DE102004012090A1

DE102004012090A1 - Oberflächenmodifizierte Fällungskieselsäuren

Info

Publication number: DE102004012090A1
Application number: DE102004012090A
Authority: DE
Inventors: Hans-Dieter Dipl.-Ing. Christian; Jürgen Dipl.-Chem. Dr. Schubert; Uwe Schmeier
Original assignee: Degussa GmbH
Current assignee: Evonik Operations GmbH
Priority date: 2003-05-14
Filing date: 2004-03-12
Publication date: 2004-12-09
Also published as: CN102161845B; TW200505790A; TWI394714B; MY137950A; CN102161845A

Abstract

Die Erfindung betrifft oberflächenmodifizierte Fällungskieselsäuren, deren Oberfläche durch Behandlung mit einem Polymeren dahingehend modifiziert wurde, dass sie besonders gut für den Einsatz als Mattierungsmittel geeignet sind.

Description

Die Erfindung betrifft oberflächenmodifizierte Fällungskieselsäuren, deren Oberfläche durch Behandlung mit einem Polymeren dahingehend modifiziert wurde, dass sie besonders gut für den Einsatz als Mattierungsmittel geeignet sind, sowie ein Verfahren zu deren Herstellung.
Die Oberflächenmodifizierung von Fällungskieselsäuren ist lange bekannt und dient zur Herstellung von funktionsverbessernden Materialien für Siliconkautschuke, Inkjet-Anwendungen oder Lacken (als Mattierungsmittel).
So beschreibt EP 0 922 671 die Herstellung einer hydrophoben Fällungskieselsäure, wobei eine konventionelle, getrocknete Fällungskieselsäure mit einer Polyethylenwachsemulsion versetzt und anschließend in einer Sichtermühle oder Fließbettgegenstrahlmühle vermahlen wird.
DE 25 13 608 beschreibt ein Verfahren zur Hydrophobierung feinteiliger Kieselsäuren durch Behandlung der trockenen Kieselsäure mit Organosilanen in einem fluidisierten Zustand bei Temperaturen von 200 bis 300 °C.
Zur Vereinfachung des Hydrophobierungsverfahrens wird in EP 0 341 383 vorgeschlagen, in eine Suspension von Fällungskieselsäuren Siliconölemulsionen einzutragen.
Ein ähnliches Verfahren ist durch DE 24 35 860 beschrieben, bei dem eine Fällungskieselsäuresuspension mit gegebenenfalls vorkondensierten Organohalogensilanen umgesetzt wird. Nach Filtration des Feststoffs wird dieser bei Temperaturen von 300 bis 400 °C getempert und anschließend vermahlen.
Fällungskieselsäuren werden häufig zur Mattierung von Lackoberflächen verwendet. Eine so mattierte Lackschicht sollte unter verschiedenen Beobachtungswinkeln einen möglichst geringen Glanz aufweisen. Da hydrophile Fällungskieselsäuren in Lacken zu starker Sedimentation neigen können und damit nur noch schwer oder gar nicht mehr aufrührbar sind, werden häufig mit Wachs belegte Fällungskieselsäuren als Mattierungsmittel eingesetzt. Durch die Wachsbelegung der Kieselsäureoberfläche wird das Sedimentationsverhalten wesentlich verbessert. Das Mattierungsmittel sedimentiert nicht oder nur so gering, dass es ohne großen Energieaufwand wieder aufgerührt werden kann.
Bei der Verwendung von Klarlacken ist es wünschenswert, die Transparenz des Lackes durch die Einarbeitung des Mattierungsmittels nicht zu beeinflussen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es daher, oberflächenmodifizierte Kieselsäuren zur Verfügung zu stellen, welche beim Einsatz als Mattierungsmittel in Klarlacken zu verbesserten Eigenschaften der Lacke, führen. Ein Verfahren zur Herstellung der oberflächenmodifizierten Kieselsäuren soll ebenfalls bereitgestellt werden.

Überraschend hat sich gezeigt, dass die erfindungsgemäßen Kieselsäuren die Transparenz von Lacken verbessern, wobei sie mindestens gleich gute Sedimentationseigenschaften wie Kieselsäuren, die mit Polyethylenwachs (PE-Wachs) belegt sind, besitzen. Somit weisen sie Vorteile gegenüber mit Wachsen belegten Mattierungsmitteln, welche häufig eine Trübung des Klarlacks verursachen, auf.

Es wurde herausgefunden, dass Fällungskieselsäuren durch Beschichtung mit bestimmten Polymeren derart modifiziert werden können, dass Lacke, mit einem Brechungsindex im Bereich von 1.4000 bis 1.5000, in die die erfindungsgemäßen Fällungskieselsäuren eingearbeitet wurden, eine hervorragende Transparenz aufweisen. Im Vergleich zu Lacken, die herkömmliche, mit PE-Wachs belegte Kieselsäuren als Mattierungsmittel enthalten, und einen Brechungsindex im Bereich von 1.4000 bis 1.5000 aufweisen, zeigen identische Lacke, die die erfindungsgemäßen Kieselsäuren als Mattierungsmittel enthalten, eine stark verbesserte Transparenz, auch in flüssiger Form, wobei die Sedimentationseigenschaften ebenfalls hervorragend sind. Mit herkömmlichen Mattierungsmitteln mattierte Klarlacke sind in flüssiger Form im allgemeinen trübe, wogegen die mit den erfindungsgemäßen Fällungskieselsäuren mattiert Klarlacke, auch in flüssiger Form klar und transparent sind.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind daher Fällungskieselsäuren, deren Oberfläche mit einem Polymeren derart modifiziert wurden, dass die modifizierten Fällungskieselsäuren die Transmission eines Lackes mit einem Brechungsindex von n_D20 = 1.4492, enthaltend 5 Gew.-% dieser modifizierten Fällungskieselsäuren, im Vergleich zu einem identischen Lack enthaltend 5 Gew. % einer mit einem Polyethylenwachs behandelten Referenz-Fällungskieselsäure, um mindestens 20 % verbessern.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist zudem ein Verfahren zur Herstellung derart oberflächenmodifizierter Fällungskieselsäuren, durch

a) Ausfällen einer Alkalisilikatlösung mit einem Säuerungsmittel unter schwach sauren bis alkalischen Bedingungen,
b) weitere Zugabe eines Säuerungsmittels zur Einstellung eines pH-Werts von 7 bis 2 unter Erhalt einer Kieselsäurensuspension,
c) Abfiltrieren des ausgefällten Feststoffs und
d) Trocknung des Feststoffs mittels Langzeittrocknung, z.B. Drehrohrtrockner oder Tellertrockner, oder mittels Kurzzeittrocknung, z.B. Sprühtrockner, Spinflashtrockner so, dass das Produkt eine Restfeuchte von kleiner 10 % aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt
e) die gefällte Kieselsäure mit einem Polymer behandelt wird, wobei die Menge und die Art des Polymers so gewählt wird, dass die modifizierte Fällungskieselsäure die Transmission eines Klarlacks, mit einem Brechungsindex von n_D20 = 1.4492, enthaltend 5 Gew. % dieser modifizierten Referenz-Fällungskieselsäure, im Vergleich zu einem identischen Lack enthaltend 5 Gew. % einer mit einem Polyethylenwachs behandelten Fällungskieselsäure, um mindestens 20 % verbessert.

Bei den erfindungsgemäßen oberflächenmodifizierten Kieselsäuren handelt es sich um Fällungskieselsäuren, die mit einem Polymer beschichtet wurden und dadurch die Transmission eines Klarlacks, mit einem Brechungsindex von n_D20 = 1.4492, enthaltend 5 Gew. % dieser modifizierten Fällungskieselsäure, im Vergleich zu einem identischen Lack enthaltend 5 Gew. % einer mit einem Polyethylenwachs behandelten Referenz-Fällungskieselsäure um mindestens 20 % verbessern. Bevorzugt wird die Transmission um mindestens 25 %, insbesondere 30 % verbessert. Bei der mit Polyethylenwachs behandelten Referenz-Kieselsäure handelt es sich bevorzugt um ACEMATT OK 412, ein Handelsprodukt der Firma Degussa, mit einer Spezifikation gemäß Produktinformation von 12/02, welche hiermit ausdrücklich in den Inhalt der Beschreibung der vorliegenden Erfindung aufgenommen wird. Als Referenz- Fällungskieselsäuren können auch Fällungskieselsäuren, die die gleiche unbehandelte Kieselsäure aufweisen und mit einem Polyethylenwachs beschichtet sind, verwendet werden.

Gemäß der Produktinformation 12/02 weist ACEMATT^® OK 412 folgende PC-Daten auf:

Die erfindungsgemäßen Kieselsäuren werden zudem durch folgende physikalisch-chemischen Daten charakterisiert:

Partikelverteilung d50:

1 – 50 μm, mit den Vorzugsbereichen 1 – 40 μm, 1 – 30 μm, 2 – 20 μm und 3 – 15 μm

Ölabsorption DBP:	100 – 600 g/100g, mit den Vorzugsbereichen 150 – 500 g/100g, 200 – 450 g/100g und 250 – 400 g/100g
C-Gehalt:	1 – 20 %, mit den Vorzugsbereichen 1 – 10 % und 2 – 8 %
Searszahl V₂:	< 25 ml/5 g

Als oberflächenmodifizierende Polymere können Polyorganosiloxane oder modifizierte Polyorganosiloxane eingesetzt werden. Bei den modifizierten Polyorganosiloxanen handelt es sich insbesondere um polyethermodifizierte und Acrylat- bzw. polyacrylatmodifizierte Polyorganosiloxane. Ferner können Polyalkoxysiloxane eingesetzt werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden Polyorganosiloxane mit folgender allgemeiner Struktur verwendet:

wobei
Y = -OH, -OR oder
Y = H₅C₂-O-(C₂H₄O)_m- , H₇C₃-O-(C₃H₆O)_m- oder

, R = -Alkyl insbesondere Methyl oder Ethyl,
R₂ = Alkyl,
R₃ = Alkyl,
a = 0 – 100, b = 0 – 100, c = 0 – 100, d = 0 – 100,
m = 0 – 100 und k = 0 – 100 ist.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden Polyorganosiloxan mit folgender allgemeiner Struktur verwendet:

ist und die Summe der Einheiten a = 0 bis 100, die Summe der Einheiten b = 0 bis 15 ist, wobei bei den Resten R₁ das Verhältnis von Methyl zu Alkoxyresten kleiner 50 : 1 ist und b ≥ 1 ist, wenn a = 0 ist und a ≥ 5 ist, wenn b = 0 ist. Nähere Angaben, insbesondere zur Herstellung dieser Polysiloxane sind der DE 36 27 782 A1 zu entnehmen. Der Inhalt dieser Patentanmeldung ist ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Anmeldung.

Unter Alkyl-Rest sind gerad- oder verzweigtkettige Alkylrest mit 1 bis 100 C-Atomen, bevorzugt 1 bis 25, besonders bevorzugt 1 bis 10 C-Atomen sowie Cycloalkylreste mit 1 bis 15 C-Atomen zu verstehen. Die Alkylreste können eine oder mehrere Doppel- oder Dreifachbindung enthalten, einzelne Atome können durch Heteroatome wie O, N oder S ersetzt werden.

In den Schritten a) und b) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als wässrige Alkalisilikatlösung bevorzugt Natriumsilikat (Wasserglas) mit einer Dichte von ca. 1.343 kg/l, mit einem Gewichtsanteil von 27,3 % SiO₂ und 7,9 % Na₂O eingesetzt. Als Säuerungsmittel kann jede Mineralsäure, insbesondere konzentrierte Schwefelsäure (96 % H₂SO₄ oder CO₂), eingesetzt werden.

In Schritt a) werden die Komponenten, wie z. B. in DE 31 44 299 beschrieben, unter Rühren miteinander vermengt. Der Inhalt der DE 31 44 299 ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Optional kann die Zugabe des Säurungsmittels bzw. von Säurungsmittel gleichzeitig mit Wasserglas in eine Wasser- oder Natriumsilikatvorlage erfolgen. Es ist darauf zu achten, dass die Fällung unter Einhaltung eines schwach sauren bis alkalischen pH-Werts durchgeführt wird. Der pH-Wert beträgt insbesondere 6 – 12. Optional kann die Fällung bei konstantem pH-Wert oder konstanter Alkalizahl durchgeführt werden.

In Schritt b) wird durch Zugabe eines Säuerungsmittels, hier insbesondere das bereits zur Fällung eingesetzte Säuerungsmittel, ein pH-Wert im sauren oder neutralen Bereich (pH 7 bis 2) eingestellt.

In Schritt c) wird die in der Suspension enthaltene Kieselsäure gegebenenfalls nach einer Wartezeit von 0 bis 90 Minuten, bevorzugt 15 bis 60 Minuten, abfiltriert und mit deionisiertem Wasser neutral gewaschen.

In Schritt d) wird der Feststoff mittels Kurzzeittrocknung, z.B. Sprühtrockner, Spinflashtrockner oder Langzeittrocknung z.B. Drehrohrtrockner oder Tellertrockner so getrocknet, dass das Produkt eine Restfeuchte von kleiner 10 % aufweist.

Die Oberflächenmodifikation (Schritt e)) kann zu verschiedenen Zeitpunkten durchgeführt werden.

In einer Ausführungsform 1) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in die in Schritt b) auf pH 7 – 2 eingestellte Kieselsäuresuspension, in Schritt e) 0.5 – 30 Gew.-% des oberflächenmodifizierenden Polymeren eingetragen. Die Zugabe erfolgt bevorzugt mit einer Dauer zwischen 1 und 30 Minuten, insbesondere 5 bis 15 Minuten, und wird bevorzugt bei der Reaktionstemperatur der Fällung in Schritt a), d. h. insbesondere bei 50 bis 90 °C, bevorzugt 50 – 65 °C, durchgeführt. Anschließend wird die oberflächenmodifizierte Kieselsäure wie für die Schritte c) und d) beschrieben, abfiltriert und getrocknet.

In einer Ausführungsform 2) der vorliegenden Erfindung wird die gemäß den Schritten a) und b) gefällte Kieselsäure wie für Schritt c) beschrieben abfiltriert, gegebenenfalls mit deionisiertem Wasser gewaschen, danach erneut mit Wasser oder Schwefelsäure oder einem Gemisch aus Wasser und Schwefelsäure resuspendiert und anschließend in Schritt e) 0.5 – 30 Gew.-% des oberflächenmodifizierenden Polymers in die Suspension gegeben und die so erhaltene Suspension in einen Sprühtrockner gesprüht, so dass die Oberflächenmodifizierung während des Trocknungsvorgangs erfolgt. Daneben ist auch die gleichzeitige Eindüsung von Kieselsäuresuspension und Siloxan denkbar. Die Sprühtrocknung erfolgte bei 200 – 500 °C, so, dass das Produkt eine Restfeuchte kleiner 10% aufweist. Der Feststoffgehalt der zu versprühenden Kieselsäuresuspension kann bis zu 25 Gew. % betragen.

In einer Ausführungsform 3) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Kieselsäure wie in den Schritten a) – d) beschrieben hergestellt und getrocknet. Anschließend wird die getrocknete Fällungskieselsäure in Schritt e) mit 0.5 – 30 Gew.-% des oberflächenmodifzierenden Polymeren versetzt und innig vermischt. Die Zugabe des Polymeren erfolgt innerhalb von 0 bis 120 min, bevorzugt innerhalb von 0 bis 60 min, bes. bevorzugt innerhalb von 0 bis 30 min. Die Mischung wird 0 – 2 h bei 20 – 150 °C weiter gemischt. Bevorzugt erfolgt die Mischung bei 20 – 100 °C, besonders bevorzugt bei 20 – 80 °C. Der Mischvorgang wird bevorzugt 0 – 1 h und besonders bevorzugt 0 – 30 min durchgeführt.

Im erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren erfolgt die Zugabe der Polymere bevorzugt so, dass während der Reaktion des Polymers mit der Kieselsäure ein Verhältnis von Polymer zu Kieselsäure von 0.5 g : 100 g bis 30 g : 100 g, insbesondere von 2 g : 100 g bis 20 g : 100 g, speziell 3 g : 100 g bis 13 g : 100 g eingestellt wird.

Als oberflächenmodifizierende Polymere können im erfindungsgemäßen Verfahren Polyorganosiloxane oder modifizierte Polyorganosiloxane eingesetzt werden. Bei den modifizierten Polyorganosiloxanen handelt es sich insbesondere um polyethermodifizierte und acrylat- bzw. polyacrylatmodifizierte Polyorganosiloxane. Ferner können Polyalkoxysiloxane eingesetzt werden.

wobei
Y = -OH, -OR oder
Y = H₅C₂-O-(C₂H₄O)_m-, H₇C₃-O-(C₃H₆O)_m- oder

R = Alkyl insbesondere Methyl oder Ethyl,
R₂ = Alkyl,
R₃ = Alkyl,
a = 0 – 100, b = 0 – 100, c = 0 – 100, d = 0 – 100,
m = 0 – 100 und k = 0 – 100 ist.

Optional kann bei Ausführungsform 1) und 2) noch ein Emulgierhilfsmittel wie z. B. LA-S 687 (Firma TEGO GmbH) zugegeben werden. Dies ist insbesondere bei Organosiliziumverbindungen, die nicht wasserlöslich sind, angezeigt.

Zur Erreichung der gewünschten Partikelverteilung ist es notwendig, dass nach der Trocknung der oberflächenmodifizierten Kieselsäuren in Schritt f) eine Vermahlung bei gleichzeitiger Sichtung durchgeführt wird. Dies Vermahlung kann in handelsüblichen Querstrommühlen (z.B. der Firma Alpine, Firma Netzsch-Condux) durchgeführt werden.

Zur Vermeidung von Oberkorn bzw. Stippen ist es zweckmäßig, nach der Trocknung der oberflächenmodifizierten Fällungskieselsäuren oder nach oder während der Vermahlung in Schritt f) Partikel mit einem Durchmesser über 50 μm, bevorzugt über 30 μm, insbesondere über 20 μm abzutrennen. Dies kann je nach Feinheit des Mattierungsmittels z. B. durch ein entsprechendes Sieb oder eine Sichtereinrichtung, die auch in die Mühle integriert sein kann, erfolgen.

Die physikalisch/chemischen Daten der erfindungsgemäßen Fällungskieselsäuren wurden mit den folgenden Methoden bestimmt:

Bestimmung der Transmission von Lacken

Die Messung der Transmission erfolgte mit einem UV/Vis-Spektralphotometer Specord 200 der Fa. ANALYTIK JENA GmbH in 1 cm Quarzküvetten bei Raumtemperatur gegen Luft als Referenz. Die Spaltbreite und Schrittweite betrug 2 nm.

Dazu wurde ein SH-Lack mit einem Brechungsindex n_D20 = 1.4492 und folgender allgemeiner

Zusammensetzung

30.2 Gew.-% Xylol
15.1 Gew.-% Ethoxypropanol
15.1 Gew.-% Ethanol
39.6 Gew.-% Plastopal BT, 60 %ig (Harnstoff-Formaldehydharz, das Urethangruppen enthält und mit kurzkettigen Alkoholen verethert ist, der Firma BASF AG, Ludwigshafen) vorgelegt und die 2.5 g des jeweiligen Mattierungsmittels (oberflächen-modifizierte Kieselsäure) eingearbeitet. Hierbei wurde das Mattierungsmittel bei Raumtemperatur mit einem Flügelrüher für 10 Min. bei 2000 Umdrehungen/Min. in 50 g Lack SH-Lack dispergiert. Die Dispergierung erfolgte in einem 180 ml PE Mischbecher bei Raumtemperatur. Die Flügeldurchmesser des Rührers betragen 43 mm. Anschließend wurde die frisch zubereitete Dispersion in 1 cm Quarzküvetten gefüllt und UV/Vis-Spektren, in Transmission zwischen 190 und 1100 nm registriert.

Bestimmung der modifizierten Searszahl von Kieselsäuren

Durch die Titration von Kieselsäuren mit Kaliumhydroxid-Lösung im Bereich von pH 6 bis pH 9 läßt sich die modifizierte Searszahl (im folgenden Searszahl V₂ genannt) als Maß für die Zahl an freien Hydroxyl-Gruppen bestimmen.

Der Bestimmungsmethode liegen die folgenden chemischen Reaktionen zu Grunde, wobei „Si"-OH eine Silanolgruppe symbolisieren soll: „Si"-OH + NaCl → „Si"-ONa + HCl HCl + KOH → KCl + H₂O .

Durchführung

10.00 g einer pulverförmigen, kugelförmigen oder granulären Kieselsäure mit 5 ± 1 % Feuchte werden 60 Sekunden in der IKA-Universalmühle M 20 (550 W; 20 000 U/min) gemahlen. Gegebenenfalls muß der Feuchtegehalt durch Trocknen bei 105 °C im Trockenschrank oder gleichmäßiges Befeuchten eingestellt werden. 2.50 g der so behandelten Kieselsäure werden bei Raumtemperatur in ein 250 ml Titriergefäß eingewogen und mit 60.0 ml Methanol p. A. versetzt. Nach vollständiger Benetzung der Probe werden 40.0 ml entionisiertes Wasser zugegeben und man dispergiert mittels Ultra Turrax T 25 (Rührwelle KV-18G, 18 mm Durchmesser) 30 Sekunden lang bei einer Drehzahl von 18 000 U/min. Mit 100 ml entionisiertem Wasser werden die am Gefäßrand und Rührer anhaftenden Probepartikel in die Suspension gespült und in einem thermostatisiertem Wasserbad auf 25 °C temperiert.

Das pH-Messgerät (Fa. Knick, Typ: 766 pH-Meter Calimatic mit Temperaturfühler) und die pH-Elektrode (Einstabmesskette der Fa. Schott, Typ N7680) werden unter Verwendung von Pufferlösungen (pH 7.00 und 9.00) bei Raumtemperatur kalibriert. Mit dem pH-Meter wird zunächst der Ausgangs-pH-Wert der Suspension bei 25 °C gemessen, danach wird je nach Ergebnis mit Kaliumhydroxid-Lösung (0.1 mol/l) bzw. Salzsäurelösung (0.1 mol/l) der pH-Wert auf 6.00 eingestellt. Der Verbrauch an KOH- bzw. HCl-Lösung in ml bis pH 6.00 entspricht V₁'.

Danach werden 20.0 ml Natriumchlorid-Lösung (250.00 g NaCl p. A. mit entionisiertem Wasser auf 1 l aufgefüllt) zudosiert. Mit 0.1 mol/l KOH wird dann die Titration bis zum pH-Wert 9.00 fortgesetzt. Der Verbrauch an KOH-Lösung in ml bis pH 9.00 entspricht V₂'. Anschliessend werden die Volumen V₁', bzw. V₂' zunächst auf die theoretische Einwaage von 1 g normiert und mit dem Faktor 5 erweitert, woraus sich V₁ und die Searszahl V₂ in den Einheiten ml/5g ergeben. Die Messungen werden jeweils als Doppelbestimmungen durchgeführt.

DBP-Aufnahme

Die DBP-Aufnahme (DBP-Zahl), die ein Mass für die Saugfähigkeit der Fällungskieselsäure ist, wird in Anlehnung an die Norm DIN 53601 wie folgt bestimmt:

Durchführung

12.50 g pulverförmige oder kugelförmige Kieselsäure mit 0 – 10 % Feuchtegehalt (gegebenenfalls wird der Feuchtegehalt durch Trocknen bei 105 °C im Trockenschrank eingestellt) werden in die Kneterkammer (Artikel Nummer 279 061) des Brabender-Absorptometer "E" gegeben. Im Falle von Granulaten wird die Siebfraktion von 3.15 bis 1 mm (Edelstahlsiebe der Fa. Retsch) verwendet (durch sanftes Drücken der Granulate mit einem Kunststoffspatel durch das Sieb mit 3.15 mm Porenweite). Unter ständigem Mischen (Umlaufgeschwindigkeit der Kneterschaufeln 125 U/min) tropft man bei Raumtemperatur durch den „Dosimaten Brabender T 90/50" Dibutylphthalat mit einer Geschwindigkeit von 4 ml/min in die Mischung. Das Einmischen erfolgt mit nur geringem Kraftbedarf und wird anhand der Digitalanzeige verfolgt. Gegen Ende der Bestimmung wird das Gemisch pastös, was mittels eines steilen Anstieges des Kraftbedarfs angezeigt wird. Bei einer Anzeige von 600 digits (Drehmoment von 0.6 Nm) wird durch einen elektrischen Kontakt sowohl der Kneter als auch die DBP-Dosierung abgeschaltet. Der Synchronmotor für die DBP-Zufuhr ist mit einem digitalen Zählwerk gekoppelt, so dass der Verbrauch an DBP in ml abgelesen werden kann.

Auswertung

Die DBP-Aufnahme wird in g/100 g angegeben und anhand der folgenden Formel aus dem gemessenen DBP-Verbrauch berechnet. Die Dichte von DBP beträgt bei 20 °C typischer Weise 1.047 g/ml.

DBP-Aufnahme in g/100 g = Verbrauch an DBP in ml·Dichte des DBP in g/ml·100/12.5 g

Die DBP-Aufnahme ist für die wasserfreie, getrocknete Kieselsäure definiert. Bei Verwendung von feuchten Fällungskieselsäuren ist der Wert mittels der folgenden Korrekturtabelle zu korrigieren.

Der Korrekturwert entsprechend dem Wassergehalt wird zu dem experimentell bestimmten DBP-Wert addiert; z. B. würde ein Wassergehalt von 5.8 % einen Zuschlag von 33 g/100 g für die DBP-Aufnahme bedeuten.

Korrekturtabelle für Dibutylphthalataufnahme -wasserfrei-

Bestimmung der Feuchte von Kieselsäuren

Nach dieser Methode werden in Anlehnung an ISO 787-2 die flüchtigen Anteile (im folgenden der Einfachheit halber „Feuchte" genannt) von Kieselsäure nach 2 stündiger Trocknung bei 105 °C bestimmt. Dieser Trocknungsverlust besteht im allgemeinen überwiegend aus Wasserfeuchtigkeit.

Durchführung

In ein trockenes Wägeglas mit Schliffdeckel (Durchmesser 8 cm, Höhe 3 cm) werden 10 g der pulverförmigen, kugelförmigen oder granulären Kieselsäure auf 0.1 mg genau eingewogen (Einwaage E). Die Probe wird bei geöffnetem Deckel 2 h bei 105 ± 2 °C in einem Trockenschrank getrocknet. Anschließend wird das Wägeglas verschlossen und in einem Exsikkatorschrank mit Kieselgel als Trocknungsmittel auf Raumtemperatur abgekühlt. Die Auswaage A wird gravimetrisch bestimmt.

Man bestimmt die Feuchte in % gemäß (E in g – A in g)·100%/E in g.

Die Messung wird als Doppelbestimmung durchgeführt.

Bestimmung des Glühverlusts:

2 h bei 1000 °C nach Trocknung, DIN 55 921/3,4, ISO 3262

Bestimmung des d50

Aggregatgrößenverteilung durch Laserbeugung (Coulter)

Geräte:

Laserbeugungsgerät LS 230, Fa. Coulter
Utraschallfinger Bandelin, Typ HD 2200 mit Horn DH 13 G
Kühlbad 80 ml
Eppendorfpipette 5 ml
Zentrifugenglas, Höhe 7 cm, Ø 3 cm
Petrischale, Höhe 4 cm, Ø 7 cm
Dewar-Gefäß, Höhe 21 cm, Ø 4 cm
Digitales Thermometer, Genauigkeit ± 0.1 K
Chemikalien: Ethanol, p.A., Fa. Merck Triton X-100, Fa. Merck Natriumhexametaphosphat, Fa. Baker

Probenvorbereitung:

Granulate werden in einen Mörser gegeben und die grobkörnigen Granulatstücke zerdrückt, nicht gemörsert.

1 g ungealterte Kieselsäure (Zeitspanne zur Produktion max. 10 Tage) wird in ein 30 ml Rollrandgläschen eingewogen und mit 20 ml Dispersionslösung (20 g Natriumhexametaphosphat auf 1000 ml mit demineralisiertem Wasser aufgefüllt) versetzt. Anschließend wird die Probe in ein Kühlbad, welches die starke Erwärmung der Suspension verhindert, gestellt und 1 min mit Ultraschall behandelt (20 W-Leistung, 80 % Pulse). Je Kieselsäure werden nacheinander drei Dispersionslösungsmuster hergestellt.

Bis die Probenzugabe in das Flüssigkeitsmodul erfolgt, gibt man die Suspension in eine Petrischale mit Magnetrührer, um eventuelle Sedimentation zu verhindern.

Durchführung:

Vor Beginn der Messung lässt man das Gerät und das Flüssigkeitsmodul mindestens 30 min warmlaufen und spült das Modul (Menüleiste „Steuerung/Spülen") 10 min. automatisch.

In der Steuerleiste der Coultersoftware wählt man über dem Menüpunkt „Messungen" das Dateifenster „Opt. Modell berechnen" aus und legt die Brechungsindizes fest (Flüssigkeitsbrechungsindex Real = 1.332; Material Brechungsindex Real = 1.46, Imaginär = 0.1).

In dem Dateifenster „Messzyklus" stellt man die Leistung der Pumpgeschwindigkeit auf 26 % und die Ultraschallleistung auf 3 % ein. Die Punkte Ultraschall „während der Probenzugabe", „vor jeder Messung" und „während der Messung" sind zu aktivieren.

Zusätzlich wählt man in diesem Dateifenster die folgenden Punkte aus: Offsetmessung (1 täglich)

Justieren

Hintergrundmessung

Messkonz. einstellen
Probeninfo eingeben
Messinfo eingeben
2 Messungen starten
Autom. Spülen
Mit PIDS Daten

Nach Abschluss der Kalibrierung, erfolgt die Probenzugabe. Man fügt so lange dispergierte Kieselsäure zu, bis eine Lichtabsorption von ca. 45 % erreicht ist und das Gerät OK meldet.

Die Messung erfolgt mit dem Frauenhofer Modell, wobei die Standardsoftware des Laserbeugungsgerät LS 230, Fa. Coulter verwendet wurde.

Von jeder Probenzugabe werden drei Doppelbestimmungen von 60 Sekunden durchgeführt. Aus der Rohdatenkurve berechnet die Software auf Basis der Volumenverteilung die Teilchengrößenverteilung.

Bestimmung des C-Gehalts

Geräte:

C-mat 500 der Fa. Ströhlein Instruments
Analysenwaage
Porzellanschiffchen mit Deckel
Pinzette
Dosierlöffel

Reagenzien

Euro-Analysen-Kontrollprobe 077-2 (Fa. Ströhlein Instruments)
Sauerstoff

Durchführung

Messung der Kontrollprobe

Zuerst wird die Kontrollprobe gemessen. Dazu werden auf ein ausgeglühtes, abgekühltes Porzellanschiffchen 0.14 – 0.18 g auf einer Analysenwaage eingewogen. Beim Bedienen der Starttaste wird das Gewicht übernommen, da die Waage mit dem C-mat gekoppelt ist. Das Schiffchen muß innerhalb von 30 Sekunden in die Mitte des Verbrennungsrohres geschoben werden. Nach Abschluß der Verbrennung wird der Meßwert in Impulse umgewandelt und vom Rechner ausgewertet. Es werden 2 und mehr Bestimmungen durchgeführt. Eventuell muß der Faktor des Gerätes neu eingestellt werden. Der Faktor wird nach folgender Formel berechnet:

Messung der Kieselsäureproben

Nach der Ermittlung des Faktors werden die Kieselsäureproben gemessen. Dazu werden jeweils 0.04 – 0.05 g der Kieselsäure in ein Porzellanschiffchen eingewogen und das Porzellanschiffchen mit einem Porzellandeckel abgedeckt. Anschließend werden die Kieselsäureproben analog zur Kontrollprobe vermessen. Bei Abweichungen > 0.005% wird eine dritte und ggf. weitere Messungen durchgeführt und der Durchschnitt errechnet.

Auswertung

Der Kohlenstoffgehalt wird nach folgender Formel berechnet:

Dabei bedeuten: I = Impulse
F = Faktor
E = Einwaage in g

Ergebnisangabe

Das Ergebnis wird in 2 Nachkommastellen in %C abgegeben.

Anmerkung

Die Handhabung des „C-mat 500" kann der Bedienungsanleitung der Fa. Ströhlein Instruments entnommen werden.

Die folgenden Beispiele dienen zur Erläuterung der Erfindung und sollen deren Schutzumfang, wie in den Patentansprüchen dargelegt, nicht einschränken.
Beispiele 1 – 3
Die Herstellung der Kieselsäure erfolgt analog DE 1767332 :
In einem beheizbaren 1201-Fällbehälter mit Rühraggregat werden 80 l Wasser vorgelegt und mit 5.5 l Wasserglas (Dichte = 1.346 g/l, SiO₂-Gehalt = 27.3 %, Na₂O-Gehalt = 7.9 %) auf Alkalizahl 20 eingestellt. Die Vorlage wird auf 85°C erhitzt. Bei dieser Temperatur wird die gesamte Fällung durchgeführt. Danach werden parallel Wasserglas mit einer Dosiergeschw. von 207 ml/min und Schwefelsäure (50%) mit einer Dosiergeschwindigkeit von 45 ml/min so zudosiert, daß sich die Alkalizahl nicht ändert. Ab der 30. min wird ein Scheraggregat zugeschaltet, das die Fällsuspension während der weiteren Fällung so intensiv schert, daß am Ende der Fällung eine Partikelverteilung von d50 = 7 μm erreicht wird. Nach der 45. min wird die Zudosierung von Wasserglas und Schwefelsäure für 30 min unterbrochen. Danach werden Wasserglas und Schwefelsäure eingeschaltet und mit der gleichen Geschwindigkeit wie oben zudosiert. Nach weiteren 45 min wird die Wasserglaszudosierung abgeschaltet und so lange Schwefelsäure zudosiert, bis ein pH von 3.5 erreicht ist. Danach ist die Fällung beendet.
Anschließend wird die in der folgenden Tabelle genannte Menge an Polyorganosiloxanemulsion (TEGO Foamex 1435, Firma TEGO GmbH) auf einmal zu der Kieselsäurensuspension gegeben und bei erhöhter Temperatur für die Dauer von 30 min nachgerührt. Anschließend wird die so beschichtete Kieselsäure analog DE 17 67 332 abfiltriert, gewaschen, getrocknet, vermahlen und gesichtet.
Tabelle 1 zeigt einen Vergleich dreier nach obigen Verfahren hergestellter, oberflächenmodifizierter Kieselsäuren mit einer unbehandelten Kieselsäure ACEMATT HK 400 (öffentlich frei zugängliches Handelsprodukt der Firma DEGUSSA). Bei den Beispielen 1 – 3 handelt es sich um Kieselsäuren, die mit unterschiedlichen Mengen an Polyorganosiloxan behandelt wurden.
Beispiel 4
Vergleich der erfindungsgemäßen Mattierungsmittel mit einem Mattierungsmittel aus dem Stand der Technik, durch Transmissionsmessungen von Lacken. Dazu wurden drei Lackmischungen hergestellt, wobei jeweils 2.5 g eines Mattierungsmittels in 50 g eines SH-Lacks (Brechungsindex n_D20 = 1.4492) der folgenden allgemeinen Zusammensetzung:
30.2 Gew.-% Xylol
15.1 Gew.-% Ethoxypropanol
15.1 Gew.-% Ethanol
39.6 Gew.-% Plastopal BT, 60 %ig (Harnstoff-Formaldehydharz, das Urethangruppen enthält und mit kurzkettigen Alkoholen verethert ist, der Firma BASF AG, Ludwigshafen)
eingearbeitet werden.
Probenvorbereitung:
Zur Messung wurden 2.5 g Mattierungsmittel bei Raumtemperatur mit einem Flügelrührer für 10 Min. bei 2000 Umdrehungen/Min. in 50 g Lack SH-Lack dispergiert. Die Dispergierung erfolgt in einem 180 ml PE Mischbecher bei Raumtemperatur. Die Flügeldurchmesser des Rührers betragen 43 mm.
Messung:
Von den frisch zubereiteten Dispersionen werden UV/Vis-Spektren in Transmission zwischen 190 und 1100 nm registriert. Die Messungen erfolgen an einem UV/Vis-Spektralphotometer Specord 200 der Fa. Analytik Jena GmbH in 1 cm Quarzküvetten bei Raumtemperatur gegen Luft als Referenz. Die Spaltbreite und Schrittweite beträgt 2 nm.
Nach obiger Vorschrift wurden die Transmissionswerte von Lacken enthaltend ein Mattierungsmittel gemäß Beispiel 2 oder 3 oder ein mit PE-Wachs beschichtetes Mattierungsmittel ACEMATT OK 412, gemessen. Bei ACEMATT OK 412 handelt es sich um ein öffentlich frei zugängliches Handelsprodukt der Firma DEGUSSA AG, entsprechend der Produktinformation 12/02. Ferner wurden die Transmissionswerte des reinen Lackes ohne Mattierungsmittel gemessen.
Folgende Transmissionswerte wurden erhalten:
Wie man obiger Tabelle entnehmen kann, liegen die Transmissionswerte von Lacken, die die erfindungsgemäßen Mattierungsmittel aus Beispiel 2 oder 3 enthalten, sehr nahe an denen des reinen, unmattierten Lacks. Daher sind diese Lacke sehr klar und durchsichtig.
Ein Lack, welcher das gängige, weit verbreitete Mattierungsmittel ACEMATT OK 412 enthält, zeigt eine um mindestens 35 % schlechtere Transmission, was in einer starken Trübung des Lackes zum Ausdruck kommt.
Nachfolgende 1 und 2 zeigen SH-Lacke, enthaltend ein Mattierungsmittel gemäß Beispiel 2 oder 3, jeweils im Vergleich zum einem identischen SH-Lack enthaltend ACEMATT OK 412. Es wird sehr deutlich, dass Lacke, die die erfindungs-gemäßen Mattierungsmittel enthalten, wesentlich klarer sind.

Claims

Fällungskieselsäure, dadurch gekennzeichnet, dass ihre Oberfläche durch Behandlung mit einem Polymeren dahingehend modifiziert wurde, dass die modifizierte Fällungskieselsäure die Transmission eines Klarlacks, mit einem Brechungsindex von n_D20 = 1.4492, enthaltend 5 Gew. % dieser modifizierten Fällungskieselsäure, im Vergleich zum identischen Klarlack enthaltend 5 Gew. % einer mit einem Polyethylenwachs behandelten Referenz-Fällungskieselsäure, um mindestens 20 % verbessert.
Fällungskieselsäure nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fällungskieselsäure durch folgende physikalisch-chemischen Daten charakterisiert wird: d50: 1 – 50 μm DBP: 100 – 600 g/100g C-Gehalt: 1 – 20 %
Fällungskieselsäure nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fällungskieselsäure eine Searszahl V₂ < 25 ml/5 g aufweist.
Fällungskieselsäure nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikelverteilung d50: 1 – 40 μm beträgt.
Fällungskieselsäure nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ölabsorption DBP: 200 – 500 g/100g beträgt.
Fällungskieselsäure nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der C-Gehalt: 1 – 10% beträgt.
Fällungskieselsäure nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie die Transmission eines Klarlacks, mit einem Brechungsindex von n_D20 = 1.4492, enthaltend 5 Gew. % dieser modifizierten Fällungskieselsäure, im Vergleich zu einem identischen Lack enthaltend 5 Gew. % einer mit einem Polyethylenwachs behandelten Referenz-Fällungskieselsäure, um mindestens 25 % verbessert.
Fällungskieselsäure nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie die Transmission eines Klarlacks mit einem Brechungsindex von n_D20 = 1.4492, enthaltend 5 Gew. % dieser modifizierten Fällungskieselsäure, im Vergleich zu einem identischen Lack enthaltend 5 Gew. % einer mit einem Polyethylenwachs behandelten Referenz-Fällungskieselsäure, um mindestens 30 % verbessert.
Fällungskieselsäure nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine verbesserte Transmission im Bezug auf ACEMATT^® OK 412 als Referenz-Fällungskieselsäure aufweist.
Fällungskieselsäure nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine verbesserte Transmission in Bezug auf eine Referenz-Fällungskieselsäure aufweist, wobei die Referenz-Fällungskieselsäure die gleiche unbehandelte Fällungskieselsäure, die jedoch mit einem Polyethylenwachs beschichtet wurde, aufweist.
Fällungskieselsäure nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Polymeren um ein Polyorganosiloxan oder ein modifiziertes Polyorganosiloxan handelt.
Fällungskieselsäure nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Polymeren um ein Polyorganosiloxan mit folgender allgemeiner Struktur handelt:
wobei Y = -OH, -OR oder Y = H₅C₂-O-(C₂H₄O)_m- , H₇C₃-O-(C₃H₆O)_m- oder
R = -Alkyl insbesondere Methyl oder Ethyl, R₂ = Alkyl, R₃ = Alkyl, a = 0 – 100, b = 0 – 100, c = 0 – 100, d = 0 – 100, m = 0 – 100 und k = 0 – 100 ist.
Fällungskieselsäure nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Polymeren um ein Polyorganosiloxan mit folgender allgemeiner Struktur handelt:
ist und die Summe der Einheiten a = 0 bis 100, die Summe der Einheiten b = 0 bis 15 ist, wobei bei den Resten R₁ das Verhältnis von Methyl zu Alkoxyresten kleiner 50 : 1 ist und b ≥ 1 ist, wenn a = 0 ist und a ≥ 5 ist, wenn b = 0 ist.
Verfahren zur Herstellung von oberflächenmodifizierten, hydrophobierten Fällungskieselsäuren, durch a) Ausfällen einer Alkalisilikatlösung mit einem Säuerungsmittel unter alkalischen bis schwach sauren Bedingungen, b) weitere Zugabe eines Säuerungsmittels zur Einstellung eines pH-Werts von 7 bis 2 unter Erhalt einer Kieselsäurensuspension, c) Abfiltrieren des ausgefällten Feststoffs und d) Trocknung des Feststoffs mittels Langzeittrocknung, z.B. Drehrohrtrockner oder Tellertrockner, oder mittels Kurzzeittrocknung, z.B. Sprühtrockner, Spinflashtrockner so, dass das Produkt eine Restfeuchte von kleiner 10 % aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die gefällte Kieselsäure mit einem Polymer behandelt wird, wobei die Menge und die Art des Polymers so gewählt wird, dass die modifizierte Fällungskieselsäure die Transmission eines Klarlackes, mit einem Brechungsindex von n_D20 = 1,4492, enthaltend 5 Gew. % dieser modifizierten Fällungskieselsäure, im Vergleich zu einem identischen Lack enthaltend 5 Gew. % einer mit einem Polyethylenwachs behandelten Referenz-Fällungskieselsäure, um mindestens 20 % verbessert.
Verfahren gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass in die in Schritt b) auf pH 7 – 2 eingestellte Kieselsäuresuspension, in Schritt e) 0.5 – 30 Gew.-% eines oberflächenmodifizierenden Polymers gemäß einem der Ansprüche 9 – 11 zugegeben werden.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugabe in Schritt e) mit einer Dauer von 1 bis 30 Minuten unter Rühren durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der Kieselsäuresuspension in Schritt e) 20 – 100 °C beträgt.
Verfahren gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die gemäß Schritt c) abfiltrierte und gegebenenfalls mit deionisiertem Wasser gewaschene Kieselsäure mit Wasser oder Schwefelsäure oder einem Gemisch aus Wasser und Schwefelsäure resuspendiert und anschließend in Schritt e) 0.5 – 30 Gew. % des oberflächenmodifizierenden Polymers gemäß einem der Ansprüche 9 – 11 in die Suspension gegeben und die so erhaltene Suspension getrocknet, bevorzugt sprühgetrocknet wird.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Trocknung nach Schritt e) so erfolgt, dass das Produkt eine Restfeuchte kleiner 10 % aufweist.
Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der Kieselsäurensuspension in Schritt e) 20 – 100 °C beträgt.
Verfahren gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Kieselsäure nach Schritt d) in Schritt e) mit 0.5 – 30 Gew.-% eines oberflächenmodifizierenden Polymers gemäß einem der Ansprüche 9 – 11 versetzt und innig vermischt wird.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugabe in Schritt e) mit einer Dauer von 0 bis 120 Minuten unter Mischen durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Kieselsäure und das Polymer 0 – 2 h weiter gemischt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der Mischung in Schritt e) 20 – 150 °C beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Polymer um ein Polyorganosiloxan oder ein modifiziertes Polyorganosiloxan handelt.
Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Polymeren um ein Polyorganosiloxan mit folgender allgemeiner Struktur handelt:
wobei Y = -OH, -OR oder Y = H₅C₂-O-(C₂H₄O)_m-, H₇C₃-O-(C₃H₆O)_m- oder
R = -Alkyl insbesondere Methyl oder Ethyl, R₂ = Alkyl, R₃ = Alkyl, a = 0 – 100, b = 0 – 100, c = 0 – 100, d = 0 – 100, m = 0 – 100 und k = 0 – 100 ist.
Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Polymeren um ein Polyorganosiloxan mit folgender allgemeiner Struktur handelt:
ist und die Summe der Einheiten a = 0 bis 100, die Summe der Einheiten b = 0 bis 15 ist, wobei bei den Resten R₁ das Verhältnis von Methyl zu Alkoxyresten kleiner 50 : 1 ist und b ≥ 1 ist, wenn a = 0 ist und a ≥ 5 ist, wenn b = 0 ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Trocknung der oberflächenmodifizierten Kieselsäure in Schritt f) eine Vermahlung durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 24 oder 28, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Trocknung der oberflächenmodifizierten Kieselsäure oder nach oder während der Vermahlung in Schritt f) Partikel mit einem Durchmesser über 50 μm abgetrennt werden.
Verwendung einer Kieselsäure gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche in Mattierungsmitteln.