DE1138941B - Verfahren zur Herstellung von homogenen Tetrapolymeren - Google Patents
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Description
DEUTSCHES
PATENTAMT
E20549IVd/39c
BEKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UNDAUSGABE DER
AUSLEGESCHRIFT:
4. FEBRUAR 1961
31. OKTOBER 1962
Es ist bekannt, kautschukartige Mischpolymere aus einem Isoolefin, z. B. Isobutylen, und einem Multiolefin,
z. B. Isopren, in Gegenwart eines Friedel-Crafts-Katalysators bei niedrigen Temperaturen herzustellen.
Dieses Mischpolymere, der Butylkautschuk, ist z. B. in den USA.-Patenten 2 356 128 und 2 399 672 sowie
z. B. in »Synthetic Rubber«, G. S. Whitby, Ausgabe 1954, beschrieben. Man hat auch schon das Isoolefin
und das Multiolefin mit einem Cycloalkyldien, z. B. Cyclopentadien, mischpolymerisiert und so ein Tripolymeres
mit verstärkter Ozonbeständigkeit erhalten. Ein großer Nachteil dieses Produktes ist es jedoch,
daß das Tripolymere eine niedrigere Mooney-Viskosität und ein niedrigeres Molekulargewicht als ein
vergleichbares Mischpolymeres eines Isoolefins mit nur einem Multiolefin besitzt.
Es wurde nun gefunden, daß sich ein homogenes Tetrapolymerisat mit verstärkter Mooney-Viskosität
und einem höheren Molekulargewicht herstellen läßt, wenn man ein Isoolefin, ein Multiolefin und ein Cycloalkyldien
mit einem aromatischen Polyvinylmonomeren, z. B. Divinylbenzol, in bestimmten Mengenverhältnissen
in Gegenwart von Friedel-Crafts-Katalysatoren mischpolymerisiert. Aromatische Verbindungen
hat man kautschukartigen Polymeren schon früher einverleibt, doch liegt bei der vorliegenden
Erfindung das überraschende Ergebnis darin, daß ζ. Β. Divinylbenzol zusammen mit Cyclopentadien ein
homogenes gelfreies Tetrapolymeres mit Isobutylen und Isopren ergibt. Das Divinylbenzol hat keine nachteilige
Wirkung auf die verbesserte Ozonbeständigkeit des Polymeren, die durch Cyclopentadien herbeigeführt
wird. Dazu wird die Mooney-Viskosität des Tetrapolymeren gesteigert und so die nachteilige
Eigenschaft des Tripolymeren überwunden.
Man mischpolymerisiert die Isoolefin- und Multiolefinmonomeren
für Butylkautschuk mit einem Cycloalkyldien und einem aromatischen Polyvinylmonomeren.
Das so entstehende Tetrapolymere läßt sich mit verschiedenen weiteren Zusätzen, z. B. Aktivierungsmitteln
u. dgl., verarbeiten und kann in der Folge zu einem Vulkanisat gehärtet werden.
Erfindungsgemäß verwendet man als eines der vier Monomeren ein Isoolefin. Dieses Isoolefin ist im allgemeinen
eine C4-C7-Verbindung, z. B. Isobutylen
oder 2-Methyl-l-buten.
Als weiteres Momomeres verwendet man ein Multiolefin, das in Mengen von 0,5 bis 30 Gewichtsprozent,
bezogen auf das Isoolefin, vorzugsweise 1 bis 5 Gewichtsprozent, zugesetzt wird. Das Multiolefin ist
gewöhnlich ein konjugiertes C4-C10-Diolefm, z. B.
Isopren, Dimethylbutadien, Butadien oder Piperylen.
Verfahren zur Herstellung
von homogenen Tetrapolymeren
von homogenen Tetrapolymeren
Anmelder:
Esso Research and Engineering Company,
Elizabeth, N. J. (V. St. A.)
Elizabeth, N. J. (V. St. A.)
Vertreter: Dr. W. Beil, A. Hoeppener
und Dr. H. J. Wolff, Rechtsanwälte,
Frankfurt/M.-Höchst, Antoniterstr. 36
und Dr. H. J. Wolff, Rechtsanwälte,
Frankfurt/M.-Höchst, Antoniterstr. 36
Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 9. März 1960 (Nr. 13 831)
V. St. v. Amerika vom 9. März 1960 (Nr. 13 831)
Augustus B. Small, Westfield, N. J.,
und Leon Sherwood MincMer jun.,
und Leon Sherwood MincMer jun.,
Metuchen, N. J. (V. St. A.),
sind als Erfinder genannt worden
sind als Erfinder genannt worden
Das dritte Monomere ist ein Cycloalkyldien. Hierzu gehören z. B. Cyclopentadien, Methylcyclopentadien
oder Cyclohexadien, die alle konjugierte Doppel-Doppel-Bindungen enthalten. Unter den Monomeren
bevorzugt man Cyclopentadien und außerdem die substituierten Cyclopentadiene mit bis zu etwa 6 Kohlenstoffatomen
je Substituent, z. B. Methyl-, Äthyl-, Propylmonocyclopentadiene. Das Cycloalkyldien wird
in Mengen zwischen 0,1 und 10 Gewichtsprozent, vorzugsweise zwischen 0,2 und 4 Gewichtsprozent,
bezogen auf das Isoolefin, zugemischt.
Das vierte Monomere ist eine aromatische PoIyvinylverbindung,
vorzugsweise eine Di- oder Trivinylverbindung, z. B. Divinylbenzol, Divinyltoluol,
Divinylxylol, Divinylnaphthalin oder Trivinylbenzol. Ganz besonders kommt die Verbindung Divinylbenzol
in Frage. Dieses Polyvinylmonomere wird in einer Menge von 0,1 bis 10 Gewichtsprozent, vorzugsweise
0,1 bis 1 Gewichtsprozent, bezogen auf das Isoolefin, zugemischt.
Die Mischung der vier Monomeren, denen 1 bis 5 Volumen eines inerten Verdünnungsmittels, z. B.
Methylchlorid, zugesetzt werden, wird auf zwischen 0 und —200° C abgekühlt. Der bevorzugte Tem-
209 679/355
peraturbereich liegt zwischen —60 und --13O0C.
Dieses kalte Gemisch wird in Gegenwart eines Friedel-Crafts-Katalysators, z. B. eines Aluminiunthalogenidkatalysators
in flüssiger oder gelöster Form unter starkem Rühren polymerisiert. Der Katalysator
wird im allgemeinen in einer Menge von etwa 0,15 bis 1,0 Gewichtsprozent, bezogen auf die gemischten
Olefine, zugesetzt. Die Polymerisation vollzieht sich
rasch, und das Polymere fällt in Form einer Aufschlämmung
oder eines flockigen weißen Feststoffes aus der Lösung aus. Das Tetrapolymere, das abgetrennt
und getrocknet wird, hat ein Molekulargewicht nach Staudinger zwischen 20000 und 100000,
vorzugsweise 30000 bis 70000, und besitzt eine Jodzahl zwischen 1 und 50, vorzugsweise zwischen
5 und 30.
Dieses kautschukartige Tetrapolymere kann mit anderen Stoffen wärmebehandelt werden, z. B. mit
Mineralfüllstoffen wie hydratisierter Kieselerde, mit Polyinylverbindung, z. B. Divinylbenzol (DVB), und
einem Cycloalkyldien, z. B. Cyclopentadien (CPD), hergestellte Tetrapolymere ist homogen und hat
ein verhältnismäßig hohes Molekulargewicht. Es besitzt eine ausgezeichnete Beständigkeit gegenüber
Ozon. Es war nicht vorauszusehen, daß dieses Tetrapolymere brauchbar sein werde, da es im Vergleich
zu gewöhnlichem Butylpolymeren oder einem Isopren-Cyclopentadien-Isobutylen-Tripolymeren
ein reaktionsfähigeres Polymeres ist und schwieriger gegen Oxydationszersetzung zu stabilisieren ist. Es
war daher überraschend, daß das Tetrapolymere ozonbeständiger als das Tripolymere ist und sich
ausreichend stabilisieren läßt. Das Ergebnis war unerwartet, da die Steigerung des Zusatzes sowohl von
Cyclopentadien als auch von Divinylbenzol zur Entstehung eines gelförmigen Polymeren führen.
Der vereinte Zusatz von beiden führt dagegen nicht zu einem gelförmigen Polymeren, sondern zu einem
Ruß und mit 2,2'-Methylen-(4-methyl-6-tert.butyl)- 20 homogenen, kohlenwasserstofflöslichen Polymeren,
phenol. Das Wärmebehandlungsverfahren läßt sich Da außerdem sowohl Cyclopentadien als auch Dials
statisch oder dynamisch, z. B. durch Heißwalzen oder durch Zwischenkombinationen von abwechselndem
oder cyclischen! statischem Erhitzen, durchführen, dem ein kurzes Kneten folgt. Die Wärmebehandlungstemperatur
liegt im allgemeinen zwischen 120 und 23O0C, vorzugsweise zwischen 150 und 1950C. Die
Zeit ist umgekehrt abhängig von der Temperatur und beträgt bei statischem Erhitzen auf 1200C 1 bis 8 Stunden,
bei dynamischem Erhitzen auf 175 bis 23O0C 5 bis 30 Minuten.
Die Wärmebehandlung wird mit einem anschließenden Kneten und/oder Mischen beendet, so daß man
ein Gemisch erhält, das homogen ist und sich im plastischen Zustand befindet.
Das wärmebehandelte kautschukartige Gemisch wird anschließend auf unter 12O0C abgekühlt, damit
Vulkanisationsmittel eingeführt werden· können, ohne daß ein Anvulkanisieren eintritt. Diese Mittel werden
vinylbenzol reaktionsfähiger als Isopren oder Isobutylen sind, war es überraschend, daß das Tetrapolymere
hinsichtlich der Ozonbeständigkeit und Brauchbarkeit eine deutliche Verbesserung gegenüber
den möglichen Misch- oder Tripolymerenverbindungen darstellt.
In den folgenden Beispielen bedeuten alle Teile und Prozente Gewichtsteile und Gewichtsprozente,
falls nichts anderes vermerkt ist.
In einem 3,8-1-Reaktionsgefäß wurden kontinuierliche
Polymerisationen durchgeführt. Die Reaktionstemperatur wurde unter Verwendung einer mechanischen
Gefrieranlage aufrechterhalten und das Reaktionsgefäß durch ein bewegtes, bei etwa -1120C
bei einer Temperatur zwischen 38 und 65 0C zugesetzt. 40 gehaltenes Bad gekühlt. Die Betriebsbedingungen für
Übliche Vulkanisationsmittel sind 0,Z bis 3 Gewichts- die Anlage waren folgende: Beschickungsgeschwindigprozent
Schwefel und
Beschleunigungsmittel,
Beschleunigungsmittel,
0,5 bis 5 Gewichtsprozent z. B. Tetramethylthiuramdisulfid,_2-Mercaptobenzothiazol,
Benzothiazoldisulfid, bis-4-Äthylthiazoldisulfid, Diphenylguanidin, Butyraldehydanilinprodukte,
Zinkdimethyldithiocarbamat, Thiazolguanadion oder Aldehydamine. Dem wärmebehandelten
kautschukartigen Gemisch können nach seiner Abkühlung noch weitere, jedoch nicht aus
elementarem Schwefel bestehende Vulkanisationsmittel zugesetzt werden, z. B. p-Dinitrosobenzol,
p-Chinondioxim und Thiuramdisulfid, Antioxydationsmittel und Stabilisierungsmittel, z. B. Stearinsäure,
Zinkoxyd, Pigmente und/oder Farbstoffe, Bearbeitungskeit etwa 200 cm3 je Minute; Katalysatorgeschwindigkeit
10~4 cm3 je Minute; Zusammensetzung der Beschickung
18% Kohlenwasserstoff und Methylchlorid; Katalysatorkonzentration 0,7 bis 1,5 g Aluminiumchlorid
je 100 cm3 Methylchlorid; Reaktionstemperatur —95 bis —102° C. Für die Polymerisationen
wurden folgende Materialien verwendet: Methylchlorid, Isobutylen (99,6%ig) mit Buten-1 0,2%,
Transbuten-2 0,2%; Isopren, Phillips (99%ig) umdestilliert; Cyclopentadien, zu 95% reines, aus
Dicyclopentadien hergestelltes Monomeres, das bei Trockeneistemperatur gelagert worden war; Divinylbenzol,
Divinylbenzol-Äthylvinylbenzol-Gemisch
hilfsmittel, z. B. Wachse, Harze und/oder Öle, Streck- 55 mit 50 bis 60% Divinylbenzolgehalt; Buten-1 (99%ig).
mittel, z. B. nichtflüchtige Mineralöle und/oder Ester.
Nach der Einverleibung der Härtungsmittel und der anderen Stoffe wird das Produkt in seine gewünschte
Form stranggepreßt oder verformt. Das stranggepreßte Gemisch wird anschließend durch
Erhitzen auf zwischen 120 und 132° C 240 bis 60 Minuten gehärtet oder 5 bis 0, 5 Minuten durch Erhitzen
auf eine verhältnismäßig hohe Temperatur zwischen 175 und 2050C oder auf Zwischenzeiten und -temperaturen
gehärtet.
Das aus einem Isoolefin, z. B. Isobutylen, einem Multiolefin, z. B. Isopren, einer aromatischen
Die Tabelle I zeigt die Ergebnisse, die bei Verwendung von im wesentlichen reinen Beschickungen
ohne n-Butenzusatz erhalten werden. Tabelle II zeigt die bei Verwendung von nicht reinen Beschickungen
erzielten Ergebnisse.
Fig. 1 zeigt den Einfluß des Cyclopentadiens auf die Mooney-Viskosität. Ein Zusatz von 0,5 Gewichtsprozent
Cyclopentadien senkt die Money-Viskosität um mindestens 24 bis 40 Einheiten. Der Zusatz von
0,5 Gewichtsprozent Cyclopentadien ist die bei diesem Produkt zulässige Höchstmenge. Tabelle III zeigt
eine Gegenüberstellung von Zusammensetzung der Beschickung und Qualität des Endproduktes.
Beschickung
Isopren (B-Nr.),
Gewichtsprozent (a)
Isopren (B-Nr.),
Gewichtsprozent (a)
Cyclopentadien (E-Nr.),
Gewichtsprozent (a)
Divinylbenzol (F-Nr.),
Gewichtsprozent (a)
Gewichtsprozent (a)
Umwandlung, Gewichtsprozent....
Gleichgewichtskonzentration von
n-Butenen, Gewichtsprozent (b)..
n-Butenen, Gewichtsprozent (b)..
Cyclopentadien im Polymeren,
Gewichtsprozent (c)
Gewichtsprozent (c)
Katalysatorleistung (d)
Produktbewertung
Viskosität, durchschnittliches
Molekulargewicht χ 10~3
Molekulargewicht χ 10~3
Gel, Gewichtsprozent
Mooney-Viskosität,
3 Minuten etwa 127°C (e)
Jodzahl
Verschmutzung des Reaktionsgefäßes*
| 3 | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 | 4,5 | 4,5 | 4,5 | 4,5 | 6 | 6 | 6 | 6 |
| — | — | — | 0,5 | 0,5 | 0,75 | 0,75 | 0,5 | 0,5 | 0,75 | 0,75 | — | — | — | 0,5 |
| —· | 0,5 | 1,0 | 0,5 | 1,0 | 0,5 | 1,0 | 0,5 | 1,0 | 0,5 | 1,0 | — | 0,5 | 1,0 | 0,5 |
| 46 | 58 | 57 | 49 | 43 | 61 | 68 | 59 | 64 | 52 | 62 | 51 | 48 | 54 | 52 |
| 0,7 | 1,0 | 0,9 | 0,8 | 0,7 | 1,0 | 1,3 | 1,0 | 1,1 | 0,8 | 1,1 | 0,8 | 0,8 | 0,9 | 0,8 |
| — | — | — | 1,02 | 1,16 | 1,23 | 1,10 | 0,85 | 0,78 | 1,44 | 1,21 | •— | — | — | 0,96 |
| 1080 | 1200 | 730 | 490 | 430 | 820 | 660 | 630 | 760 | 390 | 480 | 620 | 740 | 840 | 330 |
| 800 | 800 | 820 | 430 | 380 | 360 | 360 | 370 | 450 | 280 | 320 | 420 | 740 | 710 | 250 |
| 0 | 0 | 0 bis 23,4 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 80 | 94 | 86 | 55 | 57 | 44 | 47 | 46 | 59 | 28 | 39 | 44 | 60 | 64 | 24 |
| 8,3 | 10,7 | 10,5 | 13,0 | 15,6 | — | — | — | — | — | — | 21,4 | 22,2 | 21,9 | 24,1 |
| 1 | 2 | Reaktion unter brochen |
1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 2 | 1 | 1 |
*1 = Nur geringe Verschmutzung, hauptsächlich in Umgebung der Katalysatordüse.
2 = Beträchtliche Verschmutzung, jedoch keine Betriebsschwierigkeiten.
3 = Schwere Verschmutzung, Verstopfung.
(a) Gewichtsprozent, bezogen auf das Isobutylen in der Beschickung.
(b) Gewichtsprozent, bezogen auf das nicht umgesetzte Isobutylen.
(c) Bezogen auf die 100% ige Ausnutzung des Cyclopentadiens.
(d) Kilogramm Polymeres pro Kilogramm AlCl3.
(e) 1 Minute Vorerhitzen, Ablesung alle 3 Minuten.
0,5
1,0 51
0,8
0,98 650
370 0
39 25,8
OO CD
Beschickungsart
Isopren (B-Nr.),
Gewichtsprozent (a)
Isopren (B-Nr.),
Gewichtsprozent (a)
Cyclopentadien (E-Nr.),
Gewichtsprozent (a)
Gewichtsprozent (a)
Divinylbenzol (F-Nr.),
Gewichtsprozent (a)
Gewichtsprozent (a)
η-Buten, Gewichtsprozent (a) .. Umwandlung, Gewichtsprozent (a)
Gleichgewichtskonzentration
n-Butene, Gewichtsprozent (b) . Cyclopentadien im Polymeren,
Gewichtsprozent (c)
Katalysatorleistung (d)
Produktbewertung
Viskosität, durchschnittliches
Molekulargewicht χ 10~3
Gel, Gewichtsprozent
Mooney-Viskosität,
3 Minuten bei 127° C (e)
Jodzahl, eg, I2/g Polymeres
Verschmutzung des Reaktionsgefäßes*
0,25
0,5 2,4 46
4,4
0,54 510
450 0
60 12,2
0,5 2,4 53
0,66 540
390 0
50 12,6 0,5
0,5
0,4
49
0,4
49
0,8
1,02
490
490
430
0
0
55
13,0
13,0
3
0,5
0,5
0,5
2,4
59
2,4
59
5,9
0,84
570
570
270
0
0
32
13,5
13,5
3
0,5
0,5
1,0
0,4
0,4
0,7
1,16
430
430
380
0
0
57
15,6
15,6
3
0,5
0,5
1,0
2,4 53
5,1
0,94 520
410
0 bis 4,2
0 bis 4,2
55
14,6
14,6
3 0,5
1,0 4,4 50
1,0 470
340 0
38
0,86 480
310 0
38
Nur geringe Verschmutzung, hauptsächlich in der Umgebung
der Katalysatordüse.
2 = Beträchtliche Veschmutzung, jedoch keine Betriebsschwierigkeiten.
3 = Schwere Verschmutzung, Verstopfung.
B-3-Beschickung
Cyclopentadien
Divinylbenzol
Mooney-Viskosität,
3 Minuten etwa 127 0C
Gel,70 .....
Gel,70 .....
| 3 | 3 | 3 |
| 0 | 0,5 | 0 |
| 0 | 1,0 | 1,0 |
| 80 | 57 | 86 |
| 0 | 0 | 23 |
0,5
35 0
Aus Tabelle III geht hervor, daß ein gelfreies Tetraprodukt mit ausreichend hoher Mooney-Viskosität
hergestellt werden kann. Das Cyclopentadien-Tripolymere allein besitzt eine zu niedrige Mooney-Viskosität,
das Divinylbenzolprodukt enthält Gel. Fig. 2 und 4 zeigen die relative vergiftende Wirkung
von Cyclopentadien und Isopren. Es zeigt sich, daß die vergiftende Wirkung des Cyclopentadiens etwa
sechsmal so stark wie die von Isopren ist. Fig. 3 zeigt ein Beispiel dafür, daß bei Steigerung des Divinylbenzolgehalts
die Mooney-Viskosität des Produktes steigt und daß das Divinylbenzol eine stärkere
Wirkung hat, wenn die Beschickung eine große Menge Isopren enthält. Der Zusatz von n-Butenen verursacht
eine Abnahme der Mooney-Viskosität. In Fig. 3 wird die Gleichgewichtskonzentration von n-Butenen
der Mooney-Viskosität gegenübergestellt. Es wird darauf hingewiesen, daß Divinylbenzol die Überwindung
der Vergiftungswirkungen zunehmender Mengen n-Butene in der Flüssigkeit im Reaktionsgefäß
bewirkt. Das Tetrapolymere zeichnet sich ferner durch eine hohe Ozonbeständigkeit aus.
(a) Gewichtsprozent, bezogen auf das Isobutylen in der Beschickung.
(b) Gewichtsprozent, bezogen auf das nicht umgesetzte Isobutylen.
(c) Bezogen auf 100%ige Ausnutzung des Cyclopentadiens.
(d) Kilogramm Polymeres pro Kilogramm AlCl.
(e) 1 Minute Vorerhitzen, Ablesung alle 3 Minuten.
100 Teile Isobutylen wurden in einem Reaktionsgefäß mit verschiedenen Teilen Isopren, Cyclo-
pentadien und Divinylbenzol (s. Tabelle IV) bei —100° C in Gegenwart von Methylchlorid als Lösungsmittel
und 0,2 Teilen Al Cl3 als Katalysator polymerisiert. Die Polymeren wurden 40 Minuten bei
153° C gehärtet. Die physikalischen Eigenschaften sind in Tabelle IV aufgeführt.
Isopren
Cyclopentadien
Divinylbenzol
Mooney-Viskosität,
8 Minuten etwa 100°C
8 Minuten etwa 100°C
300 % Modul, kg/cm2 ..
Zugfestigkeit, kg/cm2 ...
Zugfestigkeit, kg/cm2 ...
Dehnung, °/0
Ozonbeständigkeit,
Stunden bis zum Bruch
Stunden bis zum Bruch
| 2,5 | 2,5 | 2,5 |
| — | 0,5 | 0,5 |
| — | — | 0,5 |
| 77 | 51 | 72 |
| 63 | 66,5 | 93,8 |
| 224,7 | 212,1 | 193,2 |
| 680 | 640 · | 510 |
| 0,75 | 6,5 | 10 |
127,4 138 330
Dieses Beispiel zeigt, daß die Härtungsgeschwindigkeit des Tetrapolymeren gesteigert wird und daß das
Tetrapolymere höchst ozonbeständig ist.
Die Tabelle V zeigt die Vorteile der Erfindung. Es ist offensichtlich, daß bei Verwendung der Bestandteile
bei Arbeitsgang 3 eine überlegene Ozonbeständig-
keit erreicht wird, während die physikalische Festigkeit beibehalten wird.
| 1 | 2 | 3 | |
| B | 3 0 0 >130 53,2 105 540 56/95 |
3 0 0,5 >130 76,3 108,5 450 75/92 |
3 0,5 0,5 76 68 80,5 320 135/230 |
| E | |||
| F | |||
| Mooney-Viskosität bei 1000C 300% Modul Zugfestigkeit °/o Dehnung Ozon, Minuten bis zum Reißen/Brechen |
10
Claims (2)
1. Verfahren zur Herstellung von homogenen Tetrapolymeren, dadurch gekennzeichnet, daß man
100 Teile eines Q-Q-Isooleflns, 0,5 bis 30 Teile
eines C4-C10-Multiolenns, 0,1 bis 10 Teile eines
Cycloalkyldiens und 0,1 bis 10 Teile eines aromatischen Polyvinylmonomeren, vorzugsweise
einer Di- oder Trivinylverbindung, in Gegenwart eines Friedel-Crafts-Katalysators mischpolymerisiert.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man 100 Teile Isobutylen,
0,5 bis 5 Teile Isopren, 0,1 bis 1 Teil Cyclopentadien und 0,1 bis 1 Teil Divinylbenzol mischpolymerisiert.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
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