Ethylen-Propylen-Dien-Monomer (EPDM): Synthese, Eigenschaften und industrielle Anwendungen

Ethylen-Propylen-Dien-Monomer (EPDM): Synthese, Eigenschaften und industrielle Anwendungen

Ethylen-Propylen-Dien-Monomer (EPDM) ist ein Elastomer mit gesättigter Kohlenstoffkette. Aufgrund seiner hervorragenden Witterungsbeständigkeit, Ozonbeständigkeit und breiten Temperaturanpassungsfähigkeit ist es zum Kernmaterial in den Bereichen Gebäudedichtungen, Automobilteile, Kabelisolierung und mehr geworden.

I. Chemische Struktur und Synthesemethode von EPDM

1. Chemische Zusammensetzung und Auswahl des dritten Monomers

EPDM ist ein ternäres Copolymer aus Ethylen (E), Propylen (P) und nicht konjugiertem Dien (D), wobei das Dien als Vernetzungsstelle (drittes Monomer) dient. Zu den Haupttypen gehören:

• Ethylidennorbornen (ENB): Hohe Vulkanisationsaktivität und Vernetzungsdichte (macht über 70 % der weltweiten EPDM-Produktion aus)

• Dicyclopentadien (DCPD): Niedrige Kosten, aber langsamere Vulkanisationsrate

• 1,4-Hexadien (HD): Hervorragende Hitzebeständigkeit, geeignet für Hochtemperatur-Vulkanisationssysteme

Typische Molekülstrukturformel:

-(CH}_2{CH}_2)_x-(CH}_2CH(CH}_3)_y-(Dien)_z

Der Ethylengehalt (45–75 %), der Propylengehalt (25–55 %) und der Gehalt an drittem Monomer (1–10 %) bestimmen zusammen die Materialeigenschaften.

2. Industrielle Produktionsprozesse

Die wichtigsten Verfahren sind die Lösungspolymerisation und die Gasphasenpolymerisation.

Produktionsprozess:

1. Rohmaterialraffinierung: Reinheit von Ethylen und Propylen >99,9 % und Diene müssen von Polymerisationsinhibitoren befreit werden.

2. Polymerisationsreaktion: Kontinuierliche Injektion von Katalysator, Reaktionszeit 1–3 Stunden

3. Monomerrückgewinnung: Nicht umgesetzte Monomere werden durch Entspannungsverdampfung abgetrennt (Rückgewinnungsrate >95 %).

4. Nachbearbeitung: Wasserwäsche zur Entfernung von Asche → Extrusionsentwässerung → Wirbelschichttrocknung

Zu den weltweit größten Herstellern gehören Dow Chemical (USA), LANXESS (Deutschland), JSR (Japan) und Sinopec (China).

II. Klassifizierung und Sortensystem von EPDM-Rohkautschuk

1. Klassifizierung nach Ethylengehalt

2. Klassifizierung nach drittem Monomertyp

• ENB-Typ: Mooney-Viskosität ML(1+4) 125℃ 40-80, Vulkanisationsgeschwindigkeitsindex (t90) 3-10 Min.

• DCPD-Typ: Mooney-Viskosität ML(1+4) 125℃ 30-60, t90 10-20 Min.

• HD-Typ: Hitzebeständig bis 150℃ (ENB-Typ ist 130℃)

3. Klassifizierung nach Mooney-Viskosität

III. Physikalische Eigenschaften von EPDM

1. Härte

• Teststandard: ASTM D2240 (Shore A)

• Bereich: Ungefüllter Gummi 30–50 Shore A, bis zu 40–90 Shore A nach Rußverstärkung.

• Anpassung: Eine Erhöhung des N550-Rußes um 20 phr erhöht die Härte um etwa 10 Grad; Die Zugabe von 10 Teilen Paraffinöl verringert die Härte um 3–5 Grad.

2. Mooney-Viskosität

• Testbedingung: ML(1+4) 125℃

• Typischer Wert: Rohkautschuk 30–100, hoher Ethylengehalt >70

• Auswirkungen auf die Verarbeitung: Kautschuk mit hohem Mooney-Gehalt erfordert eine längere Mischzeit oder die Zugabe von Fließhilfsmitteln (z. B. PE-Wachs).

3. Dichte

• Bereich: 0,86–0,87 g/cm³ (reiner Gummi) → 1,10–1,30 g/cm³ (gefüllt mit 50 phr Ruß)

• Vergleich: Geringer als Naturkautschuk (0,92 g/cm³) und Nitrilkautschuk (1,15 g/cm³)

4. Alterungsbeständigkeit

• Thermisch-oxidative Alterung: Beibehaltung der Zugfestigkeit >80 % nach 150℃×168h (erfordert Antioxidans MB 1 phr + TMQ 2 phr)

• Ozonalterung: Keine Risse nach 500 Stunden bei einer Ozonkonzentration von 50 ppm (Naturkautschuk hält nur 24 Stunden)

5. Elastizität

• Belastbarkeit: 50–70 % für vulkanisierten Gummi (höher als NBR, niedriger als Naturkautschuk)

• Dynamische Eigenschaften: Verlustfaktor (tanδ) 0,05–0,15, geeignet für Teile mit geringer Wärmeentwicklung

6. Flexibilität bei niedrigen Temperaturen

• Versprödungstemperatur: -60℃ (niedriger Ethylengehalt) bis -40℃ (hoher Ethylengehalt)

• TR70-Wert: Behält 70 % Elastizitätsmodul bei -50 °C

7. Stressentspannung

• Daten: Retention >60 % nach 1000 Stunden bei 100 % konstanter Zugspannung.

• Verbesserung: Die Zugabe von 5 phr Nano-Silica erhöht die Retention auf 75 %

8. Kompressionsrest

• Teststandard: ASTM D395 Methode B (125℃×22h)

• Typischer Wert: Peroxid-Vulkanisationssystem <20 %, Schwefel-Vulkanisationssystem 25–35 %

9. Andere Schlüsseleigenschaften

• Elektrische Isolierung: Durchgangswiderstand >1×10¹⁵ Ω·cm (geeignet für 10-kV-Kabel)

• Wasserdampfbeständigkeit: Volumenänderung <3 % nach 28 Tagen bei 100 °C

• Ermüdungsbeständigkeit: Dynamische Biegelebensdauer >5 Millionen Zyklen (ASTM D430)

IV. Chemische Eigenschaften von EPDM

1. Lösungsmittelbeständigkeit

• Polare Lösungsmittel: Beständig gegen Alkohole, Ketone (Quellrate in Aceton <10 %)

• Unpolare Lösungsmittel: Quellrate von 30–50 % in Mineralöl (Verbesserung durch CR-Mischung erforderlich)

• Säure- und Alkalibeständigkeit: Beständig gegen 10 %ige HCl- oder NaOH-Lösungen (Volumenänderung <5 %).

2. Beständigkeit gegenüber chemischen Medien

V. Punkte des Misch- und Vulkanisationsprozesses

1. Optimierung des Mischprozesses

• Geräteauswahl: Empfohlene Verwendung von Innenmischern (Füllfaktor 0,65-0,75)

Ladereihenfolge:

1. Kauen von Rohkautschuk (100-120℃×2min)

2. Zinkoxid/Stearinsäure

3. Ruß/Füller

4. Weichmacher (Paraffinöl)

5. Vulkanisationsmittel (Peroxid oder Schwefel)

• Temperaturkontrolle: Entladungstemperatur ≤130℃ (Schwefelsystem) oder ≤110℃ (Peroxidsystem)

2. Design des Vulkanisationssystems

3. Kontrolle des Vulkanisationszustands

• Plattenvulkanisation: 160℃×15-30 Min. (Schwefelsystem) oder 170℃×5-10 Min. (Peroxidsystem)

• Kontinuierliche Vulkanisation: Salzbad (230℃×2 Min.) oder Mikrowelle (2,45 GHz×90 Sek.)

4. Häufige Probleme und Gegenmaßnahmen

• Anbrennen: Kühlere Wassertemperatur im Innenmischer (<20℃), 0,3 phr CTP hinzufügen

• Blasendefekte: Vorgeformten Gummi 30 Minuten lang auf 60 °C vorwärmen, Formdruck >15 MPa

• Ungleichmäßige Vulkanisation: Stufenweises Erhitzen (120℃→160℃) oder Nachvulkanisation (150℃×2h) verwenden