DE102005024332A1 - Process for the production of ceramic flakes - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von keramischen Flakes, das die Schritte A) des Bereitstellens einer Suspension von anorganischen Nanopartikeln, B) des Aufbringens der Suspension auf eine Unterlage mittels Foliengießtechnik, C) des Trocknens der Schicht aus der aufgebrachten Suspension unter Bildung von Grünkörpern in Form von Flakes und D) der thermischen Verdichtung der Flake-Grünkörper unter Bildung der keramischen Flakes umfasst. DOLLAR A Die erhaltenen keramischen Flakes eignen sich z. B. als inertes Filtermaterial, Absorbermaterial, Trägermaterial für aktive Substanzen oder Additive für Kunststoffe und Lacke.The invention relates to a method for the production of ceramic flakes, comprising the steps A) of providing a suspension of inorganic nanoparticles, B) applying the suspension to a substrate by means of a film casting technique, C) drying the layer of the applied suspension to form green bodies in the form of flakes and D) the thermal densification of the flake green bodies to form the ceramic flakes. DOLLAR A The resulting ceramic flakes are suitable for. As an inert filter material, absorber material, carrier material for active substances or additives for plastics and paints.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung keramischer Flakes, daraus erhältliche keramische Flakes und deren Verwendung.The The invention relates to a method for producing ceramic flakes, available therefrom ceramic flakes and their use.
Teilchenförmige Trägermaterialien bzw. Füllstoffe werden heutzutage in großen Mengen eingesetzt. Sie sind relativ preisgünstig und dienen z.B. zur Reinigung von Fluidströmen durch Filtration oder Adsorption oder als Träger von wirksamen Komponenten, z.B. von katalytische aktiven Substanzen. Häufig ergeben sich durch deren Einsatz aber auch Probleme. So ist die Abtrennung der Trägermaterialien von den Fluiden nach Gebrauch oft schwierig. Zudem lassen sich Stoffe, mit denen die Trägermaterialien nach Gebrauch beladen sind, nur schwer oder gar nicht entfernen. Eine nicht ausreichende chemische Beständigkeit der Trägermaterialien verhindert eine Aufarbeitung mit aggressiven Chemikalien. Demzufolge ist eine Wiederverwendung häufig nicht möglich, was hinsichtlich der Kosten und der Entsorgung nachteilig ist. Der Einsatz solcher Trägermaterialien kann auch mit gesundheitlichen Bedenken verbunden sein.Particulate carrier materials or fillers are getting big these days Quantities used. They are relatively inexpensive and serve e.g. for cleaning of fluid streams by filtration or adsorption or as a carrier of active components, e.g. of catalytic active substances. Often arise by their Use but also problems. Such is the separation of the carrier materials Of the fluids often difficult after use. In addition, substances, with which the support materials loaded after use, difficult or impossible to remove. Insufficient chemical resistance of the substrates prevents processing with aggressive chemicals. As a result, is a reuse frequently not possible, which is disadvantageous in terms of cost and disposal. Of the Use of such carrier materials may also be associated with health concerns.
In der Brau- und Getränkeindustrie ist z.B. die Tiefen- bzw. Anschwemmfiltration mit dem Filterhilfsmittel Kieselgur vorherrschend. Trotz guter Eigenschaften ergeben sich durch Kieselgur auch Probleme. Kieselgur kann aufgrund der Struktur und Größe lungengängig und in Cristobalit-Form krebserregend sein, so dass aufwendige Vorsichtsmaßnahmen erforderlich sind. Die Entsorgung oder Verwerfung des bei der Filtration anfallenden Schlamms ist schwierig und teuer. In Brauereien anfallende Filterschlämme werden zur Zeit in Deutschland überwiegend landwirtschaftlich verwertet oder deponiert. Gemäß dem Kreislaufwirtschafts- und Abfallgesetz ist jedoch eine möglichst hochrangige Verwertung anzustreben.In the brewing and beverage industry is e.g. the deep or precoat filtration with the filter aid Diatomaceous earth prevalent. Despite good qualities arise Diatomaceous earth also causes problems. Diatomaceous earth may be due to the structure and size respiratory and be carcinogenic in cristobalite form, making elaborate precautions required are. Disposal or rejection during filtration accumulating mud is difficult and expensive. In breweries accumulating filter sludge are currently predominantly in Germany used or landfilled. According to the circular economy and Waste Law, however, is a highest possible recycling desirable.
Es besteht daher Bedarf nach einer Alternative zu üblichen Trägermaterialien, die die vorstehend erläuterten Nachteile, wie schwierige Abtrennung von den Medien und der Beladung, unzureichende chemische Beständigkeit, Probleme bei der Entsorgung und Wiederverwertung, nicht aufweist. Ferner sollte eine Variabilität in der Einstellung der Größenverhältnissen möglich sein, um eine Anpassung an die jeweilige Anwendung zu ermöglichen.It There is therefore a need for an alternative to conventional support materials, the above explained Disadvantages, such as difficult separation from the media and the loading, insufficient chemical resistance, Problems with disposal and recycling, does not have. Further should be a variability in the setting of the proportions possible be to adapt to the particular application.
Da häufig große Mengen eingesetzt werden müssen, sollte das Material relativ preisgünstig herstellbar sein. Die Aufgabe der Erfindung bestand daher ferner in der Bereitstellung eines einfachen und kostengünstigen Verfahrens zur Bereitstellung der alternativen Trägermaterialien. Das Verfahren sollte möglichst gleichmäßige Geometrien, insbesondere im Hinblick auf die Schichtdicke ermöglichen, die zudem variabel einstellbar sind. Auch sehr dünne und/oder poröse Materialien sollten realisierbar sein.There often size Quantities must be used the material should be relatively inexpensive to produce. The The object of the invention was therefore also in the provision a simple and inexpensive Method for providing the alternative support materials. The procedure should be as possible uniform geometries, especially with regard to the layer thickness, which are also variably adjustable. Also very thin and / or porous materials should be feasible.
Die Aufgabe konnte überraschenderweise durch ein Verfahren zur Herstellung von keramischen Flakes gelöst werden, das folgende Schritte umfasst:
- A) Bereitstellen einer Suspension von anorganischen Nanopartikeln,
- B) Aufbringen der Suspension auf eine Unterlage mittels Foliengießtechnik,
- C) Trocknen der Schicht aus der aufgebrachten Suspension unter Bildung von Grünkörpern in Form von Flakes und
- D) thermisches Verdichten der Flake-Grünkörper unter Bildung der keramischen Flakes.
- A) providing a suspension of inorganic nanoparticles,
- B) applying the suspension to a substrate by means of a film casting technique,
- C) drying the layer of the applied suspension to form green bodies in the form of flakes and
- D) thermally compacting the flake green bodies to form the ceramic flakes.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren können überraschenderweise keramische Flakes in sehr einfacher Weise und kontinuierlich hergestellt werden, die als Trägermaterialien geeignet sind. Die Dicke der Flakes kann leicht durch die Schichtdicke der aufgetragenen Suspension eingestellt werden und ist relativ gleichmäßig. Auf Grund der Verwendung von Nanopulver-Suspensionen sind sehr dünne Flakes realisierbar, die zudem porös sein können. Es findet im wesentlichen keine oder nur eine sehr geringe Aggregatbildung zwischen den gebildeten Flakes statt. Die Flakes weisen eine sehr gute chemische Beständigkeit auf. In einer bevorzugten Ausführungsform werden Nanopartikel verwendet, die oberflächenmodifiziert sind,By The inventive method can surprisingly ceramic flakes are produced in a very simple manner and continuously, as carrier materials are suitable. The thickness of the flakes can be easily determined by the layer thickness of the applied suspension and is relatively uniform. On The reason for using nanopowder suspensions are very thin flakes feasible, which also porous could be. It finds essentially no or only a very small aggregate formation between the formed flakes instead. The flakes have a lot good chemical resistance on. In a preferred embodiment nanoparticles are used which are surface-modified,
Die
Die erfindungsgemäß hergestellten Flakes können aus jeder üblichen Keramik sein. Beispiele sind Silicatkeramiken, wie Porzellan, Steatit, Cordierit und Mullit, Oxidkeramiken, wie Keramiken aus Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Zirconiumoxid, Titandioxid, Siliciumoxid, Magnesiumaluminat-Spinell, Aluminiumtitanat, Bariumtitanat, Bleizirconattitanat und Ferriten, und Nichtoxidkeramiken, wie Boride, Silicide, Carbide oder Nitride, wie Keramiken aus Siliciumcarbid, Siliciumnitrid, Aluminiumnitrid, Borcarbid und Bornitrid, oder Mischkeramiken davon. Bevorzugt sind Keramiken aus Zirconiumoxid, stabilisiertem Zirconiumoxid, Siliciumoxid, Titanoxid und Aluminiumoxid. Wie dem Fachmann bekannt, können solche Keramiken Zusätze zur Eigenschaftsverbesserung enthalten. Zum Beispiel können Aluminiumoxidkeramiken z.B. Zusätze wie MgO, Y2O3 oder MnO zur Erhöhung der Sintergeschwindigkeit enthalten und Zirconiumoxid kann durch Dotierung stabilisiert werden.The flakes produced according to the invention can be made of any conventional ceramic. Examples are silicate ceramics such as porcelain, steatite, cordierite and mullite, oxide ceramics such as ceramics of alumina, magnesia, zirconia, titania, silica, magnesia spinel, aluminum titanate, barium titanate, lead zirconate titanate and ferrites, and nonoxide ceramics such as borides, silicides, carbides or Nitrides, such as silicon carbide, silicon nitride, aluminum nitride, boron carbide and boron nitride ceramics, or mixed ceramics thereof. Preference is given to ceramics of zirconium oxide, stabilized zirconium oxide, silicon oxide, titanium oxide and aluminum oxide. As known to those skilled in the art, such ceramics may contain additives for property enhancement. For example, alumina ceramics may contain, for example, additives such as MgO, Y 2 O 3, or MnO to increase the sintering rate, and zirconia may be stabilized by doping.
In einem ersten Schritt wird eine Suspension aus anorganischen Nanopartikeln bereitgestellt. Bei den anorganischen Nanopartikeln handelt es sich um keramische Nanopartikel oder um anorganische Nanopartikel, die sich durch Trocknen und/oder thermisches Verdichten in keramische Materialien überführen lassen. Dem Fachmann sind diese Materialien bekannt. Bevorzugt handelt es sich um keramische Nanopartikel.In a first step is a suspension of inorganic nanoparticles provided. The inorganic nanoparticles are to ceramic nanoparticles or to inorganic nanoparticles, the by drying and / or thermal compression in ceramic Transfer materials. The person skilled in these materials are known. It is preferable about ceramic nanoparticles.
Bei den anorganischen Nanopartikeln kann es sich um Nanopartikel aus Metall- oder Halbmetallverbindungen handeln, insbesondere Metall- oder Halbmetalloxiden, -carbiden, -nitriden, -siliciden oder -boriden, wobei Oxide, einschließlich Mischoxiden und Hydraten davon, besonders bevorzugt sind. Beispiele für Halbmetalle sind B, Si und Ge. Es kann eine Art von Nanopartikeln oder eine Mischung von unterschiedlichen Nanopartikeln eingesetzt werden.at The inorganic nanoparticles may be nanoparticles Metal or semimetal compounds, in particular metal or semi-metal oxides, carbides, nitrides, silicides or borides, where oxides, including Mixed oxides and hydrates thereof are particularly preferred. Examples for semi-metals are B, Si and Ge. It can be a type of nanoparticles or a Mixture of different nanoparticles can be used.
Beispiele sind Oxide wie ZnO, CdO, SiO2, GeO2, TiO2 (z.B. Rutil, Anatas), ZrO2, Y2O3, CeO2, SnO2, Al2O3 (insbesondere Böhmit, AlO(OH), auch als Aluminiumhydroxid), MgO, CaO, B2O3, In2O3, La2O3, Fe2O3, Fe3O4, Cu2O, Ta2O5, Nb2O5, V2O5, MoO3 oder WO3; Carbide wie CdC2 oder SiC; Nitride wie BN, AlN, Si3N4 Und Ti3N4.Examples are oxides such as ZnO, CdO, SiO 2 , GeO 2 , TiO 2 (eg rutile, anatase), ZrO 2 , Y 2 O 3 , CeO 2 , SnO 2 , Al 2 O 3 (especially boehmite, AlO (OH), also as aluminum hydroxide), MgO, CaO, B 2 O 3 , In 2 O 3 , La 2 O 3 , Fe 2 O 3 , Fe 3 O 4 , Cu 2 O, Ta 2 O 5 , Nb 2 O 5 , V 2 O 5 , MoO 3 or WO 3 ; Carbides such as CdC 2 or SiC; Nitrides such as BN, AlN, Si 3 N 4 and Ti 3 N 4 .
Weitere Beispiele sind Mischoxide wie Indium-Zinn-Oxid (ITO), Antimon-Zinn-Oxid (ATO), Spinelle, Ferrite oder Mischoxide mit Perowskitstruktur wie BaTiO3 und PbTiO3, und Mischoxide von Aluminium und Silicium wie Mullit und Sillimanit. Die Nanopartikel können gegebenenfalls hydratisiert sein.Further examples are mixed oxides such as indium tin oxide (ITO), antimony tin oxide (ATO), spinels, ferrites or mixed oxides with perovskite structure such as BaTiO 3 and PbTiO 3 , and mixed oxides of aluminum and silicon such as mullite and sillimanite. Optionally, the nanoparticles may be hydrated.
Bevorzugte Nanopartikel sind Al2O3, ZrO2, stabilisiertes ZrO2 (durch Dotierung mit z.B. Y, Ca, Mg, Ce und/oder Sc), SiO2 und TiO2 oder Hydrate davon, wobei ZrO2 oder stabilisiertes ZrO2 am meisten bevorzugt sind.Preferred nanoparticles are Al 2 O 3 , ZrO 2 , stabilized ZrO 2 (by doping with eg Y, Ca, Mg, Ce and / or Sc), SiO 2 and TiO 2 or hydrates thereof, with ZrO 2 or stabilized ZrO 2 being the most are preferred.
Die Herstellung dieser Nanopartikel kann auf übliche Weise erfolgen, z.B. durch Flammpyrolyse, Plasmaverfahren, Kolloidtechniken, Sol-Gel-Prozesse, kontrollierte Keim- und Wachstumsprozesse, MOCVD-Verfahren und Emulsionsverfahren. Die anorganischen Nanopartikel können auch aus einem gröberen Material durch Zerkleinerung erhalten werden. Diese Verfahren sind in der Literatur ausführlich beschrieben. Die anorganischen Nanopartikel können auch im Handel erhältlich sein. Bevorzugt werden die Nanopartikel durch das Sol-Gel-Verfahren erhalten.The Preparation of these nanoparticles can be done in the usual way, e.g. by flame pyrolysis, plasma processes, colloid techniques, sol-gel processes, controlled germination and growth processes, MOCVD processes and emulsion processes. The inorganic nanoparticles can also from a coarser one Material obtained by crushing. These procedures are described in detail in the literature. The inorganic nanoparticles can also available in stores be. The nanoparticles are preferred by the sol-gel method receive.
Beim Sol-Gel-Verfahren werden gewöhnlich hydrolysierbare Verbindungen von Metallen oder Halbmetallen mit Wasser, gegebenenfalls unter saurer oder basischer Katalyse, hydrolysiert und kondensiert. Die Hydrolyse- und/oder Kondensationsreaktionen führen zur Bildung von Polykondensaten oder Vorstufen davon z.B. mit Hydroxy-, Oxogruppen und/oder Oxobrücken, aus den sich die Nanopartikel bilden können. Es können stöchiometrische Wassermengen, aber auch geringere oder größere Mengen verwendet werden. Das sich bildende Sol kann durch geeignete Parameter, z.B. Kondensationsgrad, Lösungsmittel oder pH-Wert, auf die für die Zusammensetzung gewünschte Viskosität eingestellt werden. Durch geeignete, dem Fachmann bekannte Einstellung der Bedingungen kann die Bildung von Nanopartikel enthaltenden Solen gefördert werden. Weitere Einzelheiten des Sol-Gel-Verfahrens sind z.B. bei C.J. Brinker, G.W. Scherer: "Sol-Gel Science – The Physics and Chemistry of Sol-Gel-Processing", Academic Press, Boston, San Diego, New York, Sydney (1990) beschrieben.At the Sol-gel processes usually become hydrolyzable Compounds of metals or semi-metals with water, optionally under acidic or basic catalysis, hydrolyzed and condensed. The hydrolysis and / or condensation reactions lead to Formation of polycondensates or precursors thereof e.g. with hydroxy, Oxo groups and / or oxo bridges, from which the nanoparticles can form. It can stoichiometric amounts of water, but also used smaller or larger quantities become. The forming sol can be determined by suitable parameters, e.g. Degree of condensation, solvent or pH on the for the composition desired viscosity be set. By suitable, known in the art setting The conditions may include the formation of nanoparticle-containing sols promoted become. Further details of the sol-gel process are e.g. at C.J. Brinker, G.W. Scherer: "Sol-gel Science - The Physics and Chemistry of Sol-Gel Processing ", Academic Press, Boston, San Diego, New York, Sydney (1990).
Beispiele für hydrolysierbare Metall- oder Halbmetallverbindungen, die beim Sol-Gel-Verfahren eingesetzt werden können, sind Alkoholate oder Halogenide, wobei Alkoholate bevorzugt sind. Beispiele sind Si(OCH3)4, Si(OC2H5)4, Si(O-n- oder -i-C3H7)4, Si(OC4H9)4, SiCl4, HSiCl3, Si(OOCCH3)4, TiCl4, Ti(OCH3)4, Ti(OC2H5)4, Ti(2-ethylhexoxy)4, Ti(n-OC3H7)4 oder Ti(i-OC3H7)4, Al(OCH3)3, Al(OC2H5)3, Al(O-n-C3H7)3, Al(O-i-C3H7)3, Al(O-n-C4H9)3, Al(O-sek.-C4H9)3, AlCl3, AlCl(OH)2, Al(OC2H4OC4H9)3, ZrCl4, Zr(OC2H5)4, Zr(O-n-C3H7)4, Zr(O-i-C3H9)4, Zr(OC4H9)4, ZrOCl2, Zr(2-ethylhexoxy)4, sowie Zr-Verbindungen, die komplexierende Reste aufweisen, wie z.B. β-Diketon- und (Meth)acrylreste. Für die Stabilisierung von Zirconiumoxid werden z.B. beim Sol-Gel-Verfahren zusätzlich hydrolysierbare Verbindungen oder Salze der vorstehend genannten Dotierungselemente in dem Fachmann bekannten Mengen zugesetzt.Examples of hydrolyzable metal or semimetal compounds that can be used in the sol-gel process are alcoholates or halides, alcoholates being preferred. Examples are Si (OCH 3 ) 4 , Si (OC 2 H 5 ) 4 , Si (on- or -iC 3 H 7 ) 4 , Si (OC 4 H 9 ) 4 , SiCl 4 , HSiCl 3 , Si (OOCCH 3 ) 4 , TiCl 4 , Ti (OCH 3 ) 4 , Ti (OC 2 H 5 ) 4 , Ti (2-ethylhexoxy) 4 , Ti (n-OC 3 H 7 ) 4 or Ti (i-OC 3 H 7 ) 4 , Al (OCH 3 ) 3 , Al (OC 2 H 5 ) 3 , Al (OnC 3 H 7 ) 3 , Al (OiC 3 H 7 ) 3 , Al (OnC 4 H 9 ) 3 , Al (O-sec C 4 H 9 ) 3 , AlCl 3 , AlCl (OH) 2 , Al (OC 2 H 4 OC 4 H 9 ) 3 , ZrCl 4 , Zr (OC 2 H 5 ) 4 , Zr (OnC 3 H 7 ) 4 , Zr (OiC 3 H 9 ) 4 , Zr (OC 4 H 9 ) 4 , ZrOCl 2 , Zr (2-ethylhexoxy) 4 , and Zr compounds having complexing radicals such as β-diketone and (Meth ) acrylic radicals. For the stabilization of zirconium oxide, for example, in the sol-gel process, additionally hydrolyzable compounds or salts of the abovementioned doping elements are added to amounts known to the person skilled in the art.
Die Nanopartikel werden auch als nanoskalige Feststoffteilchen bezeichnet und besitzen einen mittleren Teilchendurchmesser (Volumenmittel, Messung: dynamische Laserlichtstreuung mit einem Ultrafein-Partikelanalysator: Ultrafine Particle Analyzer (UPA), Leeds Northrup) unter 1 μm, in der Regel unter 500 nm. Die Nanopartikel besitzen bevorzugt einen mittleren Teilchendurchmesser von nicht mehr als 200 nm, bevorzugt nicht mehr als 100 nm und insbesondere nicht mehr 50 oder sogar 30 nm und in der Regel mehr als 1 nm, z.B. 1 bis 20 nm.The Nanoparticles are also referred to as nanoscale solid particles and have an average particle diameter (volume average, Measurement: dynamic laser light scattering with an ultrafine particle analyzer: Ultrafine Particle Analyzer (UPA), Leeds Northrup) below 1 μm, in the Usually below 500 nm. The nanoparticles preferably have a medium Particle diameter of not more than 200 nm, preferably not more than 100 nm and in particular not more than 50 or even 30 nm and in usually more than 1 nm, e.g. 1 to 20 nm.
Die Nanopartikel liegen insbesondere in Form eines Sols bzw. einer Suspension in einem Lösungsmittel vor. Es ist bevorzugt, dass die Nanopartikel an der Oberfläche modifiziert sind. Durch die Oberflächenmodifizierung kann eine Verbesserung Qualität und Regelmäßigkeit der erhaltenen Flakes erreicht werden. Durch die Oberflächenmodifizierung können Agglomeratbildung zwischen den Nanopartikeln oder Flakes verringert werden. Dies kann auch zu einer verbesserten Rissbildung oder einer verringerten Sintertemperatur beitragen.The Nanoparticles are in particular in the form of a sol or a suspension in a solvent in front. It is preferred that the nanoparticles be modified on the surface are. By the surface modification can be an improvement quality and regularity the flakes obtained can be achieved. Due to the surface modification can agglomerate be reduced between the nanoparticles or flakes. This can also for improved cracking or reduced sintering temperature contribute.
Bei
der Oberflächenmodifizierung
von Nanopartikeln handelt es sich um ein bekanntes Verfahren, wie
es von der Anmelderin z.B. in WO 93/21127 (
Als Oberflächenmodifizierungsmittel eignen sich z.B. organische Verbindungen mit mindestens einer funktionellen Gruppe oder hydrolysierbare Silane mit mindestens einer funktionellen Gruppe und anorganische Säuren, wobei die genannten funktionellen Gruppen mit an der Oberfläche der Nanopartikel vorhandenen Gruppen reagieren und/oder wechselwirken können, so dass eine Oberflächenmodifizierung erreicht wird. Beispielsweise befinden sich auf den Nanopartikeln, z.B. Metalloxiden, Oberflächengruppen als Restvalenzen, die reaktionsfähige Gruppen darstellen, z.B. Hydroxygruppen oder Oxygruppen, die mit einer funktionellen Gruppe des Oberflächenmodifizierungsmittels wechselwirken und/oder reagieren können.When Surface modifiers are suitable e.g. organic compounds having at least one functional Group or hydrolyzable silanes with at least one functional Group and inorganic acids, wherein said functional groups with at the surface of the Nanoparticles react and / or interact with existing groups can, so that a surface modification is reached. For example, on the nanoparticles, e.g. Metal oxides, surface groups as residual valencies, the reactive groups represent, e.g. Hydroxy groups or oxy groups with a functional Group of surface modifier interact and / or react.
Die Oberflächenmodifizierungsmittel können z.B. kovalente, ionische (salzartige) oder koordinative Bindungen zur Oberfläche der Nanopartikel ausbilden, während unter den weniger bevorzugten reinen Wechselwirkungen beispielhaft Dipol-Dipol-Wechselwirkungen, Wasserstoffbrückenbindungen und van der Waals-Wechselwirkungen zu nennen sind. Bevorzugt ist die Ausbildung von kovalenten, ionischen und/oder koordinativen Bindungen. Unter einer koordinativen Bindung wird eine Komplexbildung verstanden. Dementsprechend kann es sich bei den Oberflächenmodifizierungsmitteln um Komplexbildner handeln, die auch Chelatbildner umfassen. Zwischen dem Oberflächenmodifizierungsmittel und dem Partikel kann z.B. eine Säure/Base-Reaktion nach Brönsted oder Lewis, eine Komplexbildung oder eine Veresterung stattfinden.The Surface modifiers can e.g. covalent, ionic (saltlike) or coordinative bonds to surface the nanoparticles form while among the less preferred pure interactions by way of example Dipole-dipole interactions, Hydrogen bonds and van der Waals interactions. Is preferred the formation of covalent, ionic and / or coordinative Bonds. Under a coordinative bond becomes a complex formation Understood. Accordingly, the surface modifiers may be to complexing agents that include chelating agents. Between the surface modifier and the particle may e.g. an acid / base reaction to Brönsted or Lewis, a complex formation or an esterification take place.
Eine Oberflächenmodifizierung der Nanopartikel kann z.B. durch Mischen der Nanopartikel mit geeigneten Oberflächenmodifizierungsmitteln gegebenenfalls in einem Lösungsmittel und unter Anwesenheit eines Katalysators erfolgen. Häufig genügt z.B. ein mehrstündiges Rühren der Komponenten bei Raumtemperatur zur Modifizierung. Bei einem zweckmäßigen Verfahren erfolgt die Oberflächenmodifizierung durch chemomechanische Reaktion. Dies ist in WO 04/069400 be schrieben. Natürlich hängen zweckmäßige Bedingungen, wie Temperatur, Mengenverhältnisse, Dauer der Umsetzung usw., von den jeweiligen speziellen Reaktionspartnern und dem gewünschten Belegungsgrad ab.A surface modification the nanoparticle may e.g. by mixing the nanoparticles with suitable ones Surface modifiers optionally in a solvent and in the presence of a catalyst. Frequently, e.g. a several hours stir the components at room temperature for modification. In a convenient procedure the surface modification takes place by chemomechanical reaction. This is described in WO 04/069400 be. Naturally hang appropriate conditions, like temperature, proportions, Duration of implementation, etc., by the specific partners involved and the desired one Occupancy level.
Erfindungsgemäß bevorzugt ist es auch, dass die Oberflächenmodifizierungsmittel ein relativ niedriges Molekulargewicht aufweisen. Beispielsweise kann das Molekulargewicht weniger als 1.500, insbesondere unter 1.000 und vorzugsweise unter 500 oder unter 400 oder sogar unter 300 betragen. Dies schließt selbstverständlich ein deutlich höheres Molekulargewicht der Verbindungen nicht aus (z.B. bis zu 2.000 und mehr).According to the invention preferred It is also that the surface modifier have a relatively low molecular weight. For example the molecular weight may be less than 1,500, especially below 1,000 and preferably below 500 or below 400 or even below 300 amount. This concludes Of course a much higher one Molecular weight of the compounds is not sufficient (e.g., up to 2,000 and more).
Beispiele für geeignete funktionelle Gruppen der Oberflächenmodifizierungsmittel zur Anbindung an die Nanopartikel sind anorganische Säuregruppen oder Derivate davon, Carbonsäuregruppen, Anhydridgruppen, Säureamidgruppen, (primäre, sekundäre, tertiäre und quartäre) Aminogruppen, SiOH-Gruppen und C-H-acide Gruppierungen, z.B. β-Dicarbonylverbindungen. Es können auch mehrere dieser Gruppen gleichzeitig in einem Molekül vorhanden sein (z.B. Betaine, Aminosäuren und EDTA).Examples for suitable functional groups of surface modifiers for attachment to the nanoparticles are inorganic acid groups or derivatives thereof, carboxylic acid groups, Anhydride groups, acid amide groups, (Primary, secondary tertiary and quaternary) Amino groups, SiOH groups and C-H-acidic groups, e.g. β-dicarbonyl compounds. It can also several of these groups exist simultaneously in one molecule (e.g., betaines, amino acids and EDTA).
Die Oberflächenmodifizierungsmittel werden bevorzugt ausgewählt aus gesättigten oder ungesättigten Carbonsäuren, Oxacarbonsäuren, Carbonsäurederivaten, Aminen, β-Dicarbonylverbindungen, anorganischen Säuren und hydrolysierbaren Silanen mit mindestens einer nicht hydrolysierbaren Gruppe.The Surface modifiers are preferably selected from saturated or unsaturated Carboxylic acids, Oxacarbonsäuren, Carboxylic acid derivatives, Amines, β-dicarbonyl compounds, inorganic acids and hydrolyzable silanes with at least one non-hydrolysable Group.
Beispiele für anorganische Säuren zur Oberflächenmodifikation der Nanopartikel sind Salzsäure, Salpetersäure, Schwefelsäure und Phosphorsäure und deren Ester oder Derivate davon.Examples for inorganic acids for surface modification The nanoparticles are hydrochloric, nitric, sulfuric and Phosphoric acid and their esters or derivatives thereof.
Beispiele für Oberflächenmodifizierungsmittel sind gegebenenfalls substituierte (z.B. mit Hydroxy) gesättigte oder ungesättigte Mono- und Polycarbonsäuren (vorzugsweise Monocarbonsäuren) mit 1 bis 24 Kohlenstoffatomen, wie z.B. Ameisensäure, Essigsäure, Propionsäure, Buttersäure, Pentansäure, Hexansäure, Acrylsäure, Methacrylsäure, Crotonsäure, Citronensäure, Adipinsäure, Bernsteinsäure, Glutarsäure, Oxalsäure, Maleinsäure, Fumarsäure, Itaconsäure und Stearinsäure, sowie die entsprechenden Derivate, wie Säureanhydride, -chloride, -ester (vorzugsweise C1-C4-Alkylester) und -amide, z.B. Methylmethacrylat und Caprolactam.Examples of surface modifiers are optionally substituted (eg with hydroxy) saturated or unsaturated mono- and polycarboxylic acids (preferably monocarboxylic acids) having 1 to 24 carbon atoms, such as formic acid, acetic acid, propionic acid, butyric acid, pentanoic acid, hexanoic acid, acrylic acid, methacrylic acid, crotonic acid, citric acid, Adipic acid, succinic acid, glutaric acid, oxalic acid, maleic acid, fumaric acid, itaconic acid and stearic acid, and the corresponding derivatives, such as acid anhydrides, chlorides, esters (preferably C 1 -C 4 alkyl esters) and amides, for example methyl methacrylate and caprolactam.
Besonders bevorzugt sind Oxacarbonsäuren mit 1 bis 24 Kohlenstoffatomen. Dabei handelt es sich um Carbonsäuren, die Oxagruppen, also Etherbrücken (-O-), in der Alkylkette enthalten. Die Oxacarbonsäure kann 1, 2, 3 oder mehr Oxagruppen enthalten. Beispiele sind Methoxyessigsäure, 3,6-Dioxaheptansäure und 3,6,9-Trioxadecansäure (TODS) und deren Homologe.Especially preferred are oxacarboxylic acids with 1 to 24 carbon atoms. These are carboxylic acids, the Oxagruppen, so ether bridges (-O-), contained in the alkyl chain. The oxacarboxylic acid can Contain 1, 2, 3 or more oxa groups. Examples are methoxyacetic acid, 3,6-dioxaheptanoic acid and 3,6,9-trioxadecanoic acid (TODS) and their homologues.
Geeignet sind auch Aminverbindungen, wie Ammoniumsalze und Mono- oder Polyamine. Beispiele für diese Oberflächenmodifikatoren sind quaternäre Ammoniumsalze der Formel NR1R2R3R4+X–, worin R1 bis R4 gegebenenfalls voneinander verschiedene aliphatische, aromatische oder cycloaliphatische Gruppen mit vorzugsweise 1 bis 12, insbesondere 1 bis 8 Kohlenstoffatomen darstellen, wie z.B. Alkylgruppen mit 1 bis 12, insbesondere 1 bis 8 und besonders bevorzugt 1 bis 6 Kohlenstoffatomen (z.B. Methyl, Ethyl, n- und i-Propyl, Butyl oder Hexyl), und X– für ein anorganisches oder organisches Anion steht, z.B. Acetat, OH–, Cl–, Br– oder I–; Mono- und Polyamine, insbesondere solche der allgemeinen Formel R3-nNHn, worin n = 0, 1 oder 2 und die Reste R unabhängig voneinander Alkylgruppen mit 1 bis 12, insbesondere 1 bis 8 und besonders bevorzugt 1 bis 6 Kohlenstoffatomen darstellen, und Ethylenpolyamine. Konkrete Beispiele sind Methylamin, Dimethylamin. Trimethylamin, Ethylamin, Anilin, N-Methylanilin, Diphenylamin, Triphenylamin, Toluidin, Ethylendiamin und Diethylentriamin.Also suitable are amine compounds, such as Ammonium salts and mono- or polyamines. Examples of these surface modifiers are quaternary ammonium salts of the formula NR 1 R 2 R 3 R 4 + X - , in which R 1 to R 4 optionally represent different aliphatic, aromatic or cycloaliphatic groups having preferably 1 to 12, in particular 1 to 8 carbon atoms, such as for example, alkyl groups having 1 to 12, in particular 1 to 8 and particularly preferably 1 to 6 carbon atoms (for example methyl, ethyl, n- and i-propyl, butyl or hexyl), and X - is an inorganic or organic anion, for example acetate, OH - , Cl - , Br - or I - ; Mono- and polyamines, in particular those of the general formula R 3-n NH n , in which n = 0, 1 or 2 and the radicals R independently of one another are alkyl groups having 1 to 12, in particular 1 to 8 and particularly preferably 1 to 6 carbon atoms, and ethylene polyamines. Specific examples are methylamine, dimethylamine. Trimethylamine, ethylamine, aniline, N-methylaniline, diphenylamine, triphenylamine, toluidine, ethylenediamine and diethylenetriamine.
Bevorzugte Oberflächenmodifizierungsmittel sind auch β-Dicarbonylverbindungen, die z.B. 4 bis 12 Kohlenstoffatome umfassen, wie β-Diketone und β-Ketocarbonsäuren, und Derivate davon, wie β-Ketocarbonsäureester und β-Ketocarbonsäureamide. Beispiele sind 2,4-Hexandion, 3,5-Heptandion, Acetylaceton, Diacetyl, Acetonylaceton Acetessigsäure und Acetessigsäure-C1-C4-alkylester (Acetoacetate), wie Acetessigsäureethylester, und Acetoacetamide. Weitere Beispiele für Oberflächenmodifizierungsmittel sind Aminosäuren, Proteine und Imine.Preferred surface modifiers are also β-dicarbonyl compounds containing, for example, 4 to 12 carbon atoms, such as β-diketones and β-ketocarboxylic acids, and derivatives thereof, such as β-ketocarboxylic acid esters and β-ketocarboxylic acid amides. Examples are 2,4-hexanedione, 3,5-heptanedione, acetylacetone, diacetyl, acetonylacetone acetoacetic acid and acetoacetic acid C 1 -C 4 -alkyl esters (acetoacetates), such as ethyl acetoacetate, and acetoacetamides. Further examples of surface modifiers are amino acids, proteins and imines.
Zur
Oberflächenmodifizierung
der Nanopartikel können
auch hydrolysierbare Silane mit mindestens einer nicht hydrolysierbaren
Gruppe eingesetzt werden, z.B. Silane der allgemeinen Formel:
In der allgemeinen Formel (I) sind die hydrolysierbaren Gruppen X, die gleich oder voneinander verschieden sein können, beispielsweise Wasserstoff oder Halogen (F, Cl, Br oder I), Alkoxy (vorzugsweise C1-6-Alkoxy, wie z.B. Methoxy, Ethoxy, n-Propoxy, i-Propoxy und Butoxy), Aryloxy (vorzugsweise C6-10-Anloxy, wie z.B. Phenoxy), Acyloxy (vorzugsweise C1-6-Acyloxy, wie z.B. Acetoxy oder Propionyloxy), Alkylcarbonyl (vorzugsweise C2-7-Alkylcarbonyl, wie z.B. Acetyl), Amino, Monoalkylamino oder Dialkylamino. Bevorzugte hydrolysierbare Reste sind Halogen, Alkoxygruppen und Acyloxygruppen. Besonders bevorzugte hydrolysierbare Reste sind C1-4-Alkoxygruppen, insbesondere Methoxy und Ethoxy.In the general formula (I), the hydrolyzable groups X, which may be the same or different, are, for example, hydrogen or halogen (F, Cl, Br or I), alkoxy (preferably C 1-6 alkoxy, such as methoxy, ethoxy , n-propoxy, i-propoxy and butoxy), aryloxy (preferably C 6-10 -anyloxy such as phenoxy), acyloxy (preferably C 1-6 acyloxy such as acetoxy or propionyloxy), alkylcarbonyl (preferably C 2-) 7- alkylcarbonyl, such as acetyl), amino, monoalkylamino or dialkylamino. Preferred hydrolyzable radicals are halogen, alkoxy and acyloxy groups. Particularly preferred hydrolysable radicals are C 1-4 alkoxy groups, in particular methoxy and ethoxy.
Beispiele für die nicht hydrolysierbaren Reste R, die gleich oder voneinander verschieden sein können, sind Alkyl (z.B. C1-10-Alkyl, wie Methyl, Ethyl, n-Propyl, Isopropyl, n-Butyl, s-Butyl und tert.-Butyl, Pentyl, Hexyl, Octyl oder Cyclohexyl), Alkenyl (z.B. C2-10-Alkenyl, wie Vinyl, 1-Propenyl, 2-Propenyl und Butenyl), Alkinyl (z.B. C2-10-Alkinyl, wie z.B. Acetylenyl und Propargyl), Aryl (vorzugsweise C6-10-Aryl, wie z.B. Phenyl und Naphthyl) sowie entsprechende Alkylaryle und Arylalkyle. Die Reste R und X können gegebenenfalls einen oder mehrere übliche Substituenten, wie z.B. Halogen oder Alkoxy, aufweisen.Examples of the nonhydrolyzable radicals R, which may be identical or different, are alkyl (for example C 1-10 -alkyl, such as methyl, ethyl, n-propyl, isopropyl, n-butyl, s-butyl and tert-butyl , Pentyl, hexyl, octyl or cyclohexyl), alkenyl (eg C 2-10 alkenyl such as vinyl, 1-propenyl, 2-propenyl and butenyl), alkynyl (eg C 2-10 alkynyl such as acetylenyl and propargyl) , Aryl (preferably C 6-10 aryl, such as phenyl and naphthyl) and corresponding alkylaryls and arylalkyls. The radicals R and X may optionally have one or more customary substituents, such as halogen or alkoxy.
Ferner kann der Rest R eine funktionelle Gruppe aufweisen. Spezielle Beispiele für funktionelle Gruppen sind z.B. die Epoxid-, Hydroxy-, Ether-, Amino-, Monoalkylamino-, Dialkylamino-, gegebenenfalls substituierte Anilino-, Amid-, Carboxy-, Acryl-, Acryloyloxy-, Methacryl-, Methacryloyloxy-, Mercapto-, Cyano-, Alkoxy-, Isocyanato-, Aldehyd-, Alkylcarbonyl-, Säureanhydrid- und Phosphorsäuregruppe. Diese funktionellen Gruppen sind über Alkylen-, Alkenylen- oder Arylen-Brückengruppen, die durch Sauerstoff- oder -NH-Gruppen unterbrochen sein können, an das Siliciumatom gebunden. Die genannten Brückengruppen und gegebenenfalls vorliegende Substituenten, wie bei den Alkylaminogruppen, leiten sich z.B. von den oben bzw. nachstehend genannten Alkyl-, Alkenyl- oder Arylresten ab. Natürlich kann der Rest R auch mehr als eine funktionelle Gruppe aufweisen. Konkrete Beispiele für nicht hydrolysierbare Reste R mit funktionellen Gruppen sind Glycidyloxypropyl, (Meth)acryloyloxypropyl, Aminopropyl und 3-Isocyanatopropyl.Further the radical R may have a functional group. Special examples for functional Groups are e.g. the epoxide, hydroxy, ether, amino, monoalkylamino, Dialkylamino, optionally substituted anilino, amide, carboxy, acrylic, Acryloyloxy, methacrylic, methacryloyloxy, mercapto, cyano, alkoxy, Isocyanato, aldehyde, alkylcarbonyl, acid anhydride and phosphoric acid groups. These functional groups are via alkylene, alkenylene or Arylene bridge groups, which may be interrupted by oxygen or -NH groups bound the silicon atom. The bridging groups mentioned and, where appropriate present substituents, as in the alkylamino groups, direct e.g. from the above or below alkyl, alkenyl or aryl radicals. Naturally the radical R can also have more than one functional group. Concrete examples of nonhydrolyzable radicals R with functional groups are glycidyloxypropyl, (Meth) acryloyloxypropyl, aminopropyl and 3-isocyanatopropyl.
Bevorzugt eingesetzte Oberflächenmodifizierungsmittel für die Silane der Formel (I) sind Alkylsilane oder Dialkylsilane, wie Dimethyldiethoxysilan (DMDE), Epoxysilane, wie Glycidyloxypropyltriethoxysilan (GPTES), und Aminosilane, wie 3-Aminopropyltriethoxysilan (APTES).Prefers used surface modifiers for the Silanes of the formula (I) are alkylsilanes or dialkylsilanes, such as dimethyldiethoxysilane (DMDE), Epoxysilanes, such as glycidyloxypropyltriethoxysilane (GPTES), and aminosilanes, such as 3-aminopropyltriethoxysilane (APTES).
Als Dispersionsmittel für die Suspension werden übliche Lösungsmittel verwendet. Beispiele sind polare Lösungsmittel wie Wasser und polare organische Lösungsmittel und unpolare Lösungsmittel. Beispiele für organische Lösungsmittel sind Alkohole, wie z.B. aliphatische und alicyclische Alkohole mit 1 bis 8 Kohlenstoffatomen, z.B. Methanol, Ethanol, n- und i-Propanol, Butanol, Ketone, z.B. Aceton, Butanon und Cyclohexanon, Ester, z.B. Essigsäureethylester und Glycolester, Ether, z.B. Diethylether, Dioxan, Isopropoxyethanol und Tetrahydrofuran, Glycolether, Glycole, z.B. Ethylenglycol, Amide und andere Stickstoffverbindungen, z.B. Dimethylacetamid, Dimethylformamid und Acetonitril, Sulfoxide und Sulfone, Nitroverbindungen, wie Nitrobenzol, Halogenkohlenwasserstoffe, wie Chloroform, und Kohlenwasserstoffe, z.B. Toluol oder Hexan. Selbstverständlich können auch Mischungen der Lösungsmittel eingesetzt werden. Bevorzugt eingesetzte Lösungsmittel sind polare Lösungsmittel, insbesondere Wasser, Alkohole, wie C1-4-Alkohole, und Ether.As the dispersant for the suspension, conventional solvents are used. Examples are polar solvents such as water and polar organic solvents and nonpolar solvents. Examples of organic solvents are alcohols, such as aliphatic and alicyclic alcohols having 1 to 8 carbon atoms, for example methanol, ethanol, n- and i-propanol, butanol, ketones, for example acetone, butanone and cyclohexanone, esters, for example ethyl acetate and glycol esters, ethers For example, diethyl ether, dioxane, isopropoxyethanol and tetrahydrofuran, glycol ethers, glycols, eg ethylene glycol, amides and other nitrogen compounds, eg dimethylacetamide, dimethylformamide and acetonitrile, sulfoxides and sulfones, nitro compounds, such as nitrobenzene, halohydrocarbons, such as chloroform, and hydrocarbons substances, for example toluene or hexane. Of course, it is also possible to use mixtures of the solvents. Preferably used solvents are polar solvents, especially water, alcohols, such as C 1-4 alcohols, and ethers.
Derartige Suspensionen sind auf dem Gebiet der Keramik wohlbekannt und werden auch als Schlicker bezeichnet. In den Suspensionen können gegebenenfalls herkömmliche Additive enthalten sein, wie z.B. Entschäumer, Dispergierhilfen, Ver flüssiger, Verlaufshilfsmittel und organische Bindemittel. Weitere mögliche Additive sind Katalysatoren oder Starter, wie Photostarter oder Thermostarter, um Vernetzungsreaktionen zu unterstützen. Der pH-Wert der Suspension kann durch eine Säure oder eine Base in geeigneter Weise eingestellt werden.such Suspensions are well known in the ceramic arts also called slip. In the suspensions may optionally conventional Contain additives such. Defoamers, dispersing aids, Ver liquid, Flow aids and organic binders. Other possible additives are catalysts or starters, such as photoinitiators or thermal starters, to support crosslinking reactions. The pH of the suspension can by an acid or a base can be suitably adjusted.
Für den optionalen Einsatz von organischen Bindemitteln kommen alle üblichen, dem Fachmann bekannten organischen Bindemittel in Betracht, insbesondere solche, die in dem für die Suspension eingesetzten Lösungsmittel gelöst werden können. Besonders bevorzugte Beispiele hierfür sind Cellulosen und Cellulosederivate, Polyvinylalkohole und deren Derivate, Polyvinylpyrrolidone, Polyethylenglycole und deren Derivate, wie z.B. Polyethylenglycoldimethacrylat, und Polysaccharide.For the optional Use of organic binders come all the usual, into consideration, in particular, organic binders known to the person skilled in the art those in the for the suspension used solvents solved can be. Particularly preferred examples of these are celluloses and cellulose derivatives, Polyvinyl alcohols and their derivatives, polyvinyl pyrrolidones, polyethylene glycols and their derivatives, e.g. Polyethylene glycol dimethacrylate, and polysaccharides.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist ein organisches Bindemittel enthalten, das ein photochemisch härtbares bzw. vernetzbares Bindemittel ist, wobei Monomere, Oligomere oder Polymere eingesetzt werden können. In diesem Fall werden häufig auch Starter für die Härtungsreaktion zugesetzt. Bevorzugt sind Monomere, Oligomere und Polymere mit UV-vernetzbaren funktionellen Gruppen. Diese Bindemittel sind dem Fachmann bestens bekannt. Bei den strahlungshärtbaren Bindemitteln kann es sich z.B. um solche mit vernetzbaren Acryl- bzw. Epoxygruppen handeln. Beispiele für geeignete photochemisch vernetzbare Bindemittel sind Epoxidacrylate, Polyesteracrylate, Polyetheracrylate, Urethanacrylate und funktionelle Monomere, wie zum Beispiel Polypropylenglycoldimethacrylate oder Acrylsäure.In a preferred embodiment is an organic binder that contains a photochemical curable or crosslinkable binder, wherein monomers, oligomers or Polymers can be used. In this case will be common too Starter for the curing reaction added. Preference is given to monomers, oligomers and polymers with UV-crosslinkable functional groups. These binders are well suited to the skilled person known. For the radiation-curable Binders may be e.g. to those with crosslinkable acrylic or epoxy groups act. Examples of suitable photochemically crosslinkable Binders are epoxy acrylates, polyester acrylates, polyether acrylates, Urethane acrylates and functional monomers such as, for example, polypropylene glycol dimethacrylates or acrylic acid.
Gegebenenfalls können verschiedene organische Bindemittel eingesetzt werden, z.B. ein in dem eingesetzten Lösungsmittel lösliches Bindemittel zusammen mit einem photochemisch härtbaren Bindemittel. Das photochemisch härtbare bzw. vernetzbare Bindemittel kann insbesondere auch ein Bindemittel sein, das in dem eingesetzten Lösungsmittel löslich ist. Die Art der Rissmuster und damit die Flakegeometrie kann auch vom Anteil an eingesetztem organischen Bindemittel abhängen und damit durch geeignete Wahl dieser Menge wie gewünscht eingestellt werden.Possibly can various organic binders are used, e.g. one in the solvent used soluble Binder together with a photochemically curable binder. The photochemical curable or crosslinkable binder may in particular also be a binder, that in the solvent used is soluble. The type of crack pattern and thus the flake geometry can also from the Depend on the proportion of organic binder used and thus be adjusted as desired by appropriate choice of this amount.
Die Menge an Nanopartikeln in der Suspension kann in weiten Bereichen variieren, z.B. in Abhängigkeit von dem Typ der eingesetzten Nanopartikel, der optionalen Oberflächenmodifizierung und der gewünschten Viskosität. Der Feststoffgehalt der gegebenenfalls oberflächenmodifizierten Nanopartikel in der Suspension kann z.B. im allgemeinen 1 Vol.-% bis 70 Vol.-% ausmachen.The Amount of nanoparticles in the suspension can be widely used vary, e.g. dependent on of the type of nanoparticles used, the optional surface modification and the desired Viscosity. The solids content of the optionally surface - modified nanoparticles in the suspension may e.g. generally 1 vol.% to 70 vol.%.
Im zweiten Schritt wird die Suspension mittels Foliengießtechnik auf eine Unterlage aufgebracht. Das Foliengießverfahren ist ein herkömmliches Verfahren und kann in üblicher Weise angewendet werden. Hierbei wird die Suspension auf eine Unterlage appliziert. Bei der Unterlage kann es sich um jedes beliebige Substrat handeln. Es kann eine endlose Bahn eingesetzt werden. Die Unterlage kann z.B. aus Metall oder Kunststoff sein. Bevorzugt wird eine Polymerstützfolie verwendet.in the second step is the suspension by means of film casting technique applied to a substrate. The film casting process is a conventional one Procedure and can be in usual Be applied. Here, the suspension is on a pad applied. The backing may be any substrate act. It can be used an endless track. The underlay can e.g. be made of metal or plastic. Preference is given to a polymer support film used.
Bei Foliengießen lässt man die Suspension auf die Unterlage laufen, so dass ein nasser Beschichtungsfilm auf der Unterlage gebildet wird. Die Suspension kann einfach manuell auf die Unterlage gegossen werden. Die Suspension kann z.B. mittels einer Schlitzdüse oder eines Voratsbehälters mit einstellbarem Spalt auf die Unterlage aufgebracht werden. Die Schichtdicke des Nassfilms kann durch die Auftragmenge und/oder mechanische Mittel wie eine Rakel in gewünschter Weise eingestellt werden. Das Foliengießen erfolgt bevorzugt kontinuierlich.at Tape casting you leave Run the suspension on the pad, leaving a wet coating film is formed on the surface. The suspension can be easily manually to be poured on the pad. The suspension may e.g. by means of a slot or a Voratsbehälters be applied with adjustable gap on the substrate. The Layer thickness of the wet film can by the order quantity and / or mechanical means such as a squeegee can be set in the desired manner. The foil casting is preferably continuous.
Durch das anschließende Trocknen bilden sich anorganische bzw. keramische Flakes (Grünkörper), welche sich einfach von der Unterlage ablösen lassen. Die Bildung der Flakes ergibt sich überraschenderweise durch die Entstehung von Rissmustern in der Schicht während der Trocknung. Die Schichtdicke lässt sich wie oben erläutert variabel über die Foliengießtechnik einstellen. Die Trocknung kann bei Raumtemperatur (z.B. etwa 20°C) oder erhöhter Temperatur erfolgen. Die zweckmäßige Dauer hängt naturgemäß von Faktoren wie z.B. Temperatur und Menge und Art des Lösungsmittels ab.By the subsequent one Dry form inorganic or ceramic flakes (green body), which can easily be detached from the surface. The formation of the Flakes is surprisingly by the formation of crack patterns in the layer during the Drying. The layer thickness leaves as explained above variable over the film casting technique to adjust. Drying may be at room temperature (e.g., about 20 ° C) or elevated temperature respectively. The appropriate duration naturally depends on factors such as. Temperature and amount and type of solvent.
Während oder nach der Trocknung lösen sich die sich bildenden oder gebildeten Flakes leicht von der Unterlage ab. Dies kann gegebenenfalls unterstützt werden, z.B. durch Rütteln. Nach der Trocknung werden insbesondere Flakes erhalten, die nicht oder im wesentlichen nicht an der Unterlage haften. Für die thermische Verdichtung können die Flakes von der Unterlage entfernt werden oder sie bleiben auf der Unterlage und werden darauf der thermischen Verdichtung unterworfen.While or after drying dissolve the forming or formed flakes easily from the underlay from. This may be assisted if necessary, e.g. by shaking. To The drying will receive in particular flakes that do not or essentially not adhere to the substrate. For thermal compression can the flakes are removed from the pad or they stay on Underlay and on it are subjected to thermal consolidation.
Letzteres setzt eine thermisch stabile oder rückstandfrei verbrennbare Unterlage voraus. Bevorzugt werden die Flakes nach der Trocknung von der Unterlage entfernt.The latter sets a thermally stable or residue-free combustible surface ahead. The flakes are preferred after drying of the pad away.
Im dritten Schritt werden die Grünkörper in Form von Flakes (grüne Flakes) thermisch verdichtet. Die thermische Verdichtung wird auch als Sintern bezeichnet. Die Brenntemperaturen hängen selbstverständlich von den Werkstoffeigenschaften ab und können in großem Umfang variieren. Die geeigneten Brenntemperaturen für die jeweiligen Keramikmaterialien zur thermischen Verfestigung/Sinterung sind dem Fachmann bestens vertraut und liegen im allgemeinen bei mindestens 300°C, z.B. im Bereich von 400°C bis 1.200°C. Die Schritte vom Foliengießen bis zur Sinterung können in einem kontinuierlichen Verfahren durchgeführt werden.in the third step, the green bodies are in shape of flakes (green Flakes) thermally compacted. The thermal densification will also referred to as sintering. The firing temperatures naturally depend on the material properties and can vary widely. The suitable firing temperatures for the respective ceramic materials for thermal consolidation / sintering are well-known to the skilled person and are generally enclosed at least 300 ° C, e.g. in the range of 400 ° C up to 1,200 ° C. The steps from foil casting to for sintering be carried out in a continuous process.
Nach der Sinterung werden keramische Flakes erhalten. Flakes können auch als Plättchen bezeichnet werden. Bei den erfindungsgemäßen Flakes handelt es sich bevorzugt um relativ dünne Plättchen. Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann eine erstaunlich gleichmäßige Schichtdicke der Flakes erzielt werden. Einer der Vorteile der Erfindung ist, dass Abmessungen je nach Bedarf sehr variabel eingestellt werden können. Im allgemeinen können z.B. Flakes mit mittleren Schichtdicken im Bereich von 0,1 μm bis 1.000 μm hergestellt werden. Die Längen- und Breitenabmessungen können z.B. variabel im Bereich von 1 μm bis 10–2 m eingestellt werden Beispielsweise können Flakes mit einer Dicke von etwa 5 μm und einer Länge von 200 bis 500 μm erhalten werden.After sintering, ceramic flakes are obtained. Flakes can also be called platelets. The flakes according to the invention are preferably relatively thin platelets. By the method according to the invention, a surprisingly uniform layer thickness of the flakes can be achieved. One of the advantages of the invention is that dimensions can be set very variable as needed. In general, for example, flakes can be produced with average layer thicknesses in the range of 0.1 .mu.m to 1,000 .mu.m. The length and width dimensions can be variably adjusted, for example, in the range from 1 .mu.m to 10 -2 m. For example, flakes with a thickness of about 5 .mu.m and a length of 200 to 500 .mu.m can be obtained.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann bei Verwendung eines durch Strahlung vernetzbaren bzw. härtbaren Bindersystems eine Strukturierung durch Bestrahlung erfolgen. Es können alle herkömmliche Belichtungsverfahren zur Photohärtung eingesetzt werden, wobei sich die Strukturierung durch eine bildmäßige Bestrahlung ergibt. Die Strukturierung erfolgt vorzugsweise nach einer Vortrocknung der aufgebrachten Schicht. Bei der Strukturierung, bei der gegebenenfalls weiter getrocknet wird, bilden sich an den bestrahlten Stellen durch Bindemittel vernetzte Flakes mit einer definierten Geometrie. Die Flakes können anschließend vom Substrat abgelöst werden, gegebenenfalls mit Hilfe eines Lösungsmittels. Anschließend werden die Flakes gesintert.In a preferred embodiment can when using a radiation curable or curable Bindersystems structuring by irradiation done. It can all conventional Exposure method used for photo-curing be, with the structuring by imagewise irradiation results. The structuring preferably takes place after predrying the applied layer. When structuring, where appropriate is further dried, form at the irradiated sites Binders crosslinked flakes with a defined geometry. The Flakes can subsequently detached from the substrate, optionally with the aid of a solvent. Subsequently the flakes are sintered.
Zur Bestrahlung können z.B. UV-Licht, Laserstrahlen oder Elektronenstrahlen verwendet werden, wobei UV-Belichtung besonders bevorzugt ist. Die Strukturierung kann durch bildmäßige Bestrahlung kann auf herkömmliche, dem Fachmann bekannte Weise erfolgen, z.B. durch photolithographische Verfahren wie Maskenbelichtung oder Laserschreiben. Eine solche Strukturierung ist vorteilhaft, weil damit eine genauere und gleichmäßigere Rissbildung und Flakegeometrie eingestellt werden kann.to Irradiation can e.g. UV light, laser beams or electron beams are used wherein UV exposure is particularly preferred. The structuring can by imagewise irradiation can on conventional, known to those skilled in the art, e.g. by photolithographic Methods such as mask exposure or laser writing. Such Structuring is advantageous because it allows a more accurate and uniform cracking and flake geometry can be adjusted.
In einer weiteren Ausführungsform kann sich nach der thermischen Verdichtung der Flakes ein Mahlschritt anschließen. Auf diese Weise kann das Aspektverhältnis der Flakes verringert bzw. eingestellt werden.In a further embodiment can after the thermal compression of the flakes a grinding step connect. In this way, the aspect ratio of the flakes can be reduced or set.
Die Flakes können porös sein. Dies kann vorteilhaft sein, da dadurch z.B. eine größere Oberfläche oder eine höhere Beladungskapazität erreicht werden kann. Die Poren der Flakes sind in der Regel Feinporen im sub-μm-Bereich (kleiner 1 μm). Entsprechend der Nomenklatur von IUPAC handelt es sich um mikro-, meso- oder makropörose Flakes, wobei der mittlere Porendurchmesser bevorzugt unter 200 nm, besonders bevorzugt unter 50 nm (mesoporös) und insbesondere unter 2 nm (mikroporös) liegt.The Flakes can be porous. This may be advantageous as it results in e.g. a larger surface or a higher one loading capacity can be achieved. The pores of the flakes are usually fine pores in the sub-micron range (smaller 1 μm). According to the nomenclature of IUPAC, it is micro, meso or macropore Flakes, wherein the mean pore diameter is preferably less than 200 nm, more preferably below 50 nm (mesoporous) and especially below 2 nm (microporous) lies.
Die keramischen Flakes können z.B. als inertes Filtermaterial oder Absorbermaterial, als Additive oder Verstärkungselemente für Kunststoffe und Lacke oder als Trägermaterialien, z.B. für Katalysatorsysteme, verwendet werden. Die Flakes können nach der Durchführung der jeweiligen Anwendung aus den jeweiligen Arbeitsmedien z.B. durch Sedimentation, Zentrifugieren und/oder Filtration/Sieben einfach abgetrennt werden, wobei sie als solche oder beladen mit den Zielsubstanzen, z.B. Abfallstoffen, gewünschten Produkten oder Wirkstoffen, wie Katalysatoren, vorliegen.The ceramic flakes can e.g. as an inert filter material or absorber material, as additives or reinforcing elements for plastics and lacquers or as support materials, e.g. For Catalyst systems can be used. The flakes can after the implementation the respective application from the respective working media e.g. by Sedimentation, centrifugation and / or filtration / sieving easy being separated as such or loaded with the target substances, e.g. Waste materials, desired Products or agents, such as catalysts are present.
Mögliche Anwendungen liegen insbesondere im Bereich der Katalyse und der Filtration. Im Bereich der Katalyse können die keramischen Flakes als hochtem peraturstabile und chemikalienresistente Träger katalytisch wirksamer Substanzen eingesetzt werden, z.B. in Rührkesseln, Tanks oder Rohrleitungen.Possible applications especially in the field of catalysis and filtration. In the field of catalysis can the ceramic flakes as hochtem peraturstabile and chemical-resistant carrier catalytically effective substances, e.g. in stirred kettles, Tanks or pipelines.
Durch die Möglichkeit der Herstellung von keramischen Flakes, die im Hinblick auf die zweidimensionale Form und/oder die Oberflächenchemie maßgeschneidert werden können, können z.B. im Vergleich zu natürlicher Diatomeenerde andere Abtrennfeinheiten oder ganz andere Filtrationsaufgaben erreicht werden.By the possibility the production of ceramic flakes, with regard to tailored two-dimensional shape and / or the surface chemistry can be can e.g. compared to natural Diatomaceous earth achieves other separation finenesses or quite different filtration tasks become.
Die erhöhte chemische Beständigkeit der keramischen Flakes ermöglicht ein Recycling in stark alkalischen Reinigungsbädern, z.B. nach Gebrauch als Filterhilfsmittel.The increased Chemical resistance the ceramic flakes allows recycling in strong alkaline cleaning baths, e.g. after use as Filter aid.
Interessant ist die Kombination von inerten Filterhilfsmitteln mit katalytisch aktiven Materialien (z.B. TiO2 (Anatas)). Beispielsweise können erfindungsgemäße keramische Flakes, die inert sind, mit einem katalytisch aktiven Material wie Anatas beschichtet bzw. beladen werden. Es können aber auch keramische Flakes verwendet werden, die selbst katalytisch aktiv sind, z.B. keramische Flakes aus Anatas.Interesting is the combination of inert filter aids with catalytically active materials (eg TiO 2 (anatase)). For example, inventive ceramic flakes that are inert can be coated or loaded with a catalytically active material such as anatase. However, it is also possible to use ceramic flakes which themselves are catalytically active, for example ceramic flakes made from anatase.
Mit solchen katalytisch aktiven Flakes ist z.B. die Entfernung organischer Verunreinigungen mithilfe von UV-Bestrahlung möglich, z.B. zur Reinigung von flüssigen oder gasförmigen Medien aller Art. Hierfür werden die katalytisch aktiven Flakes in das zu behandelnde Medium gegeben und anschließend mit UV-Licht bestrahlt. Dadurch die Anwesenheit der katalytisch aktiven Flakes werden Schadstoffe (organische Substanzen) durch die UV-Bestrahlung zersetzt oder besser zersetzt. Auf diese Weise können organische Verunreinigungen durch UV-Belichtung kontinuierlich aus Medien entfernt werden.With such catalytically active flakes is e.g. the removal of organic Contamination by UV irradiation possible, e.g. for cleaning liquid or gaseous Media of all kinds. For this The catalytically active flakes are in the medium to be treated given and then with UV light irradiated. As a result, the presence of the catalytically active Flakes become pollutants (organic substances) through the UV irradiation decomposes or decomposes better. In this way, organic contaminants be continuously removed from media by UV exposure.
Eine günstige Eigenschaft der Flakes besteht in der Kombination von hoher spezifischer Oberfläche und großer geometrischer Oberfläche. Dies führt zu einem guten Verhältnis von eingesetzter Menge an Flakes (z.B. TiO2) und eingesetzter UV-Bestrahlungsmenge zu der damit erreichten Fläche an Flakes, die mit UV-Licht belichtet wird.A favorable feature of the flakes is the combination of a high specific surface area and a large geometric surface. This leads to a good ratio of the amount of flakes used (for example TiO 2 ) and the amount of UV radiation used to the surface area of flakes which is exposed to UV light.
Außerdem liegt ein chemisch stabiler Träger vor und die Abtrennung und Wiederverwendung der Flakes ist einfach. Dies eröffnet Möglichkeiten bei der Reinigung schwach belasteter Abwässer, z.B. von Kliniken, wenn mit Anatas beschichtete Flakes oder aus Anatas bestehende Flakes eingesetzt werden.It also lies a chemically stable carrier and the separation and reuse of the flakes is easy. This opens options in the purification of weakly polluted effluents, e.g. of clinics, though with anatase coated flakes or anatase flakes be used.
Auch bei der Tiefenfiltration oder der Anschwemmfiltration können als Alternative zu den heute verwendeten Trägermaterialien wie Kieselgur, Perliten oder Cellulosen die keramischen Flakes der vorliegenden Erfindung verwendet werden.Also in depth filtration or precoat filtration can as Alternative to the currently used carrier materials such as kieselguhr, perlites or celluloses, the ceramic flakes of the present invention be used.
Die Erfindung wird durch folgende Beispiele näher erläutert, ohne sie zu beschränken.The The invention is explained in more detail by the following examples, without limiting them.
Beispiel 1example 1
Eine
etwa 40 Gew. % alkoholische Suspension von nanoskaligem ZrO2, das mit TODS (3,6,9-Trioxadecansäure) oberflächenmodifiziert
ist, wurde mittels einer Rakel auf eine Polymerstützfolie
appliziert und bei Raumtemperatur getrocknet. Bei der Trocknung
des Nassfilms bildete sich sein Rissmuster. Daraus resultierten
nach vollständiger
Abtrocknung Flakes, die sich von der Folie ablösten. Die Flakes wurden bei
900°C für die Dauer
von 30 min verdichtet. Es wurde keinerlei Aggregatbildung zwischen
den Flakes beobachtet.
Beispiel 2Example 2
Eine wässrige Suspension eines gewaschenen, nanoskaligen γ-Al2O3 (50 Gew.-%), das mit 3,6,9-Trioxadecansäure oberflächenmodifiziert ist (10 Gew.-% bezogen auf Feststoff) und die als Bindemittel 4 Gew.-% (bezogen auf Feststoff) Polyvinylalkohol (Mowiol 16/88, Kuraray) enthält, wurde entsprechend Beispiel 1 appliziert und getrocknet. Dabei entstand ein Rissmuster, das durch den Gehalt an Bindemittel in Bezug auf die Größe der Flakes variiert werden konnte. Die Flakes wurden anschließend bei 800°C verdichtet und zeigten keine Aggregatbildung der einzelnen Flakes.An aqueous suspension of a washed, nanoscale γ-Al 2 O 3 (50 wt .-%) which is surface-modified with 3,6,9-trioxadecanoic acid (10 wt .-% based on solids) and the binder 4 wt. % (based on solids) polyvinyl alcohol (Mowiol 16/88, Kuraray), was applied according to Example 1 and dried. This resulted in a crack pattern that could be varied by the content of binder in relation to the size of the flakes. The flakes were then compacted at 800 ° C and showed no aggregate formation of the individual flakes.
Beispiel 3Example 3
Eine 40 Gew.-% Suspension von nanoskaligem, mit DOHS (3,6-Dioxaheptansäure) oberflächenmodifiziertem ZrO2 in einem Lösungsmittelgemisch aus Ethanol/MEK (Methylethylketon) im Gewichtsverhältnis 33:66 mit 15 Gew.-% (bezogen auf Feststoff) eines Acrylatoligomers (Laromer® 8765, von BASF) und 2 Gew.-% (bezogen auf Oligomer) Irgacure® 500 (von Ciba Geigy) als Starter wurde entsprechend Beispiel 1 auf eine Polymerfolie appliziert und getrocknet. Anschließend wurde die getrocknete Schicht durch eine Maske mit UV-Licht bestrahlt. Dabei bilden sich an den bestrahlten Stellen durch Bindemittel vernetzte Flakes mit einer definierten Geometrie, die durch Ethanol von der Folie abgelöst und nach anschließender Trocknung im Trockenschrank bei 900°C gesintert wurden. Dabei bleibt die Struktur der Flakes erhalten und es bilden sich keine Agglomerate.A 40% by weight suspension of nanoscale ZrO 2 surface-modified with DOHS (3,6-dioxaheptanoic acid) in a solvent mixture of ethanol / MEK (methyl ethyl ketone) in the weight ratio 33:66 with 15% by weight (based on solids) of an acrylate oligomer (Laromer ® 8765, from BASF) and 2 wt .-% (based on oligomer) Irgacure ® 500 (from Ciba Geigy) as an initiator according to example 1 was applied to a polymer film and dried. Subsequently, the dried layer was irradiated through a mask with UV light. In this case, crosslinked flakes with a defined geometry are formed at the irradiated points by binder, which were removed from the film by ethanol and sintered at 900 ° C. after subsequent drying in a drying oven. The structure of the flakes is retained and no agglomerates are formed.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R005 | Application deemed withdrawn due to failure to request examination |
Effective date: 20120530 |