DE10127957A1 - Antistatische Beschichtung - Google Patents

Antistatische Beschichtung

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Abstract

Es wird eine antistatische Beschichtung aus einem schichtförmigen anorganischen Xerogel beschrieben, das in homogener Verteilung ein oder mehrere Alkalisalze von Polyelektrolyten enthält. Das Material kann zur antistatischen Ausrüstung von Kunststoffen, vorzugsweise von Polymerfolien, und Materialien aus natürlichen und künstlichen Fasern eingesetzt werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine antistatische Beschichtung zur an­ tistatischen Ausrüstung insbesondere von Kunststoffen, vor­ zugsweise von Polymerfolien, und, Materialien aus natürlichen und künstlichen Fasern, und Verfahren zur Herstellung der Be­ schichtung.
Es ist bekannt, dass viele Kunststoff- und Textilgegenstände mit geringer elektrischer Leitfähigkeit durch Kontaktreibung stark elektrostatisch aufgeladen werden, wodurch die Gebrauchswerteigenschaften erheblich beeinträchtigt werden (z. B. Aneinanderkleben von Folien und Geweben, ggf. Verblit­ zungen beim Trennen, Anziehen und Fixieren von Staub). Zur Re­ duzierung der elektrostatischen Aufladung bei modernen Kunst­ stoff- und Textilgegenständen ist bekannt, diese mit einer leitfähigen Beschichtung zu versehen (antistatische Ausrüs­ tung). Die Behandlung erfolgt bisher vorrangig durch Impräg­ nieren mit grenzflächenaktiven Stoffen, z. B. mit Polyglykol­ ethern von Fettalkoholen oder Alkylphenolen, Alkylsulfaten bzw. -phosphaten oder quartären Ammoniumsalzen. Die Mehrzahl der genannten Stoffe wirkt dadurch, dass auf den zu schützen­ den Gegenständen ein hydrophiler Überzug erzeugt wird, der die elektrischen Ladungen ableitet.
Die genannten hydrophilen Überzüge haben den Nachteil, dass sie nicht feuchtigkeits- bzw. waschfest sind, wodurch ihre An­ wendbarkeit erheblich eingeschänkt wird. Zur Überwindung die­ ses Problems gibt es unterschiedliche Lösungswege:
  • a) Einbau elektrisch leitender Fasern in textile Gewebe bzw. Zusatz elektrisch leitender Partikel (Ruß) zu Kunststoffen,
  • b) Beschichtung mit feuchtigkeitsstabilen Schichtbildnern, die antistatisch wirkende Substanzen enthalten.
Während der erste Weg (a) nicht universell anwendbar ist, bie­ tet der zweite Weg (b) die Möglichkeit einer universellen Nachrüstung beliebiger polymerer bzw. textiler Gegenstände. Als geeignete Beschichtungen werden z. B. Polymerschichten, die nichtionische Netzmittel und Metallsalze enthalten, vorge­ schlagen (US 5145602, 5173214) bzw. Möglichkeiten gezeigt, an­ tistatische Wirksubstanzen in epoxidhaltigen Bindemitteln durch Härtungsmittel (z. B. Aziridine) zu vernetzen (US 5079136, US 5104779). Jedoch haben organische polymere Bindemittel den Nachteil, dass sie in den hier vorgeschlagenen Strukturen schlecht leitend sind und dadurch die antistatische Wirkung mindern. Es gibt darum Bemühungen, schichtförmige anorganische Gele zur antistatischen Ausrüstung zu nutzen, z. B. durch den Einsatz wässriger SiO2/SnO2-Sole (FR 2710628), durch SiO2-Sole in Alkylacetat/Alkohol-Lösungen (GB 787941) sowie durch wäss­ rige Dispersionen aus elektrisch leitenden Polymer mit kolloi­ den SiO2-Partikeln (WO 0074074).
Ungeachtet der Haftprobleme, die bei Beschichtung von Poly­ mer- und Textilgegenständen durch wässrige Dispersionen auf­ treten, wird der antistatische Effekt in den genannten Fällen vorrangig durch das Ableiten der elektrischen Ladungen durch die rauhe Partikelstruktur erreicht. Aufgrund der Rauhigkeit und damit verbundenen lichtstreuenden Wirkung und geringen me­ chanischen Stabilität sind derartige Systeme nur begrenzt ein­ setzbar.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte antistati­ sche Beschichtung zu entwickeln, mit der die Nachteile her­ kömmlicher Techniken überwunden werden und die insbesondere universell einsetzbar ist, eine gute Haftung auf Kunststoff- und Textilgegenständen zeigt und hochtransparent ist.
Diese Aufgabe wird mit der Beschichtung und dem Verfahren ge­ mäß den Patentansprüchen 1 und 7 gelöst. Vorteilhafte Ausfüh­ rungsformen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen An­ sprüchen.
Eine erfindungsgemäße Beschichtungszusammensetzung umfasst ein schichtförmiges anorganisches Xerogel, das in homogener Ver­ teilung ein oder mehrere Alkalisalze von Polyelektrolyten ent­ hält. Durch diese Zusammensetzung ist es möglich, eine perma­ nente antistatische Wirkung von schichtförmigen anorganischen Gelen durch die Immobilisierung der leicht wasserlöslichen po­ lyanionischen Salze zu erreichen, um damit Feuchtigkeits- und Waschstabilität der Gelschichten mit einer permanenten anti­ statischen Wirkung zu kombinieren. Die vorteilhaften antista­ tischen Eigenschaften der leicht wasserlöslichen polyanioni­ schen Salze werden mit den vorteilhaften mechanischen und was­ serstabilen Eigenschaften der anorganischen Gelschichten ver­ bunden.
Überraschenderweise konnte die Aufgabe erfindungsgemäß insbe­ sondere dadurch gelöst werden, dass eine wässrig-alkoholische Lösung der Alkalisalze spezieller polyanionischer Verbindungen mit einem verdünnten wässrigalkoholischen sauren Sol, das Na­ nopartikel aus SiO2, R-SiOn, R2SiOn (R = H, Alkyl, Aryl, Epoxy­ alkyl, Aminoalkyl und n = 1.5 oder 1) Al2O3, TiO2 oder deren Gemischen enthält, gemischt und sofort auf einen Träger aufge­ tragen, geliert und getrocknet wird, wodurch anorganische Xe­ rogelschichten gebildet werden, die in homogener Verteilung ein oder mehrere Alkalisalze von Polyelektrolyten enthalten und einen hohen antistatischen Effekt zeigen.
Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Herstel­ lung einer antistatische Beschichtung bestehend aus einem ei­ nem schichtförmigen anorganischen Xerogel, das in homogener Verteilung ein oder mehrere Alkalisalze von Polyelektrolyten enthält.
Als anorganischer Xerogel können Metalloxide wie SiO2, R-SiOn, R2SiOn, Al2O3, TiO2 oder deren Gemische verwendet werden, wobei R = H, Alkyl, Aryl, Epoxy-alkyl, Aminoalkyl und n = 1.5 oder 1 sein kann. Die Xerogele werden aus den entsprechenden Nanoso­ len durch einen Sol-Gel-Prozeß (vgl. J. C. Brinker, G. W. Scherer, Sol-Gel Science, Academic Press, London 1990) nach folgendem Schema (Beispiel SiO2-Schichten) hergestellt:
Für die Herstellung der antistatischen Xerogel-Schichten wer­ den vorzugsweise Nanosole verwendet, die durch saure Hydrolyse der entsprechenden Precursoren (Silicium- oder Metallalkoxyde, -halogenide bzw. Metallsalze wie Acetate, Nitrate) in wässrig­ alkoholischer Lösung hergestellt werden. Die sauren, alkohol­ haltigen Nanosole haben den Vorteil, dass sie sehr glatte, gut haftende transparente Filme bilden.
Falls durch die AP-Zugabe der pH-Wert und darum die Gelbil­ dungstendenz in der Begußlösung steigt, ist für die Herstel­ lung der erfindungsgemäßen antistatischen Xerogelschichten be­ vorzugt, Nanosol und AP erst unmittelbar vor dem Beguß zu mi­ schen, um die Standzeit der Begußlösung zu minimieren und ein vorzeitiges Gelieren zu verhindern.
Als Polyelektrolyt eignen sich prinzipiell alle polyanionische Verbindungen. Bezüglich Systemverträglichkeit und antistati­ scher Wirkung erweisen sich jedoch Alkalisalze der Polystyren­ sulfonsäure, Polyvinylsulfonsäure und Cellulosesulfonsäure in Anteilen von 5-50 Gew.-% im Feststoff als besonders geeig­ net. Untersuchungen zum Einfluß des Molgewichtes am Beispiel der Polystyrensulfonate ergaben einen optimalen Bereich bei mittleren Molmassen im Bereich 8000-15000.
Zur Verbesserung des Schichtbildungsverhaltens und der Schichthaftung insbesondere bei der Beschichtung von Polymer­ folien ist es neben einer Corona- bzw. Plasmavorbehandlung der Folie möglich, der Begußlösung nichtionische lösliche Polyme­ re, vorzugsweise Cellulose-Derivate, Polyalkylenglykole und deren Derivate, hydroxyterminierte Poly(dimethylsiloxane) oder natürliche Polymere wie Gelatine oder Naturharze wie Kolopho­ nium bis zu 30 Gew.-% bezogen auf den Gesamtfeststoffgehalt zuzusetzen.
Die antistatische Beschichtung kann zur antistatischen Ausrüs­ tung beliebiger hochisolierender Materialien, vorzugsweise von Kunststoffe, vorzugsweise von Polymerfolien, und Materialien aus natürlichen und künstlichen Fasern eingesetzt werden.
Das Verfahren zur Herstellung der antistatische Beschichtungen gemäß dem obigen Schema erfolgt durch folgende Schritte:
  • 1. Herstellung eines anorganischen Nanosols, welches die Be­ standteile SiO2, R-SiOn, R2SiOn, Al2O3, TiO2 oder deren Gemische enthält, durch saure Hydrolyse der entsprechenden Silicium- und/oder Metallalkoxide in einem wässrigen, organischen oder gemischten Lösungsmittel, ggf. unter Zusatz gelöster nichtio­ nischer Polymerer, durch mehrstündiges Rühren bei Raumtempera­ tur,
  • 2. Zumischung einer 2-10%-igen wässrigen oder wässrig­ alkoholischen Lösung eines oder mehrerer Alkalisalze von Poly­ elektrolyten unmittelbar vor der Beschichtung
  • 3. sofortiges Beschichten der Mischung auf einen Träger, der ggf. durch Corona- oder Plasmavorbehandlung aktiviert wurde, durch übliche Beschichtungstechniken wie Begießen, Tauchen, Aufschleudern, Streichen, und Gelierung des Sols durch Aufkon­ zentration infolge Verdampfen des Lösungsmittels
  • 4. Trocknen der Schicht durch vollständiges Verdampfen des Lösungsmittels an der Luft und Verfestigung durch anschließen­ des Erwärmen auf maximal 100°C.
Die so erhaltenen antistatischen Beschichtungen zeigen eine gute mechanische Schichtqualität, und eine gute Haftung auf un­ terschiedlichen Kunststoff- und Textilgegenständen. Sie sind hochtransparent ist und weisen eine gute antistatische Wirkung bei gleichzeitig hoher Auswaschstabilität auf.
Die erfindungsgemäße Beschichtung ist universell einsetzbar und eignet sich besonders zur antistatischen Ausrüstung von Kunststoffen und Textilien.
Ausführungsbeispiele A. Herstellung der Metalloxid-Nanosole 1. Wässrig-alkoholisches SiO2-Nanosol A
50 ml Tetraethoxysilan, 200 ml Ethanol und 100 ml 0,01 n zuge­ tropfte Salzsäure werden 20 Std. bei Raumtemperatur gerührt. Das resultierende Sol hat einen SiO2-Gehalt von ca. 4 Gew-% in ca. 70% Alkohol.
2. Alkoholisches SiO2-Nanosol B
50 ml Tetraethoxysilan, 210 ml 96% Ethanol und 10 ml 0,01 n zu­ getropfte Salzsäure werden 20 Std. bei Raumtemperatur gerührt. Das resultierende Sol hat einen SiO2-Gehalt von ca. 5 Gew-% in Alkohol.
B. Herstellung antistatischer Beschichtungen
100 ml Nanosol werden mit einem bestimmten Volumen gelöster Alkalisalze von Polyelektrolyten (AP, vgl. Tabelle 1) in 50% Ethanol gemischt und durch Tauchbeschichtung (30 cm/min) bzw. Rakelbeguß auf PVC-Folie (Oberflächenwiderstand R < 1013 Ohm) aufgetragen. Die transparente Beschichtung wird 30 min an der Luft und 1 h bei 40°C getrocknet.
Zur Prüfung der antistatischen Wirkung wird die Oberflächen­ leitfähigkeit gemessen (Ro), anschließend wird zur Prüfung der Auswaschbeständigkeit die Schicht mit einem nassen Schwamm ab­ gewischt und nach Trocknung erneut vermessen (Rw)
Tabelle 1
Oberflächenwiderstände antistatischer Beschichtungen

Claims (10)

1. Antistatische Beschichtung, dadurch gekennzeichnet, dass auf einem Trägermaterial ein schichtförmiges anorganisches Xe­ rogel aufgebracht ist, das in homogener Verteilung ein oder mehrere Alkalisalze von Polyelektrolyten enthält.
2. Antistatische Beschichtung gemäß Anspruch 1, bei der als anorganisches Xerogel SiO2, R-SiOn, R2SiOn, Al2O3, TiO2 oder de­ ren Gemische verwendet werden, wobei R = H, Alkyl, Aryl, Epo­ xy-alkyl oder Aminoalkyl und n = 1.5 oder 1 ist.
3. Antistatische Beschichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der als Polyelektrolyt Alkalisalze der Polystyrensulfonsäure, Po­ lyvinylsulfonsäure oder Cellulosesulfonsäure in Anteilen von 5-50 Gew.-% im Feststoff verwendet werden.
4. Antistatische Beschichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der zur Verbesserung des Schichtbildungsverhal­ tens und der Schichthaftung das anorganische Xerogel nichtio­ nische lösliche Polymere, insbesondere Cellulose-Derivate, Po­ lyalkylenglykole und deren Derivate, hydroxyterminierte Po­ ly(dimethylsiloxane) oder natürliche Polymere wie Gelatine oder Naturharze, bis zu 30 Gew.-% im Feststoff enthalten sind.
5. Antistatische Beschichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der als Träger Kunststoffe oder Materialien aus natürlichen und künstlichen Fasern verwendet werden.
6. Antistatische Beschichtung gemäß Anspruch 5, bei der als Träger Polymerfolien verwendet werden und die Beschichtung zur antistatischen Ausrüstung der Polymerfolien angewendet wird.
7. Verfahren zur Herstellung einer antistatischen Beschichtun­ gen gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
  • 1. Herstellung eines anorganischen Nanosols, welches die Be­ standteile SiO2, R-SiOn, R2SiOn, Al2O3, TiO2 oder deren Gemische enthält, durch saure Hydrolyse der entsprechenden Silicium- und/oder Metallalkoxide in einem wässrigen, organischen oder gemischten Lösungsmittel,
  • 2. Zumischung einer 2-10%-igen wässrigen oder wässrig­ alkoholischen Lösung eines oder mehrerer Alkalisalze von Poly­ elektrolyten unmittelbar vor der Beschichtung,
  • 3. Beschichten der Mischung auf einen Träger und Gelierung des Sols,
  • 4. Trocknen der Schicht durch Verdampfen des Lösungsmittels an Luft.
8. Verfahren gemäß Anspruch 7, bei dem die Herstellung des an­ organischen Nanosols unter Zusatz gelöster nichtionischer Po­ lymerer erfolgt.
9. Verfahren gemäß Anspruch 7 oder 8, bei dem bei Schritt (4) eine Verfestigung der Beschichtung durch Erwärmen auf maximal 100°C erfolgt.
10. Verwendung von Alkalisalzen von Polyelektrolyten zur Her­ stellung antistatisch wirkender Beschichtungen.
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