DE10100631A1 - Silliciumorganische Nanokapseln - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft siliciumorganische Nanokapseln, bestehend aus einem nanoskaligen Kern A, welcher mindestens ein Oxid und/oder Mischoxid (KA-O) mindestens eines Metalls oder Halbmetalls der zweiten bis sechsten Hauptgruppe, der ersten bis achten Nebengruppe des Periodensystems der Elemente oder der Lanthanide enthält, und einer siliciumorganischen Umhüllung B, wobei die siliciumorganische Umhüllung B mindestens einen siliciumorganischen Bestandteil der allgemeinen Formel Ia DOLLAR A (Si'O)¶x¶Si-R, DOLLAR A worin R für eine lineare, verzweigte, cyclische oder substituierte Alkylgruppe mit 1 bis 50 C-Atomen steht und x eine Zahl von 0 bis 20 ist, wobei die noch freien Valenzen von Si durch SiO- und/oder -Z und die freien Valenzen Si' durch SiO-, -R und/oder -Z gesättigt sind, die Gruppen Z gleich oder verschieden sind und Hydroxy- und/oder Alkoxy-Reste darstellen, und jedes Si bzw. Si' der Umhüllung B maximal eine Gruppe R trägt. DOLLAR A enthält und/oder der siliciumorganische Bestandteil der Umhüllung B über eine oder mehrere kovalente Bedingungen der allgemeinen Formel Ib DOLLAR A (KA-O)-[(Si'O-)¶x¶Si-R], DOLLAR A worin R für eine lineare, verzweigte, cyclische oder substituierte Alkylgruppe mit 1 bis 50 C-Atomen steht und x eine Zahl von 0 bis 20 ist, wobei die noch freien Valenzen von Si durch (KA-O)-, SiO- und/oder -Z und die freien Valenzen von Si' durch (KA-O)-, SiO-, -R und/oder -Z gesättigt sind, die Gruppen Z gleich oder verschieden sind und Hydroxy- und/oder Alkoxy-Reste ...
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft siliciumorganische Nanokapseln, bestehend aus
einem nanoskaligen Kern A, der mindestens ein Oxid oder Mischoxid mindestens
eines Metalls oder Halbmetalls der zweiten bis sechsten Hauptgruppe, der ersten bis
achten Nebengruppe des Periodensystems der Elemente oder der Lanthanide
enthält, und einer im Wesentlichen vollständigen, siliciumorganischen Umhüllung B,
wobei diese durch Umsetzen aus mindestens einer organofunktionellen
Siliciumverbindung, die eine organofunktionelle Gruppe und mindestens eine
hydrolysierbare Gruppe bzw. mindestens eine Hydroxygruppe aufweist, und
nanoskaligen Partikeln A erhältlich sind.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung
siliciumorganischer Nanokapseln, wobei diese direkt in einer
Kunstharzzusammensetzung anfallen. Ebenfalls betrifft die vorliegende Erfindung die
Verwendung solcher Zusammensetzungen als Lack für die Erzeugung einer
kratzfesten Beschichtung auf einem Substrat sowie entsprechend kratzfest
beschichtete Artikel.
Es ist bekannt, die Oberflächeneigenschaften von Sol- oder Gelpartikeln oder von
Metall- bzw. Halbmetalloxiden durch eine Behandlung mit einem hydrolysierbaren
Organosilan oder Organosiloxan zu modifizieren, wobei in der Regel eine nur
einlagige Silanschicht an das Oxid- bzw. Solgelpartikel anbindet. So behandelte
Oxide bzw. Sol- oder Gelpartikel, beispielsweise anorganische Pigmente oder
Füllstoffe, können in eine Polymermatrix eingebracht werden, insbesondere in Folien
sowie in Beschichtungsmittel und damit erzeugbare Beschichtungen. In der Regel ist
jedoch die Kratzfestigkeit solcher Polymersysteme gering.
DE 198 46 660 offenbart nanoskalige, oberflächenmodifizierte Oxid- bzw.
Mischoxidpartikel, die von kovalent an das Oxidpartikel gebundenen
siliciumorganischen Gruppen umhüllt sind, wobei die organofunktionellen Gruppen
als reaktive Gruppen beschrieben werden und üblicherweise nach außen orientiert
sind, sodass sie durch Polymerisation mit dem Polymermaterial beim Aushärten des
Präpolymers in die Polymermatrix eingebunden werden. Das Herstellverfahren
solcher Beschichtungsmittel ist aufwendig, da das Organosilan und die oxidische
Komponente alternierend in das Präpolymer eingearbeitet werden.
DE 198 46 659 besitzt den selben Zeitrang wie DE 198 46 660 und betrifft einen
Schichtwerkstoff, der mit einer kratzfesten Kunstharzschicht versehen ist, welche
ebenfalls nanoskalige, oberflächenmodifizierte Oxidpartikel enthält. DE 198 46 659
lehrt speziell den Einsatz von Acryloxyalkylsilanen zur Erzeugung einer Umhüllung
nanoskaliger Oxidpartikel, welche reaktive, strahlenvernetzbare Gruppen besitzt. Die
Herstellung des Beschichtungsmittels erfolgt hier ebenfalls durch eine
zeitaufwendige Umsetzung einer nanoskaligen Kieselsäure mit Methacryloxypropyl
trimethoxysilan (DYNASYLAN® MEMO) in einer Acrylatformulierung in Gegenwart
von Wasser, einer Säure sowie eines Netzmittels. Wiederum müssen die
Komponenten in einer speziellen Reihenfolge alternierend zusammengebracht
werden.
Darüber hinaus sind hydrolysierbare Silankomponenten mit ethylenisch
ungesättigten Organogruppen meist hochpreisige Einsatzstoffe. Ferner neigt
DYNASYLAN® MEMO bereits in Gegenwart geringer Spuren einer die
Polymerisation in Gang setzenden Substanz oder Strahlung zur Reaktion, wodurch
die Viskosität einer entsprechenden Zubereitung drastisch ansteigen kann. Zur
Vermeidung der unerwünschten Polymerisation müssen Stabilisatoren zugesetzt
werden. Daher ist es oft schwierig, die Handhabung der Einsatzstoffe und die
Herstellung solcher Beschichtungssysteme zu beherrschen.
Weiterhin sind besagte Beschichtungsmittel vielfach hochviskos und enthalten meist
nur einen geringen Anteil an Oxidpartikel, was sich auf die Kratzfestigkeit der
späteren Beschichtung auswirkt. Auch ist es schwierig, solche hochviskosen
Beschichtungsmittel auf ein Substrat aufzutragen, insbesondere wenn es sich um
dünne, zerreißbare Substrate handelt. Oft ist die Kratzfestigkeit so erhältlicher
Beschichtungen verbesserungswürdig. Bei solchen hochviskosen Systemen ist
darüber hinaus eine spezielle aufwendige Auftragevorrichtung erforderlich. Häufig
werden solchen hochviskosen Beschichtungsmitteln auch Lösungsmittel zugegeben,
die zur Erhöhung der organischen Emissionen (VOC-Problematik, VOC = "flüchtige
organische Verbindungen") führen.
Der vorliegenden Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, siliciumorganische
Nanokapseln bereitzustellen, die möglichst einfach und wirtschaftlich hergestellt
werden können und gute Eigenschaften besitzen. Ein besonderes Anliegen der
vorliegenden Erfindung war es, solche Nanokapseln direkt in einem Mittel für
kratzfeste Beschichtungen zugänglich zu machen und Artikel mit einer kratzfesten
Kunstharzbeschichtung auszustatten.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß entsprechend den Angaben der
Patentansprüche gelöst.
Überraschenderweise wurde nun gefunden, dass siliciumorganische Nanokapseln in
einfacher und wirtschaftlicher Weise erhältlich sind, wenn man
- a) mindestens ein nanoskaliges Oxid und/oder Mischoxid (KA-O) mindestens eines Metalls oder Halbmetalls der zweiten bis sechsten Hauptgruppe, der ersten bis achten Nebengruppe des Periodensystems der Elemente oder der Lanthaniden
mit
- a) mindestens einem Alkyltrialkoxysilan der allgemeinen Formel (II)
(Z)3Si-R (II)
worin die Gruppen Z gleich oder verschieden sind und die Gruppen R und Z dieselbe Bedeutung wie in den Ansprüchen 1 bis 4 besitzen,
und
- a) gegebenenfalls einem monomeren und/oder oligomeren Kieselsäureester, der Methoxy-, Ethoxy- oder n- bzw. i-Propoxygruppen trägt und einen mittleren Oligomerisierungsgrad von 1 bis 50 aufweist, bevorzugt ist ein mittlerer Oligomerisierungsgrad von 2 bis 10, besonders bevorzugt einer von 3 bis 5,
und
- a) gegebenenfalls einem organofunktionellen Siloxan, dessen Funktionalitäten gleich oder verschieden sind und jedes Si-Atom im Siloxan eine Funktionalität aus der Reihe n-, i-, cyclo-Alkyl, vorzugsweise solche Alkylgruppen mit 1 bis 20 C-Atomen, Fluoralkyl, Chloralkyl, Bromalkyl, Jodalkyl, Alkoxyalkyl, Mercaptoalkyl oder Aminoalkyl trägt und die verbleibenden freien Valenzen der Si-Atome im Siloxan durch Methoxy- oder Ethoxy- oder Hydroxy-Gruppen gesättigt sind,
und
- a) gegebenfalls einem weiteren organofunktionellen Silan aus der Reihe Aminoalkylalkoxysilan, Mercaptoalkylalkoxysilan, Alkoxyalkylalkoxysilan, Epoxy alkoxysilan, Fluoralkylalkoxysilan, Chloralkylalkoxysilan, Bromalkylalkoxysilan oder Jodalkylalkoxysilan, wobei Alkoxy vorzugsweise Methoxy, Ethoxy, n- oder i-Propoxy und insbesondere für Triethoxy steht,
in situ in einem härtbaren Kunstharz oder einer Vorläuferstufe eines Kunstharzes,
d. h. einem flüssigen Präpolymer, zum Beispiel einem Acrylat, Methacrylat, Epoxid,
Polyurethan oder ungesättigtem Polyester,
umsetzt.
Ferner wurde überraschenderweise gefunden, dass man die folgende Umsetzung
zur in-situ-Herstellung einer siliciumorganische Nanokapseln enthaltenden
Beschichtungszusammensetzung in besonders vorteilhafter Wiese durchführen
kann, wenn man ein Organosilan gemäß (ii), das eine alkylfunktionelle Gruppe, wie
eine lineare, verzweigte oder cyclische Alkylgruppe, vorzugsweise mit 1 bis 20 C-
Atomen, und mindestens eine hydrolysierbare Gruppe, vorzugsweise Methoxy,
Ethoxy, i- oder n-Propoxy oder 2-Methoxyethoxy, oder mindestens eine
Hydroxygruppe enthält, und gegebenenfalls oben genannte Komponenten (iii) bis (v)
zunächst in ein flüssiges, härtbares Kunstharz oder einer Vorläuferstufe eines
Kunstharzes einbringt, Katalysator, gegebenenfalls Netzmittel und Wasser zugibt,
mischt und erst anschließend die Komponente (i) unter guter Durchmischung zusetzt
sowie entstehenden Hydrolysealkohol aus dem System abzieht, d. h., dass man
beim vorliegenden Verfahren gegenüber der Lehre des Standes der Technik, wie sie
aus DE 198 46 660 sowie DE 198 46 659 zu entnehmen ist, die siliciumorganischen
Komponenten und die oxidische Komponente nicht alternierend in das flüssige,
härtbare Kunstharz einarbeitet.
Das vorliegende Verfahren ist ferner überraschend und vorteilhaft, da so ein
siliciumorganische Nanokapseln enthaltendes Beschichtungsmittel für
Kratzfestbeschichtungen erhältlich ist, das niedrigviskos und homogen ist, wobei das
Beschichtungsmittel einen besonders hohen Anteil an siliciumorganischen
Nanopartikel enthalten kann. Darüber hinaus kann man insbesondere mit
erfindungsgemäßen alkylfunktionelle siliciumorganische Nanokapseln enthaltenden
Beschichtungsmitteln eine ausgezeichnete Kratzfestigkeit erzielen.
Im Allgemeinen hydrolysieren bzw. kondensieren dabei hydrolisierbare Gruppen der
siliciumorganischen Komponenten miteinander und umhüllen die oxidischen
Nanopartikel (KA-O). Gegebenenfalls können die hydrolysierbaren Gruppen oder
Hydroxygruppen mit an der Oberfläche der oxidischen Nanopartikel (KA-O)
befindlichen Hydroxygruppen oder mit freien Valenzen siliciumorganischen
Komponenten der Umhüllung B unter Ausbildung einer kovalenten Bindung
kondensieren.
Geeigneterweise erfolgt beim vorliegenden Verfahren die besagte Umsetzung in
Gegenwart definierter Mengen Wasser. Bevorzugt setzt man pro Mol einer
hydrolysierbaren, Si-gebundenen Gruppe der siliciumorganischen Komponenten 0,5
bis 6 Mol Wasser, besonders vorzugsweise 0,5 bis 4 Mol Wasser, ganz besonders
vorzugsweise 1 bis 1,5 Mol Wasser, ein. Ferner ist der Einsatz eines Katalysators
sowie eines Netzmittels bevorzugt.
Insbesondere lassen sich beim vorliegenden Verfahren durch den Einsatz von
Methyltrialkoxysilan sowie n-Propyltrialkoxysilan Beschichtungszusammensetzungen
mit hohen Feststoffgehalten, hoher Transparenz und guten Verarbeitungseigen
schaften erhalten.
Im Allgemeinen strebt man bei solchen, dilatanten Beschichtungssystemen eine
Viskosität bis 2500 mPa.s an. Vorzugsweise besitzen erfindungsgemäße Lösemittel
freie Beschichtungsmittel eine Viskosität von < 500 bis 1000 mPa.s.
Geeigneterweise betragen dabei die Gehalte an nanoskaligen Kapseln in
erfindungsgemäßen Beschichtungsmitteln bis zu 60 Gew.-%.
Ferner erhält man beim vorliegenden Verfahren im Wesentlichen vollständig und
mehrschichtig siliciumorganisch umhüllte nanoskalige Oxid- bzw. Mischoxidpartikel,
sogenannte siliciumorganische Nanokapseln, die direkt in vorteilhafter Weise fein
dispergiert in einem härtbaren Kunstharz anfallen und das vergleichsweise
niedrigviskose Produktgemisch als solches oder als Basis für Lacke zur kratzfesten
Beschichtung von Oberflächen verwendet werden kann.
Erfindungsgemäße Beschichtungsmittel bzw. Lacke können als weitere
Komponenten beispielsweise Initiatoren für die photochemische Härtung bzw.
UV-Härtung, wie Darocur® 1173, Lucirin® TPO-L, Stabilisatoren, wie HALS-
Verbindungen, Tinuvine sowie Antioxidantien, wie Irganox® enthalten.
Durch die vorliegende Herstellungsweise ist ein lösemittelfreier, vergleichsweise
niedrigviskoser Lack bzw. eine Zusammensetzung mit erfindungsgemäßen
siliciumorganischen Nanokapseln in einfacher und wirtschaftlicher Weise direkt
zugänglich.
Das Beschichten eines Substrats mit der vorliegenden Zusammensetzung kann in
der Regel aufgrund der geringen Viskosität der Zusammensetzung mit
vergleichsweise geringem Aufwand erfolgen.
Die Härtung der Beschichtung erfolgt geeigneterweise photochemisch durch
UV-Bestrahlung oder durch Bestrahlung mit Elektronenstrahlen. Üblicherweise führt man
die Bestrahlung bei einer Temperatur von 10 bis 60°C, vorteilhaft bei
Umgebungstemperatur, durch.
Dabei erhält man eine Beschichtung, die sich in überraschender Weise durch eine
höhere Packungsdichte und eine hervorragende Kratzfestigkeit auszeichnet. Es wird
erkannt, dass die nicht mit der Polymermatrix polymersierten Alkylgruppen der
erfindungsgemäßen siliciumorganischen Nanokapseln eine steuernde Funktion
übernommen haben. So zeichnen sich erfindungsgemäß beschichtete Substrate
bzw. Artikel in der Regel durch eine hervorragende Kratzfestikeit gemäß DIN 53 799
(Hartkugel) sowie durch eine gute Abriebbeständigkeit (DIN 52 347) aus.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind daher siliciumorganische Nanokapseln,
bestehend aus einem nanoskaligen Kern A, welcher mindestens ein Oxid und/oder
Mischoxid (KA-O) mindestens eines Metalls oder Halbmetalls der zweiten bis
sechsten Hauptgruppe, der ersten bis achten Nebengruppe des Periodensystems
der Elemente oder der Lanthaniden enthält, und einer siliciumorganischen
Umhüllung B, wobei die siliciumorganische Umhüllung B mindestens einen
siliciumorganischen Bestandteil der allgemeinen Formel Ia
(Si'O-)xSi-R (Ia),
worin R für eine lineare, verzweigte, cyclische oder substituierte Alkylgruppe mit
1 bis 50 C-Atomen steht und x eine Zahl von 0 bis 20 ist, wobei die noch freien
Valenzen von Si durch SiO- und/oder -Z und die freien Valenzen Si' durch
SiO-, -R und/oder -Z gesättigt sind, die Gruppen Z gleich oder verschieden sind
und Hydroxy- und/oder Alkoxy-Reste darstellen, und jedes Si bzw. Si' der
Umhüllung B maximal eine Gruppe R trägt,
enthält und/oder der siliciumorganische Bestandteil der Umhüllung B über eine oder mehrere kovalente Bindungen der allgemeinen Formel Ib
enthält und/oder der siliciumorganische Bestandteil der Umhüllung B über eine oder mehrere kovalente Bindungen der allgemeinen Formel Ib
(KA-O)-[(Si'O-)xSi-R] (Ib)
worin R für eine lineare, verzweigte, cyclische oder substituierte Alkylgruppe mit
1 bis 50 C-Atomen steht und x eine Zahl von 0 bis 20 ist, wobei die noch freien
Valenzen von Si durch (KA-O)-, SiO- und/oder -Z und die freien Valenzen von
Si' durch (KA-O)-, SiO-, -R und/oder -Z gesättigt sind, die Gruppen Z gleich
oder verschieden sind und Hydroxy- und/oder Alkoxy-Reste darstellen, und
jedes Si bzw. Si' der Umhüllung B maximal eine Gruppe R trägt,
an den Kern A (KA-O) gebunden ist.
an den Kern A (KA-O) gebunden ist.
Als lineare, verzweigte oder cyclische Alkylgruppen der erfindungsgemäßen
Nanokapseln sind solche mit 1 bis 20 C-Atomen, besonders bevorzugt sind Methyl-,
Ethyl-, n-Propyl-, i-Propyl-, n-Butyl-, i-Butyl-, sec.-Butyl, t-Butyl-, n-Hexyl-, n-Octyl-, i-
Octyl-, n-Dodecyl-, n-Hexadecyl- oder n-Octadecyl-Gruppen. Als substituierte
Alkylgruppen bevorzugt man hier Fluoralkylgruppen der allgemeinen Formel
CF3(CF2)y(CH2CH2)z, worin y eine Zahl von 0 bis 10 und z gleich 0 oder 1 sind,
besonders vorzugsweise Heptafluorpropyl- oder Tridecafluor-1,1,2,2-tetrahydrooctyl.
Als Alkoxy-Reste der Gruppen Z sind solche mit einem lineare, cyclischen oder
verzweigten Alkylrest mit 1 bis 18 C-Atomen bevorzugt, insbesondere sind Methoxy-,
Ethoxy-, i- oder n-Propoxygruppen bevorzugt.
Geeigneterweise besteht der Kern A der erfindungsgemäßen polymerisierbaren
siliciumorganischen Nanokapseln aus mindestens einem Oxid und/oder Mischoxid
(KA-O), Oxidhydroxide sind hiermit eingeschlossen, aus der Reihe der Elemente Si,
Al, Ti und/oder Zr, beispielsweise SiO2, wie pyrogen hergestellte Kieselsäure,
Silikate, Al2O3, Aluminiumhydroxid, Alumosilikate, TiO2, Titanate, ZrO2 oder
Zirkonate.
Einschließlich der Umhüllung B weisen erfindungsgemäße polymerisierbare
siliciumorganische Nanokapseln vorzugsweise einen mittleren Durchmesser von 10
bis 400 nm, besonders vorzugsweise 20 bis 100 nm, auf.
Gleichfalls sind Gegenstand der vorliegenden Erfindung siliciumorganische
Nanokapseln, die erhältlich sind durch eine Umsetzung von
- a) mindestens einem nanoskaligen Oxid und/oder Mischoxid mindestens eines Metalls oder Halbmetalls der zweiten bis sechsten Hauptgruppe, der ersten bis achten Nebengruppe des Periodensystems der Elemente oder der Lanthanide
mit
- a) mindestens einem Alkyltrialkoxysilan der allgemeinen Formel (II)
(Z)3Si-R (II)
worin die Gruppen Z gleich oder verschieden sind und die Gruppen R und Z dieselbe oben genannte Bedeutung besitzen,
und
- a) gegebenenfalls einem monomeren und/oder oligomeren Kieselsäureester, welcher Methoxy-, Ethoxy-, n-Propoxy- oder i-Propoxygruppen trägt und einen mittleren Oligomerisierungsgrad von 1 bis 50 aufweist, beispielsweise Tetramethoxysilan, Tetraethoxysilan, wie DYNASIL® A, Tetrapropoxysilan, wie DYNASIL® P, oder ein oligomeres Ethylsilikat, wie DYNASIL® 40,
und
- a) gegebenenfalls einem organofunktionellen Siloxan, dessen Funktionalitäten gleich oder verschieden sind und jedes Si-Atom im Siloxan eine Funktionalität aus der Reihe n-, i-, cyclo-Alkyl, Fluoralkyl, Chloralkyl, Bromalkyl, Jodalkyl, Alkoxyalkyl, Mercaptoalkyl oder Aminoalkyl trägt und die verbleibenden freien Valenzen der Si-Atome im Siloxan durch Methoxy- oder Ethoxy- oder Hydroxy- Gruppen gesättigt sind, bevorzugt sind solche Siloxane mit einem mittleren Oligomerisierungsgrad von 1 bis 20, besonders vorzugsweise mit einem mittleren Oligomerisierungsgrad von 2 bis 10, wie sie insbesondere aus den deutschen Patentanmeldungen 199 55 047.6, 199 61 972.7, EP 0 518 057, EP 0 590 270, EP 0 716 127, EP 0 716 128, EP 0 760 372, EP 0 814 110, EP 0 832 911, EP 0 846 717, EP 0 846 716, EP 0 846 715, EP 0 953 591, EP 0 955 344, EP 0 960 921, EP 0 978 525, EP 0 930 342, EP 0 997 469, EP 1 031 593 und EP 0 075 697 zu entnehmen sind,
und
- a) gegebenenfalls einem weiteren organofunktionellen Silan aus der Reihe Aminoalkylalkoxysilan, Mercaptoalkylalkoxysilan, Alkoxyalkylalkoxysilan, Epoxy alkoxysilan, Fluoralkylalkoxysilan, Chloralkylalkokxysilan, Bromalkylalkoxysilan oder Jodalkylalkoxysilan,
welche in situ in einem härtbaren Kunstharz oder einer Vorläuferstufe eines
Kunstharzes erfolgt.
Ferner ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von
siliciumorganischen Nanokapseln, das dadurch gekennzeichnet ist, dass man
- a) mindestens ein nanoskaliges Oxid und/oder Mischoxid mindestens eines Metalls oder Halbmetalls der dritten bis sechsten Hauptgruppe, der ersten bis achten Nebengruppe des Periodensystems der Elemente oder der Lanthanide
mit
- a) mindestens einem Alkyltrialkoxysilan der allgemeinen Formel (II)
(Z)3Si-R (II)
worin die Gruppen Z gleich oder verschieden sind und die Gruppen R und Z dieselbe Bedeutung wie in den Ansprüchen 1 bis 4 besitzen,
und
- a) gegebenenfalls einem monomeren und/oder oligomeren Kieselsäureester, der Methoxy-, Ethoxy-, n- Propoxy- oder i-Propoxygruppen trägt und einen mittleren Oligomerisierungsgrad von 1 bis 50 aufweist,
und
- a) gegebenenfalls einem organofunktionellen Siloxan, dessen Funktionalitäten gleich oder verschieden sind und jedes Si-Atom im Siloxan eine Funktionalität aus der Reihe n-, i-, cyclo-Alkyl, Fluoralkyl, Chloralkyl, Bromalkyl, Jodalkyl, Alkoxyalkyl, Mercaptoalkyl oder Aminoalkyl trägt und die verbleibenden freien Valenzen der Si-Atome im Siloxan durch Methoxy- oder Ethoxy- oder Hydroxy- Gruppen gesättigt sind,
und
- a) gegebenfalls einem weiteren organofunktionellen Silan aus der Reihe Aminoalkylalkoxysilan, Mercaptoalkylalkoxysilan, Epoxyalkoxysilan, Alkoxy alkylalkoxysilan, Fluoralkylalkoxysilan, Chloralkylalkoxysilan, Bromalkyl alkoxysilan oder Jodalkylalkoxysilan,
in situ in einem flüssigen, härtbaren Kunstharz oder einer Vorläuferstufe eines
Kunstharzes umsetzt.
Im Allgemeinen legt man beim erfindungsgemäßen Verfahren die in der Regel
flüssigen Komponenten des härtbaren Kunstharzes, d. h. das Präpolymer, vor und
erwärmt, gibt eine definierte Menge Wasser, gegebenenfalls Katalysator,
gegebenenfalls Netzmittel und die Komponenten (ii) bis (v) zu und arbeitet
anschließend unter guter Durchmischung die oxidische Komponente (i) ein.
Geeigneterweise wird der dabei durch Hydrolyse oder Kondensation entstehende
Alkohol aus dem System entfernt.
Bevorzugt setzt man beim erfindungsgemäßen Verfahren als siliciumorganische
Komponente (ii) Methyltrimethoxysilan (DYNASYLAN® MTMS), Methyltriethoxysilan
(DYNASYLAN® MTES), Ethyltrimethoxysilan (DYNASYLAN® ETMS),
Ethyltriethoxysilan (DYNASYLAN® ETES), n-Propyltrimethoxysilan (DYNASYLAN®
PTMO), n-Propyltriethoxysilan (DYNASYLAN® PTEO), i-Butyltrimethoxysilan
(DYNASYLAN® IBTMO), i-Butyltriethoxysilan (DYNASYLAN® IBTEO), Octyl
trimethoxysilan (DYNASYLAN® OCTMO), Octyltriethoxysilan (DYNASYLAN®
OCTEO), Hexadecyltrimethoxysilan (DYNASYLAN® 9116) sowie Hexadecyltri
ethoxysilan (DYNASYLAN® 9216) ein.
Als zusätzliche monomere Komponente (v) kann man aber auch beispielsweise 3-
Chlorpropyltrialkoxysilane, 3-Brompropyltrialkoxysilane, 3-Jodpropyltrialkoxysilane, 3-
Aminopropyltrimethoxysilan (DYNASYLAN® AMMO), 3-Aminopropyltriethoxysilan
(DYNASYLAN® AMEO), N-(n-Butyl)-3-aminopropyltrimethoxysilan (DYNASYLAN®
1189), n-Aminoethyl-3-aminopropylmethyldimethoxysilan (DYNASYLAN® 1411), 3-
Aminopropylmethyldiethoxysilan (DYNASYLAN® 1505), N-Aminoethyl-3-amino
propyltrimethoxysilan (DYNASYLAN® DAMO), triaminofunktionelles Propyltri
methoxysilan (DYNASYLAN® TRIAMO), triaminofunktionelle Prvpylmethyldi
alkoxysilane, 3-Glycidyloxypropyltrimethoxysilan (DYNASYLAN® GLYMO), 3-
Glycidyloxypropyltriethoxysilan (DYNASYLAN® GLYEO), 3-Mercaptopropyltrimeth
oxysilan (DYNASYLAN® MTMO), Perfluoralkyltrialkoxysilane, Fluoralkyltrialkoxy
silane, u. a. Tridecafluoroctyltrimethoxysilan, Tridecafluoroctyltriethoxysilan
(DYNASYLAN® F 8261), (H5C2O)3Si(CH2)3-S4-(CH2)3Si(OC2H5)3 1,4-Bis(3-
triethoxysilylpropyl)tetrasulfan (Si-69), (HSC2O)3Si(CH2)3-S2-(CH2)3Si(OC2H5)3 1,2-
Bis(3-triethoxysilylpropyl)disulfan (Si-266), 3-[Methoxy(polyethylenglycid)]pro
pyltrialkoxysilane, 3-Amino-2-methylpropyltrialkoxysilane, (Cyclohex-3-ethyl)-ethyltri
alkoxysilane, 4-(2-Trialkoxysilylethyl)-1,2-epoxycyclohexane, Bis(3-alkoxysilylpro
pyl)amine, Tris(3-alkoxysilylpropyl)amine, wobei für eine der zuvor genannten
Alkoxygruppen vorteilhaft Methoxy, Ethoxy oder i- bzw. n-Propoxy steht, einsetzen.
Gegebenenfalls kann man aber auch zusätzlich monomere siliciumorganische
Komponenten mit photochemisch reaktiven Gruppen, wie Vinyl-, Allyl-, Aryl- oder 3-
Methacryloxypropylalkoxysilane einsetzen.
Vorzugsweise setzt man beim erfindungsgemäßen Verfahren ein nanoskaliges Oxid
und/oder Mischoxid (KA-O) mit einem durchschnittlichen Partikeldurchmesser von 1
bis 100 nm, besonders vorzugsweise von 5 bis 50 nm und ganz besonders
vorzugsweise von 10 bis 40 nm, ein. Dabei können die Oxide bzw. Mischoxide eine
BET-Oberfläche von 40 bis 400 m2/g, vorzugsweise von 60 bis 250 m2/g, besonders
vorzugsweise von 80 bis 250 m2/g, besitzen. Als nanokalige Oxide oder Mischoxide
kann man beispielsweise - aber nicht ausschließlich - pyrogene Kieselsäure, die
durch weitere Metall- oder Halbmetallanteile modifiziert sein kann, wie Aluminium,
Titan, Eisen oder Zirkon, einsetzen.
Erfindungsgemäß setzt man vorzugsweise 0,1 bis 60 Gew.-%, vorzugsweise 15 bis
50 Gew.-%, besonders vorzugsweise 20 bis 45 Gew.-%, ganz besonders
vorzugsweise 25 bis 40 Gew.-%, insbesondere 30 bis 35 Gew.-%, nanoskaliges Oxid
und/oder Mischoxid (KA-O), bezogen auf die Zusammensetzung, ein.
Ferner ist bevorzugt, dass man die oxidische Komponente (i) und mindestens eine
silanbasierende Komponente, insbesondere (ii), (iii), (iv) und/oder (v), in einem
Gewichtsverhältnis von 4 : 1 bis 1 : 1, besonders vorzugsweise von 3,5 : 1 bis 1,5 : 1,
ganz besonders vorzugsweise von 3 : 1 bis 2 : 1, einsetzt.
So beträgt bei erfindungsgemäßen siliciumorganischen Nanokapseln das
Gewichtsverhältnis zwischen Kern A und Umhüllung B vorzugsweise 1 : 1 bis 4 : 1.
Als flüssiges bzw. härtbares Kunstharz verwendet man beim erfindungsgemäßen
Verfahren beispielsweise Trimethylolpropantrimethacrylat, ethoxyliertes Trimethylol
propantriacrylat, ethoxyliertes Pentaerythritoltetraacrylat, 3,4-Epoxycyclohexan-1-
carbonsäure-3,4-epoxycyclohexyl-1'-methylester, um nur einige Beispiele zu nennen.
Die erfindungsgemäße Umsetzung erfolgt in der Regel in Gegenwart einer wohl
definierten Menge an Wasser. Vorzugsweise setzt man dazu pro Mol Si der
Komponenten (ii) bis (v) 1 bis 6 Mol Wasser ein.
Ferner wird die erfindungsgemäße Umsetzung bevorzugt in Gegenwart eines
Katalysators durchgeführt. Als Katalysator ist insbesondere eine Säure geeignet,
vorzugsweise Maleinsäureanhydrid, Maleinsäure, Essigsäure, Essigsäureanhydrid,
Glycolsäure, Zitronensäure, Methansulfonsäure sowie Phosphorsäure.
Weiterhin kann der Einsatz eines Netzmittels für die Durchführung der
erfindungsgemäßen Umsetzung hilfreich sein. So führt man die Umsetzung
vorzugsweise in Gegenwart von Natriumdodecylsulfat durch.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird die Umsetzung bevorzugt bei einer
Temperatur im Bereich von 30 bis 100°C, vorzugsweise bei einer Temperatur im
Bereich von 50 bis 80 C, durchgeführt.
Durch Hydrolyse und Kondensation entsteht bei der erfindungsgemäßen Umsetzung
in der Regel ein Alkohol, den man vorzugsweise während der Umsetzung und/oder
danach aus dem Reaktionssystem entfernt. Das Entfernen des bei der Umsetzung
entstandenen Alkohols kann destillativ, geeigneterweise unter vermindertem Druck,
durchgeführt werden. In der Regel wird dabei der Gehalt an Alkohol im
Produktgemisch, d. h. in der durch die erfindungsgemäße Umsetzung erhaltenen
Zusammensetzung, auf < 2 Gew.-%, vorzugsweise auf 0,01 bis 1 Gew.-%,
besonders vorzugsweise auf 0,1 bis 0,5 Gew.-%, bezogen auf die
Zusammensetzung, abgesenkt, sodass man in vorteilhafter Weise eine Lösemittel
freie Zusammensetzung, d. h. eine Lösemittel freie Lackbasis bzw. einen Lösemittel
freien Lack erhält.
Solche erfindungsgemäßen Zusammensetzungen können direkt oder nach Zugabe
weiterer Lackkomponenten in hervorragender Weise für die kratzfeste Beschichtung
von Substraten verwendet werden.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist somit auch eine Zusammensetzung auf
der Basis eines aushärtbaren Kunstharzes, die erfindungsgemäße bzw.
erfindungsgemäß hergestellte siliciumorganische Nanokapseln enthält.
Weiterhin ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung eine Zusammensetzung oder
ein Lack auf der Basis eines aushärtbaren Kunstharzes, die nach mindestens einem
der Ansprüche 1 bis 20 erhältlich ist.
Geeigneterweise kann man der erfindungsgemäßen Zusammensetzung bzw. dem
erfindungsgemäßen Lack weitere Komponenten zusetzen, beispielsweise Initiatoren
für die photochemische Lackhärtung, Darocur® 1173, Lucirin® TPO-L,
Lackstabilisatoren, wie HALS-Verbindungen, Tinuvine sowie Antioxidantien, wie
Irganox®. Solche Zusatzstoffe werden in der Regel in Mengen von 0,1 bis 5 Gew.-%,
vorzugsweise von 2 bis 3 Gew.-%, bezogen auf die Zubereitung bzw. den Lack,
eingesetzt. Das Einbringen weiterer Komponenten in das Lacksystem erfolgt
geeigneterweise unter guter Durchmischung.
Die erfindungsgemäßen Zubereitungen bzw. Lacke zeichnen sich vorteilhaft trotz
eines hohen Gehalts an polymerisierbaren siliciumorganischen Nanokapseln durch
eine vergleichsweise geringe Viskosität von 500 bis 1000 mPa.s aus. Dabei
verhalten sich die Systeme in der Regel dilatant.
Somit ist auch Gegenstand der Erfindung die Verwendung einer erfindungsgemäßen
Zusammensetzung als Lack oder als Basis für die Herstellung einer
Beschichtungszusammensetzung oder eines Lacks, insbesondere für Systeme zur
Kratzfestbeschichtung.
Die Applikation der erfindungsgemäßen Zusammensetzung bzw. eines
erfindungsgemäßen Lacks erfolgt in der Regel durch Aufbringen auf ein Substrat. Für
die Beschichtung von Substraten kann man die üblichen Beschichtungsverfahren
anwenden, wie z. B. Walzenauftrag, Aufrakeln, Tauchen, Fluten, Gießen, Spritzen,
Aufstreichen.
Beispielsweise kann man die erfindungsgemäße Zubereitung bzw. den Lack auf
bahnförmige Substrate, wie Papier oder Kunststofffolien, durch Einsatz eines
Walzauftragswerks gleichmäßig auftragen und anschließend härten.
Geeigneterweise kann man die Beschichtung bei Umgebungstemperatur, d. h.
Lacktemperatur, durch ein UV- oder Elektronenstrahlverfahren (ESM)
umweltfreundlich, da lösemittelfrei, aushärten. Bevorzugt erzeugt man für die
Elektronenstrahl-Härtung Elektronen mit einer Energie von rd. 140 keV, wobei die
Dosis bei 30 bis 60 kGy, vorzugsweise 40 bis 50 kGy, liegt. Vorzugsweise liegt der
O2-Restgehalt bei < 200 ppm.
Man kann die Lackhärtung aber auch mittels UV-Bestrahlung durch Einsatz von
mono- oder polychromatischen UV-Lampen mit einer Wellenlänge von 150 bis
400 nm durchführen. Auch bei der UV-Härtung kann man bei Umgebungstemperatur,
beispielsweise zwischen 10 und 60°C, arbeiten. Auch hierbei liegt der O2-Gehalt
geeigneterweise bei < 200 ppm.
So kann man durch den Einsatz erfindungsgemäßer Zusammensetzungen bzw.
Lacke in besonders vorteilhafter Weise hervorragend kratzfeste Beschichtungen
erzeugen. Darüber hinaus besitzen erfindungsgemäße Beschichtungen auch eine
gute Abriebbeständigkeit. Die Bestimmung der Ritzhärte bzw. Kratzfestigkeit erfolgt
hier in der Regel gemäß DIN 53 799 unter Verwendung einer Hartmetallkugel. Der
Abrieb kann beispielsweise nach DIN 52 347 unter Einsatz beschichteter
Planscheiben mit Rollenmaterial erfolgen.
Somit ist ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur
Herstellung einer kratzfesten Beschichtung, das dadurch gekennzeichnet ist, dass
man eine erfindungsgemäße Zusammensetzung oder einen erfindungsgemäßen
Lack auf einen Untergrund bzw. ein Substrat aufbringt und vorzugsweise
photochemisch aushärtet. Man kann aber auch chemisch, beispielsweise oxidativ,
aushärten, beispielsweise durch Einsatz von Peroxid und höherer Temperatur.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind ferner kratzfeste Beschichtungen, die
erhältlich sind durch Aufbringen einer erfindungsgemäßen Zusammensetzung oder
eines erfindungsgemäßen Lacks nach mindestens einem der Ansprüche 21 bis 26.
Erfindungsgemäße Beschichtungen weisen vorzugsweise eine Schichtdicke von 1
bis 100 µm, besonders vorzugsweise von 2 bis 40 µm und ganz besonders
vorzugsweise von 5 bis 15 µm, auf.
So kann man in besonders einfacher und wirtschaftlicher Weise beispielsweise
Metalle, wie Aluminium, Eisen, Stahl, Messing, Kupfer, Silber, Magnesium,
Leichtmetalllegierungen, Kunststoff- sowie Metallfolien, Holz, Papier, Pappe,
Textilien, Steinwaren, Kunststoffe, Thermoplaste, Polycarbonat, Glas, Keramik, mit
einer besonders kratzfesten Beschichtung ausstatten. Die Auswahl der
Substratmaterialien zur Beschichtung ist uneingeschränkt. Solche Substrate können
beispielsweise mit einer Schutzbeschichtung ausgestattet werden, sogenanntes
"Topcoating", wie es beispielsweise als Klarlacksystem in der Automobilindustrie
angewendet wird.
Insbesondere sind nach dem vorliegenden Beschichtungsverfahren in einfacher und
wirtschaftlicher Weise kratzfest ausgestattete Artikel, wie Dekorpapier,
Aluminiumfolien, Polycarbonat-Autoscheiben, PVC-Fensterrahmen, Türen,
Arbeitsplatten, erhältlich.
Erfindungsgemäßes Dekorpapier wird beispielsweise für eine gleichzeitig
kostengünstige, kratzfeste und optisch vorteilhafte Oberflächengestaltung von
Möbeln verwendet.
Daher sind Gegenstand der vorliegenden Erfindung Artikel mit einer
erfindungsgemäßen Beschichtung, erhältlich nach Anspruch 27.
Die vorliegende Erfindung wird durch die nachfolgenden Beispiele näher erläutert:
In einem Rührgefäß werden 28,0 kg Sartomer 494 sowie 48 g 4-Hydroxyanisol
vorgelegt und auf 65 bis 70°C erwärmt. Zum erwärmten Acrylat werden eine Lösung
von 0,15 kg Glykolsäure und 0,098 kg Natriumdodecylsulfat in 1,965 kg Wasser
sowie innerhalb von 30 Minuten 4,597 kg DYNASYLAN PTMO gegeben.
Anschließend dosiert man im oben angegebenen Temperaturbereich unter
intensivem Rühren 9,194 kg AEROSIL 200 innerhalb von einer Stunde. Man rührt
noch 3 Stunden bei 65 bis 70°C weiter und destilliert dann im Vakuum das durch die
Hydrolyse des Silans entstandene Methanol ab. Zuletzt wird der Ansatz auf
Raumtemperatur abgekühlt.
In einem Rührgefäß werden 28,0 kg Sartomer 494 sowie 48 g 4-Hydroxyanisol
vorgelegt und auf 65 bis 70°C erwärmt. Zum erwärmten Acrylat werden eine Lösung
von 0,15 kg Essigsäure und 0,163 kg Natriumdodecylsulfat in 3,264 kg Wasser sowie
innerhalb von 30 Minuten 7,636 kg DYNASYLAN PTMO gegeben. Anschließend
dosiert man im oben angegebenen Temperaturbereich unter intensivem Rühren
15,273 kg AEROSIL TT600 innerhalb von einer Stunde. Man rührt noch 2 Stunden
bei 65 bis 70°C weiter und destilliert dann im Vakuum das durch die Hydrolyse des
Silans entstandene Methanol ab. Zuletzt wird der Ansatz auf Raumtemperatur
abgekühlt.
In einem Rührgefäß werden 28,06 kg Sartomer 350 sowie 48 g 4-Hydroxyanisol
vorgelegt und auf 65 bis 70°C erwärmt. Zum erwärmten Acrylat werden eine Lösung
von 0,15 kg Maleinsäureanhydrid und 0,0536 kg Natriumdodecylsulfat in 1,073 kg
Wasser sowie innerhalb von 30 Minuten 3,725 kg DYNASYLAN PTEO gegeben.
Anschließend dosiert man im oben angegebenen Temperaturbereich unter
intensivem Rühren 8,965 kg AEROSIL 90 innerhalb von einer Stunde. Man rührt
noch 4 Stunden bei 65 bis 70°C weiter und destilliert dann im Vakuum das durch die
Hydrolyse des Silans entstandene Ethanol ab. Zuletzt wird der Ansatz auf
Raumtemperatur abgekühlt.
In einem Rührgefäß werden 25 kg Sartomer 454 und 48 g 4-Hydroxyanisol vorgelegt
und auf 65 bis 70°C erwärmt. Zum erwärmten Acrylat werden eine Lösung von
0,15 kg Maleinsäureanhydrid und 0,075 kg Natriumdodecylsulfat in 1,5 kg Wasser
sowie innerhalb von 30 Minuten 4,153 kg DYNASYLAN MTMS gegeben.
Anschließend dosiert man im oben angegebenen Temperaturbereich unter
intensivem Rühren 10,0 kg Aluminiumoxid C innerhalb von einer Stunde. Man rührt
noch 3 Stunden bei 65 bis 70°C weiter und destilliert dann im Vakuum das durch die
Hydrolyse des Silans entstandene Methanol ab. Zuletzt wird der Ansatz auf
Raumtemperatur abgekühlt.
In einem Rührgefäß werden 29,2 kg Sartomer 494 (Fa. Cray Valley) sowie 16 g 4-
Hydroxyanisol vorgelegt und auf 65 bis 70°C erwärmt. Zum erwärmten Acrylat
werden eine Lösung von 0,15 kg Maleinsäureanhydrid und 0,072 kg
Natriumdodecylsulfat in 1,44 kg Wasser sowie innerhalb von 30 Minuten 3,6 kg
DYNASYLAN VTMO (Vinyltrimethoxysilan) gegeben. Anschließend dosiert man im
oben angegebenen Temperaturbereich unter intensivem Rühren 7,2 kg AEROSIL
200 innerhalb von 1 bis 2 Stunden. Man rührt noch eine Stunde bei 65 bis 70°C
weiter und entfernt unter vermindertem Druck Methanol aus dem System. Zuletzt
wird der Ansatz auf Raumtemperatur abgekühlt.
In einem Rührgefäß werden 29,2 kg Sartomer 494 (Fa. Cray Valley) sowie 48 g 4-
Hydroxyanisol vorgelegt und auf 65 bis 70°C erwärmt. Zum erwärmten Acrylat
werden eine Lösung von 0,15 kg Maleinsäureanhydrid und 0,075 kg
Natriumdodecylsulfat in 1,5 kg Wasser sowie innerhalb von 30 Minuten 4,81 kg
DYNASYLAN VTEO gegeben. Anschließend dosiert man im oben angegebenen
Temperaturbereich unter intensivem Rühren 7,466 kg AEROSIL 200 innerhalb von
einer Stunde. Man rührt noch 3 Stunden bei 65 bis 70°C weiter und entfernt unter
vermindertem Druck Ethanol aus dem System. Zuletzt wird der Ansatz so schnell wie
möglich auf Raumtemperatur abgekühlt.
In einem Rührgefäß werden 29,2 kg Sartomer 494 (Fa. Cray Valley) sowie 16 g 4-
Hydroxyanisol vorgelegt und auf 65 bis 70°C erwärmt. Zum erwärmten Acrylat
werden eine Lösung von 0,15 kg Maleinsäureanhydrid und 0,0262 kg
Natriumdodecylsulfat in 0,5246 kg Wasser sowie innerhalb von 30 Minuten 3,6 kg
DYNASYLAN MEMO gegeben. Anschließend dosiert man im oben angegebenen
Temperaturbereich unter intensivem Rühren 7,2 kg AEROSIL 200 innerhalb von 1
bis 2 Stunden. Man rührt noch 60 Minuten bei 65 bis 70°C weiter und entfernt unter
vermindertem Druck Methanol aus dem System. Zuletzt wird der Ansatz so schnell
wie möglich auf Raumtemperatur abgekühlt.
Die Lacke aus den Beispielen 1 bis 4 sowie der Vergleichsbeispiele A bis C wurden
auf quadratischen PVG-Platten (Kantenlänge 10 cm, Dicke 2 mm) mit einem Rakel
der Spaltbreite 50 µm manuell aufgetragen und im Niederenergie-
Elektronenbeschleuniger (140 kev) mit einer Dosis von 50 kGy ausgehärtet. Der
Sauerstoff-Restgehalt im Beschleuniger betrug < 200 ppm. Ebenso wird mit
Sartomer 494 verfahren (Vergleichsbeispiel D).
Die Proben werden auf ihre Ritzhärte gemäß DIN 53 799 unter Einsatz einer
Hartmetallkugel getestet. Ferner werden die Proben auf Abrieb gemäß DIN 52 347
unter Verwendung von "Schmirgelpapier" getestet. Die Versuchsergebnisse sind in
Tabelle 1 zusammengestellt.
Claims (28)
1. Siliciumorganische Nanokapseln, bestehend aus einem nanoskaligen Kern A,
welcher mindestens ein Oxid und/oder Mischoxid (KA-O) mindestens eines
Metalls oder Halbmetalls der zweiten bis sechsten Hauptgruppe, der ersten bis
achten Nebengruppe des Periodensystems der Elemente oder der Lanthanide
enthält, und einer siliciumorganischen Umhüllung B, wobei die
siliciumorganische Umhüllung B mindestens einen siliciumorganischen
Bestandteil der allgemeinen Formel Ia
(Si'O-)xSi-R (Ia),
worin R für eine lineare, verzweigte, cyclische oder substituierte Alkylgruppe mit 1 bis 50 C-Atomen steht und x eine Zahl von 0 bis 20 ist, wobei die noch freien Valenzen von Si durch SiO- und/oder -Z und die freien Valenzen Si' durch SiO-, -R und/oder -Z gesättigt sind, die Gruppen Z gleich oder verschieden sind und Hydroxy- und/oder Alkoxy-Reste darstellen, und jedes Si bzw. Si' der Umhüllung B maximal eine Gruppe R trägt,
enthält und/oder der siliciumorganische Bestandteil der Umhüllung B über eine oder mehrere kovalente Bindungen der allgemeinen Formel Ib
(KA-O)-[(Si'O-)xSi-R] (Ib)
worin R für eine lineare, verzweigte, cyclische oder substituierte Alkylgruppe mit 1 bis 50 C-Atomen steht und x eine Zahl von 0 bis 20 ist, wobei die noch freien Valenzen von Si durch (KA-O)-, SiO- und/oder -Z und die freien Valenzen von Si' durch (KA-O)-, SiO-, -R und/oder -Z gesättigt sind, die Gruppen Z gleich oder verschieden sind und Hydroxy- und/oder Alkoxy-Reste darstellen, und jedes Si bzw. Si' der Umhüllung B maximal eine Gruppe R trägt,
an den Kern A (KA-O) gebunden ist.
(Si'O-)xSi-R (Ia),
worin R für eine lineare, verzweigte, cyclische oder substituierte Alkylgruppe mit 1 bis 50 C-Atomen steht und x eine Zahl von 0 bis 20 ist, wobei die noch freien Valenzen von Si durch SiO- und/oder -Z und die freien Valenzen Si' durch SiO-, -R und/oder -Z gesättigt sind, die Gruppen Z gleich oder verschieden sind und Hydroxy- und/oder Alkoxy-Reste darstellen, und jedes Si bzw. Si' der Umhüllung B maximal eine Gruppe R trägt,
enthält und/oder der siliciumorganische Bestandteil der Umhüllung B über eine oder mehrere kovalente Bindungen der allgemeinen Formel Ib
(KA-O)-[(Si'O-)xSi-R] (Ib)
worin R für eine lineare, verzweigte, cyclische oder substituierte Alkylgruppe mit 1 bis 50 C-Atomen steht und x eine Zahl von 0 bis 20 ist, wobei die noch freien Valenzen von Si durch (KA-O)-, SiO- und/oder -Z und die freien Valenzen von Si' durch (KA-O)-, SiO-, -R und/oder -Z gesättigt sind, die Gruppen Z gleich oder verschieden sind und Hydroxy- und/oder Alkoxy-Reste darstellen, und jedes Si bzw. Si' der Umhüllung B maximal eine Gruppe R trägt,
an den Kern A (KA-O) gebunden ist.
2. Siliciumorganische Nanokapseln nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Gruppe R eine Methyl-, Ethyl-, n-Propyl-, 1-Propyl-, n-Butyl-, 1-Butyl-,
sec.-Butyl, t-Butyl-, n-Hexyl-, n-Octyl-, i-Octyl-, n-Dodecyl-, n-Hexadecyl- oder
eine n-Octadecyl-Gruppe darstellt.
3. Siliciumorganische Nanokapseln nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine substituierte Alkylgruppe R eine Fluoralkylgruppe der allgemeinen
Formel CF3(CF2)y(CH2CH2)z ist, worin y eine Zahl von 0 bis 10 und z gleich 0
oder 1 sind.
4. Siliciumorganische Nanokapseln nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Alkoxy-Rest (Z) eine Methoxy-, Ethoxy-, n-Propoxy- oder i-Propoxy-
Gruppe ist.
5. Siliciumorganische Nanokapseln nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Kern A ein Oxid und/oder Mischoxid (KA-O) aus der Reihe der
Elemente Si, Al, Ti und/oder Zr darstellt.
6. Siliciumorganische Nanokapseln nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
gekennzeichnet durch
einen mittleren Durchmesser der Kapseln von 10 bis 400 nm.
7. Siliciumorganische Nanokapseln
erhältlich durch eine Umsetzung von
- a) mindestens einem nanoskaligen Oxid und/oder Mischoxid (KA-O) mindestens eines Metalls oder Halbmetalls der zweiten bis sechsten Hauptgruppe, der ersten bis achten Nebengruppe des Periodensystems der Elemente oder der Lanthanide
- a) mindestens einem Alkyltrialkoxysilan der allgemeinen Formel (II)
(Z)3Si-R (II)
worin die Gruppen Z gleich oder verschieden sind und die Gruppen R und Z dieselbe Bedeutung wie in den Ansprüchen 1 bis 4 besitzen,
- a) gegebenenfalls einem monomeren und/oder oligomeren Kieselsäureester, der Methoxy-, Ethoxy-, n-Propoxy- oder i-Propoxygruppen trägt und einen mittleren Oligomerisierungsgrad von 1 bis 50 aufweist,
- a) gegebenenfalls einem organofunktionellen Siloxan, dessen Funktionalitäten gleich oder verschieden sind und jedes Si-Atom im Siloxan eine Funktionalität aus der Reihe n-, i-, cyclo-Alkyl, Fluoralkyl, Chloralkyl, Bromalkyl, Jodalkyl, Alkoxyalkyl, Mercaptoalkyl oder Aminoalkyl trägt und die verbleibenden freien Valenzen der Si-Atome im Siloxan durch Methoxy- oder Ethoxy- oder Hydroxy-Gruppen gesättigt sind,
- a) gegebenfalls einem weiteren organofunktionellen Silan aus der Reihe Aminoalkylalkoxysilan, Mercaptoalkylalkoxysilan, Epoxyalkoxysilan Alkoxyalkylalkoxysilan, Fluoralkylalkoxysilan, Chloralkylalkokxysilan, Bromalkylalkoxysilan oder Jodalkylalkoxysilan,
8. Verfahren zur Herstellung von siliciumorganischen Nanokapseln nach einem
der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass man
- a) mindestens ein nanoskaliges Oxid und/oder Mischoxid mindestens eines Metalls oder Halbmetalls der dritten bis sechsten Hauptgruppe, der ersten bis achten Nebengruppe des Periodensystems der Elemente oder der Lanthanide
- 1. mindestens einem Alkyltrialkoxysilan der allgemeinen Formel (II)
(Z)3Si-R (II)
worin die Gruppen Z gleich oder verschieden sind und die Gruppen R und Z dieselbe Bedeutung wie in den Ansprüchen 1 bis 4 besitzen,
- a) gegebenenfalls einem monomeren und/oder oligomeren Kieselsäureester, der Methoxy-, Ethoxy-, n- Propoxy- oder i-Propoxygruppen trägt und einen mittleren Oligomerisierungsgrad von 1 bis 50 aufweist,
- a) gegebenenfalls einem organofunktionellen Siloxan, dessen Funktionalitäten gleich oder verschieden sind und jedes Si-Atom im Siloxan eine Funktionalität aus der Reihe n-, i-, cyclo-Alkyl, Fluoralkyl, Chloralkyl, Bromalkyl, Jodalkyl, Alkoxyalkyl, Mercaptoalkyl oder Aminoalkyl trägt und die verbleibenden freien Valenzen der Si-Atome im Siloxan durch Methoxy- oder Ethoxy- oder Hydroxy-Gruppen gesättigt sind,
- a) gegebenfalls einem weiteren organofunktionellen Silan aus der Reihe Aminoalkylalkoxysilan, Mercaptoalkylalkoxysilan, Epoxyalkoxysilan, Alkoxyalkylalkoxysilan, Fluoralkylalkoxysilan, Chloralkylalkoxysilan, Bromalkylalkoxysilan oder Jodalkylalkoxysilan,
9. Verfahren nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass man ein nanoskaliges Oxid und/oder Mischoxid (KA-O) mit einem
durchschnittlichen Partikeldurchmesser von 1 bis 100 nm einsetzt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass man als Kunstharz ein Acrylatharz, Methacrylatharz, Epoxidharz,
Urethanharz oder ein ungesättigtes Polyesterharz verwendet.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass man 0,1 bis 60 Gew.-% nanoskaliges Oxid und/oder Mischoxid (KA-O),
bezogen auf das Kunstharz, einsetzt.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11,
dadurch gekennzeichnet,
dass man die oxidische Komponente (i) und mindestens eine silanbasierende
Komponente (ii), (iii), (iv) und/oder (v) in einem Gewichtsverhältnis von 4 : 1 bis
1 : 1 einsetzt.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12,
dadurch gekennzeichnet,
dass man als siliciumorganische Komponente (ii) Methyltrimethoxysilan,
Methyltriethoxysilan, Ethyltrimethoxysilan, Ethyltriethoxysilan, n-Propyltri
methoxysilan, n-Propyltriethoxysilan, i-Propyltrimethoxysilan oder i-Propyltri
ethoxysilan einsetzt.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12,
dadurch gekennzeichnet,
dass man die Umsetzung in Gegenwart eines Katalysators durchführt.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 14,
dadurch gekennzeichnet,
dass man die Umsetzung in Gegenwart von Wasser durchführt.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 15,
dadurch gekennzeichnet,
dass man pro Mol Si der siliciumorganischen Komponenten (ii) bis (v) 0,5 bis
6 Mol Wasser einsetzt.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 16,
dadurch gekennzeichnet,
dass man die Umsetzung in Gegenwart eines Netzmittels durchführt.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 17,
dadurch gekennzeichnet,
dass man die Umsetzung bei einer Temperatur im Bereich von 30 bis 100°C
durchführt.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 18,
dadurch gekennzeichnet,
dass man
das härtbare Kunstharz vorlegt und erwärmt,
definierte Mengen Wasser, gegebenenfalls Katalysator und gegebenenfalls Netzmittel zugibt,
Komponenten (ii) bis (v) einbringt und anschließend
Komponente (i) unter guter Durchmischung zusetzt.
das härtbare Kunstharz vorlegt und erwärmt,
definierte Mengen Wasser, gegebenenfalls Katalysator und gegebenenfalls Netzmittel zugibt,
Komponenten (ii) bis (v) einbringt und anschließend
Komponente (i) unter guter Durchmischung zusetzt.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 19,
dadurch gekennzeichnet,
dass man während der Umsetzung und/oder danach den entstandenen Alkohol
aus dem Reaktionssystem entfernt.
21. Zusammensetzung auf der Basis eines aushärtbaren Kunstharzes erhältlich
nach mindestens einem der Ansprüche 2 bis 20.
22. Zusammensetzung auf der Basis eines aushärtbaren Kunstharzes, die
siliciumorganische Nanokapseln nach einem der Ansprüche 1 bis 20 enthält.
23. Verwendung einer Zusammensetzung nach Anspruch 21 oder 22 als Lack oder
als Basis für die Herstellung einer Beschichtungszusammensetzung oder eines
Lacks.
24. Verwendung einer Zusammensetzung nach Anspruch 21 oder 22 für die
Erzeugung einer kratzfesten Beschichtung.
25. Verfahren zur Herstellung einer kratzfesten Beschichtung,
dadurch gekennzeichnet,
dass man eine Zusammensetzung oder einen Lack nach einem der Ansprüche
8 bis 22 auf ein Substrat aufbringt und photochemisch aushärtet.
26. Verfahren nach Anspruch 25,
dadurch gekennzeichnet,
dass man zum Aushärten der Zusammensetzung oder des Lacks UV- oder
Elektronenstrahlen einsetzt.
27. Kratzfeste Beschichtung, erhältlich durch Aufbringen einer Zusammensetzung
nach mindestens einem der Ansprüche 21 bis 26.
28. Artikel mit einer kratzfesten Beschichtung erhältlich nach Anspruch 27.
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