EoW May 2008

deutsch Olefin-Elastomere für Draht- und Kabelanwendungen Von Day-Chyuan Lee, Ray Laakso, Larry Gross und Jack Muskopf, The Dow Chemical Company

Übersicht Polymerisolierungs-

1. Elastomerstruktur Handelsübliche Polyolefinelastomere sind Co- polymere des Ethylens mit einen oder mehreren höheren alpha-Olefinen, z. B. Ethylen-Okten (EO), Ethylen-Hexen (EH) oder Ethylen-Buten (EB), wie im Bild 1 dargestellt.Ethylen-Propylen- Kautschuk (EPR) sind Copolymere des Ethylens und Propylens, die zufällig angeordnet sind, um gummiartige und stabile Polymere herzustellen. Ein drittes, nichtkonjugiertes Dien-Monomer kann in kontrollierter Weise terpolymiert sein, um eine gesättigte Grundstruktur zu erhalten und den reaktiven ungesättigten Zustand in einer Seitenkette anzuordnen, die für die Chemie der Vulkanisierungs- oder Polymermodifikation verfügbar ist. Die ASTM-Bezeichnung für EPR ist EPM für Copolymere und EPDM für Terpolymere, wobei „E“ für „Ethylen“, „P“ für „Propylen“’, „D“ für „Dien“ und „M“ für eine gesättigte Kette des Polymethylentyps steht. Eine EPDM- Polymerstruktur mit Ethylidennorbornen (ENB), wie das Dienmonomer ist im Bild 2 dargestellt. Chloriertes Polyethylen (CPE) ist ein synthetisches Elastomere, das durch eine kontrollierte Chlorierung von Einsatzmaterial aus Polyethylen [1] mit Chloratomen erzeugt wird, die an der Polymer-Grundstruktur zufälligerweise verteilt sind. Eine verallgemeinerte chemische Struktur für CPE ist in Bild 3 dargestellt. Die ASTM-Bezeichnung für CPE ist CM oder Chlorpolyethylen, wobei„C“ für„Chlor“ und„M“ für eine gesättigte Kette des Polymethylentyps steht. Dank der stabilen, gesättigten Grundstruktur des Polymers, sind Mischungen aus ethylenhaltigen Elastomeren wertvoll wegen ihrer exzellenten Kombination von Wärme- und Ölbeständigkeit, wie in der ASTM D2000/SAE J200 Spezifikation [2,3] beschrieben und klassifiziert, und wie in Bild 4 dargestellt: Neben deren Beständigkeit in rauhen Umgebungen, ermöglicht deren Flexibilität eine einfache Kabelinstallation und bietet eine Unterstützung für zuverlässige Spleißungen und Endverschlüsse, insbesondere bei kaltemWetter. Deswegen sind sie für die Kabelisolierung und -ummantelung attraktiv. Die Flexibilitätsbereiche ethylenhaltiger Elastomere, verglichen mit anderen gängigen Kunststoffen, sind in Bild 5 dargestellt. 2. Struktur-Eigenschafts- Beziehungen Kristallisation, Molekulargewicht (MW - molecular weight), Molekulargewichtverteil- ung (MWD - molecular weight distribution), Verzweigung, Copolymer/Dien Typ/Niveau, und Chlorgehalt sind einige der wichtigsten Variablen der Kettenarchitektur, die geändert werden können, um die Leistung der vielen unterschiedlichen gängigen ethylenhaltigen Elastomere zu optimieren.

und Ummantelungs- materialien sind ein zuverlässiges, kosten- günstiges Mittel, um Kabel, Draht und Fasern zu schützen, die bei heutigen Strom- und Datenübertragungsanwendungen eingesetzt werden. Die Auswahl der Polymerbeschichtung für eine besondere Anwendung hängt von verschiedenen Faktoren ab, darunter die elektrischen, physikalischen und die Umwelt betreffenden Eigenschaftsanforderungen des Kabels. Kunststoff- und Elastomer-Mischungen sind zwei der gängigsten Klassen von Materialien, die in den meisten Draht- und Kabelaufbauten verwendet werden. Polyethylen, eins der beliebtesten Kunststoffe, die in der Draht- und Kabelindustrie wegen der guten Leistungen und relativen Preisgünstigkeit eingesetzt werden, hält einen großen Marktanteil. Ergänzend zu Kunststoff, verfügen Kabel, bei denen Elastomer-Mischungen verwendet werden, über eigene eindeutige Leistungseigenschaften, die sich aus deren besonderer Polymerarchitektur ergeben. Elastomere sind Polymere, die eine extrem elastische Dehnbarkeit und Flexibilität auf- weisen, wenn sie relativ niedrigen mechanis- chen Belastungen ausgesetzt werden. Aus einem Vergleich der Polymerarchitektur von Polyethylen mit drei marktüblichen Elasto- meren (Ethylen-Okten (EO) (oder –Buten (EB)), chloriertes Polyethylen (CM) und EPDM (Ethylen- Propylen-Dien-Terpolymer) sind die Ähnlich- keiten und Unterschiede dieser verschiedenen Materialklassen ersichtlich und ein Einblick in deren Leistungsmerkmale geboten. Alle diese Polymere besitzen eine gesättigte Grundstruktur, jedoch sind Flexibilität, taktile Eigenschaft und Leistung der Mischungen sehr unterschiedlich. Die Materialien amorphster Elastomer-EO/EB, CM oder EPDM neigen dazu Mischungen herzustellen, die flexibler sind als Polyethylen-Mischungen. Dieser Artikel liefert einen Überblick über die Rolle dieser Elastomere-Polymere in Draht- und Kabelanwendungen und berichtet über die Ähnlichkeiten und Unterschiede der Materialien, die sich aus deren Polymerarchitektur ergeben. Besonderer Wert wird auf die Elastomerharze gelegt. Die Struktur-Eigenschafts-Beziehungen werden unterstrichen, um bei der Erklärung der wichtigsten Vor- und Nachteile zu helfen, die jeder Polymertyp der Draht- und Kabelindustrie bietet. Elastomere können sich an einem breiten Anwendungsbereich beteiligen, einschließlich thermoplastischer oder wärmehärtende Systeme, wie z. B. Ummantelung, Isolierung, Füllmaterial, sowie raucharme, halogenfreie Systeme und Niederspannungsisolierung. Technische Anga- ben über die Anwendung dieser Polymere in typischen Draht- und Kabelanwendungen werden zum Zwecke der Erklärung vorgelegt.

Bild 1 ▲ ▲ : Struktur von Ethylen-Buten-Elastomer

Bild 2 ▲ ▲ : Struktur von ENB enthaltendes EPDM

Bild 3 ▲ ▲ : Struktur von CPE

2.1 Kristallisation und Molekulargewicht Aus einer geordneten und der Atome oder Atomengruppen kann sich die Kristallisation ergeben. Die Kristallisation und der kristalline Schmelzpunkt hängen von der Blocklänge des Ethylensegments und von den Kristallmangelhaftigkeiten der ethylenhaltigen Elastomere ab. Im Vergleich zu Copolymere des Ethylens mit höheren alpha-Olefinen, weisen Ethylen-Propylene-Copolymer (CPE) in der Regel kürzere Ethylenblöcke mit mehreren Fehlern in den Kristallphasen auf. Die Kristallisation der CPE kann anhand des Chlorierungsverfahrens eingestellt werden, um ein amorphes oder halbkristallines Produkt zu erzielen. Das Niveau der Restpolyethylen-Kristallisation spielt ebenfalls eine wichtige Rolle, um die gesamten physikalischen Eigenschaften der CPE zu prüfen. Ethylenblöcke sind in einem Random-Copolymer zu kurz um in eine beträchtliche Kristallisation und in ein amorphes Polymer zu resultieren. Amorphes Ethylen-Copolymer ist weich und kann leicht verarbeitet werden und hat im Allgemeinen niedrigere physikalische Eigenschaften als ein Elastomer mit höherer Kristallisation. Bei zirka 60 wt% Ethylen, verfügt ein Olefinelastomer über ausreichende Kristallisation und ist hart genug um granuliert zu werden. Wegen des Chlorierungsverfahrens ist CPE immer pulverförmig, unabhängig von der Kristallisation. Die Kristallisation hat einen starken Einfluß auf die physikalischen Eigenschaften. So entsteht zum Beispiel bei erhöhter Kristallisation, Zugfestigkeit und gesteigertemModul, eine Erhöhung der Härte und Reißfestigkeit, jedoch eine Reduzierung beim Verhalten niedriger Temperaturen, elastischer Erholung und Biegebeständigkeit. regelmäßig sich wiederholenden Anordnung

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EuroWire – Mai 2008