体被转移到单颈烧瓶中,然后在旋转蒸发器中除去甲苯。该油浴温度被设定为约80℃。该真空逐步调节至<1毫巴。该产品是澄清液体。该液体是利用NMR(1H,13C,29Si)作为乙烯基三癸酰基硅烷来表征的。
实施例3
十六烷基三癸酰基硅烷的生产
1 mol的Dynasylan? 9016(十六烷基三氯硅烷)与3 mol的癸酸在作为溶剂的甲苯中的反应:73.1g的癸酸作为初始投料与156.2g的甲苯一起加入到烧瓶中。在实验一开始油浴被设定为95℃,然后经过约25分钟的时间滴加50.8 g的Dynasylan? 9016。在约30分钟后,油的温度提高到150℃。在回流约1.5小时后停止实验。在旋转蒸发器中从澄清液体中除去甲苯。该油浴温度设定为约80℃。该真空逐步调节至<1毫巴。该产品是具有稍微刺激性臭味的黄色油状液体。该液体是利用NMR(1H,13C,29Si)主要作为十六烷基三癸酰基硅烷来表征的。
实施例4
乙烯基三棕榈酰基硅烷的生产
1 mol的乙烯基三氯硅烷与3 mol的棕榈酸在作为溶剂的甲苯中的反应:102.5g的棕榈酸作为初始投料与157.0 g的甲苯一起加入到烧瓶中。在实验一开始油浴被设定为92℃,然后经过约15分钟的时间滴加22.0 g的乙烯基三氯硅烷。在约70分钟后,油的温度提高到150℃。混合物在回流下加热约4小时,然后通过蒸馏除去甲苯。油浴温度被调节到约80℃,然后真空度逐步调节到2毫巴。产品的冷却得到白色、可再熔化的固体。该固体是利用NMR(1H,13C,29Si)作为乙烯基三棕榈酰基硅烷来表征的。
实施例5
氯丙基三棕榈酰基硅烷的生产
1 mol的CPTCS(氯丙基三氯硅烷)与3 mol的棕榈酸在作为溶剂的甲苯中的反应:40.01g的棕榈酸作为初始投料加入到三颈烧瓶中,然后油浴进行加热。一旦全部的棕榈酸已经溶解,11.03 g的CPTCS(99.89%纯度(GC/TCD))在约10分钟的时间内被滴加进去。温度最终被提高到130℃。在约3.5小时之后,在附装的洗气瓶子中不再观察到气体活性,合成结束。在旋转蒸发器中除去甲苯。在后续的时间点处,固体进行再熔化和在约90℃的油浴温度下和在<1毫巴的真空下搅拌。在约4.5小时后,不再观察到气泡。该固体是利用NMR(1H,13C,29Si)作为氯丙基三棕榈酰基硅烷来表征的。
实施例6
丙基三肉豆蔻酰基硅烷的生产
1 mol的PTCS(丙基三氯硅烷,98.8%纯度)与3 mol的肉豆蔻酸在作为溶剂的甲苯中的反应。该反应类似于在上述实施例中的反应。反应产物是作为丙基三肉豆蔻酰基硅烷来表征的。
实施例7
乙烯基三肉豆蔻酰基硅烷(VTC)的生产
Dynasylan? VTC与肉豆蔻酸的反应:40.5 g的肉豆蔻酸和130 g的甲苯作为初始投料加入到反应烧瓶中,然后混合和加热到约60℃。利用滴液漏斗在15分钟的时间内滴加9.5 g的Dynasylan? VTC。在加料过程中在烧瓶中的温度提高了约10℃。 在加料后,搅拌继续进行15分钟,然后油浴的温度提高到150℃。在继续的搅拌中,能够观察到气体逸出(HCl气体)。继续搅拌直到不再观察到气体逸出为止(气体排放阀),然后搅拌继续进行3小时。在混合物的冷却之后,未反应的Dynasylan? VTC,甲苯是在约80℃下在减压(0.5毫巴)下通过蒸馏被除去的。保留在反应烧瓶中的该产品在有N2气体覆盖下在烧瓶中贮存一夜,然后在没有附加的后处理的情况下排出。该产品随后凝固。获得约44.27 g的粗产物。
实施例8
丙基三肉豆蔻酰基硅烷的生产
Dynasylan? PTCS与肉豆蔻酸的反应:40.5 g的肉豆蔻酸和150 g的甲苯作为初始投料加入到反应烧瓶中,混合和加热到约60℃。利用滴液漏斗在15分钟的时间内滴加Dynasylan? PTCS。在加料过程中在烧瓶中的温度提高了约10℃。在加料后,油浴的温度提高至150℃和继续搅拌3小时。在继续的搅拌中,能够观察到气体逸出(HCl气体)。继续搅拌,直至在气体排放阀没有观察到进一步的气体逸出为止。在混合物的冷却之后,未反应的Dynasylan? PTCS,甲苯是在约80℃下在减压(0.5毫巴)下通过蒸馏被除去的。该产品在惰性气体中贮存和然后凝固。 获得约44.0 g的粗产物。
B) 交联实施例:
Dynasylan? SILFIN 24(乙烯基三甲氧基(VTMO),过氧化物,和加工助剂)。
实施例9
步骤A-Borealis公司的MG9641S HDPE用Dynasylan? SILFIN 24混合物的接枝
在Berstorff公司的(ZE 25)双螺杆挤出机中进行接枝。 这些实验生产条状物。在70℃下预干燥约1小时之后,交联剂制剂在各情况下经过1小时在混合转鼓中施加于PE上。在挤出之后,接枝的条状物被造粒。在造粒过程之后,颗粒被直接包装在涂有铝层的袋子中,这些袋子通过熔合来封闭。在熔合过程之前,该颗粒用氮气覆盖。
在ZE 25中接枝反应的加工参数
温度分布图:-/150/160/200/200/210/210/210℃
转速:约100 rpm,添加:1.5 phr的Dynasylan? SILFIN 24
步骤B-交联研究用的加工
该硅烷接枝的聚乙烯在实验室捏合机(Thermo HAAKE公司,70 cm3)与各自催化剂一起捏合(温度分布图:140℃/3分钟;2分钟升至210℃;210℃/5分钟,捏合机转速:30 rpm)。混合物然后在200℃下压制,得到片材。在水浴中在80℃下进行交联(4小时)。测定交联片材的凝胶含量(8小时,对二甲苯,索格利特萃取器)。
1) 用脂肪酸,脂肪酸的前体化合物,和氨基酸筛选
在各情况下95wt%的硅烷接枝PE与5wt%的催化剂母料,其中该催化剂母料包括98wt%的HDPE和2wt%的催化剂(有机酸)。结果能够在表1中找到。
表1:对于各种催化剂的研究所用的凝胶含量
。
实施例10
a) Borealis公司的MG9641S HDPE用Dynasylan? SILFIN 24的接枝
在Berstorff公司的ZE 25挤出机中进行接枝。在70℃下预干燥约1小时之后,交联剂制剂在各情况下经过1小时在混合转鼓中施加于PE上。在挤出之后,接枝的条状物被造粒。在造粒过程之后,颗粒被直接包装在聚乙烯-铝-聚乙烯包装材料中,这些包装材料通过熔合来封闭。在熔合过程之前,该颗粒用氮气覆盖。
在ZE 25中接枝反应的加工参数
温度分布图:-/150/160/200/200/210/210/210℃
转速:约100 rpm,
添加:1.5 phr的Dynasylan? SILFIN 24(CS/V039/08)
b) 捏合过程
对于母料的生产,49.0 g的PE在HAAKE实验室捏合机中与1.0 g的催化剂,有机酸或含硅的前体化合物进行捏合。
加工参数:
捏合机,进料斗,带口模(Bandwerkzeug),带输出(Bandabzug);加填料的进料区段,
转速:30 rpm,
温度分布图:200℃/5分钟
c) 由95wt%的Silfin 24 HDPE与5wt%的母料组成的混合物的生产
生产混合物,该混合物由95wt%的Silfin 24 HDPE与5wt%的包括该催化剂的母料组成。在HAAKE实验室捏合机中进行加工。由95wt%的Silfin 24 HDPE混合物与5wt%的母料组成的混合物进行捏合,然后在200℃下压制而得到片材,最终在水浴中在80℃下交联。
加工参数:
捏合机,进料斗,带口模,带输出;加填料的进料区段,
转速:30 rpm,
温度分布图: 140℃/3分钟;2分钟升至210℃;210℃/5分钟
交联时间:0小时,4小时,和22小时。
实施例11
硅烷接枝HDPE的交联
聚乙烯用各种乙烯基硅烷在HAAKE测量捏合机中,在过氧化物的添加下,进行化学改性(接枝,转速:30 rpm,温度分布图:在140℃下3分钟,从140℃到200℃达2分钟,在200℃下10分钟)。一旦该接枝反应已经结束,将三氢氧化铝(ATH)作为水给体添加到该捏合机中。可以试验出:是否可以利用扭矩的显著提高检测到后交联的发生。使用下列混合物:
表2:实验混合物
使用乙烯基三羧基硅烷的两个实验都在ATH的添加之后显示出扭矩的明显提高。 该提高比乙烯基三甲氧基硅烷的情况明显得多。由此结论是,交联反应的程度更大。
实施例12
HDPE的交联-乙烯基三棕榈酸硅烷与Dynasylan? SILFIN 06的对比
对于该研究,单独的交联制剂与HDPE粉末掺混并且在捏合机中加工(转速:35 rpm,温度分布图:在150℃下2分钟,从150℃到210℃达3分钟,在210℃下5分钟)。 表3列出了这些配制剂:
表3:配制剂
捏合的试样被压制得到片材,然后在水浴中在80℃下交联。 在各种存储时间后测量交联试样的凝胶含量。
表4:交联试样的凝胶含量
实施例13
Masterkit(母料)
所生产的羧基硅烷在Sioplas方法中用作催化剂。为此,95wt%的接枝了Dynasylan? SILFIN 24的聚乙烯与5wt%的本发明的催化剂浓缩物(catMB)捏合。首先,用1g的各自催化剂和49g的HDPE在该捏合机中生产母料(温度分布图:在200℃下5分钟)。 2.5g的该母料然后与47.5 g的所挤出Dynasylan? SILFIN 24 HDPE一起捏合(温度分布图:在140℃下3分钟,从140℃到210℃经历2分钟,在210℃下5分钟),在200℃下压制得到片材,最终在水浴中在80℃下交联。该catMB包括分别2wt%的各自催化剂,尤其乙烯基三羧基硅烷或脂肪酸。结果与没有催化剂的混合物对比。该片材在水浴中在80℃下交联。表5显示了这一交联研究的结果。
表5:在Sioplas方法中催化剂研究的概述
Claims (17)
1. 有机酸的至少一种含硅的前体化合物作为硅烷水解催化剂和/或硅烷醇缩合催化剂的用途。
3. 权利要求1或2的用途,特征在于
有机酸的至少一种含硅的前体化合物能够施加于载体材料上,或包封和/或包埋在载体材料中。
4. 权利要求1-3中任何一项的用途,该用途发生在Monosil方法中,在Sioplas方法中,和/或在共聚合方法中。
5. 权利要求1-4中任何一项的用途,特征在于
有机酸的含硅的前体化合物是在至少一种自由基产生剂存在下被用于Monosil方法,用于使用热塑性母体聚合物的Sioplas方法中或用于使用热塑性母体聚合物的单体和/或预聚物的共聚合方法中。
6. 权利要求1-5中任何一项的用途,用于无填料的Si-交联的复合聚合物材料的生产中和/或用于有填料的Si-交联的复合聚合物材料的生产中;和/或用于以热塑性母体聚合物为基础的相应的有填料的Si-交联的或无填料的Si-交联的聚合物的生产中。
7. 权利要求1-6中任何一项的用途,特征在于
该用途是在热塑性母体聚合物,硅烷接枝的母体聚合物,硅烷共聚合的母体聚合物的存在下,和/或在该母体聚合物的单体和/或预聚物存在下,或在这些物质的混合物存在下发生的。
8. 在权利要求1-7中任何一项的用途,与有机官能化硅烷化合物一起使用。
9. 权利要求8的用途,特征在于
该有机官能化硅烷化合物对应于不饱和烷氧基硅烷,尤其具有以下通式III
- 其中,互相独立地,b是0,1,2或3,和a是0,1,2或3,前提条件是在通式III中b + a是小于或等于(≤)3,
- 其中B,互相独立地,是在通式III中的一价基团(R7)2C=C(R7)-Eq-,其中R7是相同或不同的,和R7是氢原子或甲基或苯基,基团E是选自-CH2-,-(CH2)2-,-(CH2)3-,-O(O)C(CH2)3-或-C(O)O-(CH2)3-的基团,q是0或1,或异戊二烯基,己烯基,环己烯基,萜烯基,角鲨烷基,角鲨烯基,聚萜烯基,Betulaprenoxy,顺/反-聚异戊二烯基, 或对应于R6-Dp-[C(R6) = C(R6)-C(R6) = C(R6)]t-Dp-,其中R6是相同或不同的,和R6是氢原子或具有1到3个碳原子的烷基,或芳基,或芳烷基,优选甲基或苯基,基团D是相同或不同的,和D是选自-CH2-,-(CH2)2-,-(CH2)3-,-O(O)C(CH2)3-或-C(O)O-(CH2)3-的基团,和p是0或1,和t是1或2,
- R5互相独立地是甲基,乙基,正丙基和/或异丙基,
- R4互相独立地是取代或未被取代的烃基团。
10. 权利要求1-9中任何一项的用途,与其它硅烷醇缩合催化剂一起使用,该催化剂包括二月桂酸二丁锡,二月桂酸二辛基锡,二辛基锡二(2-乙基己酸盐),二辛基锡二(异辛基巯基乙酸盐),二丁基锡二羧酸盐,单丁基锡三(2-乙基己酸盐),二丁基锡二新癸酸盐,月桂基锡氧烷,二丁基锡二酮酸盐,二辛基锡氧化物,二乙酸二丁基锡,马来酸二丁锡,二丁基锡二氯化物,硫化二丁锡,二丁基锡氧化物,有机锡氧化物,单丁基锡二羟基氯化物,单丁基锡氧化物,二丁基锡双(异辛基马来酸盐)。
11. 权利要求1-10中任何一项的用途,用于制品,尤其模塑体,优选电缆或管材的生产中。
12. 一种母料,尤其用于热塑性母体聚合物的交联,其特征在于
它包括有机酸的至少一种含硅的前体化合物和自由基产生剂。
13. 一种母料,尤其用于热塑性母体聚合物的交联,其特征在于
- 它包括作为组分A的尤其具有对应于上述定义的通式I和/或II的有机酸的至少一种含硅的前体化合物,和
- 任选地,作为组分B,自由基产生剂,和
- 任选地,作为组分C,有机官能化硅烷化合物,尤其是不饱和烷氧基硅烷,优选具有通式III的那些,其中b,a,B,R4和R5的定义与如以上所述,
- 其中以上组分A,B和/或C中的至少一种是在载体上或已经被包封。
14. 根据权利要求12或13所要求的母料,特征在于
它包括热塑性母体聚合物,硅烷接枝的母体聚合物,硅烷共聚合的母体聚合物,和/或这些母体聚合物的单体和/或预聚物,和/或这些物质的混合物。
15. 有机酸的含硅的前体化合物,尤其具有通式I和/或II的那些,在Monosil方法中,在Sioplas方法中,或在共聚合方法中的用途,尤其按照在权利要求1-14中任何一项中所要求的。
16. 有机酸的含硅的前体化合物,尤其具有通式I和/或II的那些,在含硅的聚合物的,或复合的聚合物材料的,无填料的交联聚合物的和/或加填料的交联聚合物的生产中的用途。
17. 包括按照在权利要求1-16中任何一项中所要求有机酸的含硅的前体化合物和/或它的水解和/或缩合的产物的制品。
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