Aufgabe
der vorliegenden Erfindung war es unter anderem, feinteilige Nanopartikel
anzugeben, die auch nach Trocknung redispergierbar sind, insbesondere
solche, welches sich gut in Kunststoffe einarbeiten lassen. Besondere
Aufgabe war, ein desagglomerierte Nanopartikel zur Verfügung zu
stellen, welche, insbesondere bei der Einarbeitung in Kunststoff,
nicht reagglomerieren. Diese und weitere Aufgaben werden durch die
vorliegende Erfindung gelöst.
Gegenstand
der Erfindung sind mit einem Dispergiermittel gecoatete undgewünschtenfalls
zusätzlich einen
Kristallisationsinhibitor enthaltende anorganische Nanopartikel
einer mittleren Partikelgröße < 500 nm, bevorzugt < 250 μm, sehr bevorzugt < 100 nm, insbesondere < 80 nm, besonders
bevorzugt < 50
nm, insbesondere bevorzugt < 20
nm, ganz besonders bevorzugt < 10
nm, mit Ausnahme von Bariumsulfat- Partikeln, wie sie in der nicht vorveröffentlichten
internationalen Patentanmeldung PCT/EP 04/013612 offenbart werden.
Untergrenze
für die
mittlere Primärpartikelgröße ist beispielsweise
5 nm, sie kann aber noch darunter liegen, bis hinunter zu 1 nm.
Es handelt sich um mittlere Partikelgrößen, bestimmt durch XRD bzw.
Laserbeugungsmethoden.
Die
Menge an kristallisationsinhibierendem Mittel bzw. Dispergiermittel
in den nanofeinen Partikeln ist flexibel. Pro Gewichtsteil Nanopartikel
können
bis zu 2 Gewichtsteile, vorzugsweise bis zu 1 Gewichtsteil kristallisationsinhibierendes
Dispergiermittel enthalten sein. Sofern ein Kristallisationsinhibitor
enthalten ist, ist auch dieser in einer Menge von bis zu 2 Gewichtsteilen
pro Gewichtsteil Nanopartikel, vorzugsweise bis zu 1 Gewichtsteil
pro Gewichtsteil Nanopartikel enthalten sein. Das Dispergiermittel
ist bevorzugt in einer Menge von 1 bis 50 Gew.-% in den Nanopartikeln
enthalten, wobei die Summe aus Nanopartikeln und Dispergiermittel und,
sofern enthalten, Kristallisationsinhibitor als 100 Gew-% gesetzt
ist. Sofern auch ein Kristallisationsinhibitor enthalten ist, ist
er bevorzugt in einer Menge von 1 bis 50 Gew.-% in den Nanopartikeln
enthalten, wobei die Summe aus Nanopartikeln und Dispergiermittel
und, sofern enthalten, Kristallisationsinhibitor als 100 Gew-% gesetzt
ist. Die Nanopartikel sind bevorzugt in einer Menge von 20 bis 99
Gew.-% enthalten, wobei die Summe aus Nanopartikeln und Dispergiermittel
und, sofern enthalten, Kristallisationsinhibitor als 100 Gew-% gesetzt
ist.
Das
kristallisationsinhibierende Mittel, sofern angewendet, soll verhindern,
dass sich bei Fällung
der anorganischen Nanopartikel oder bei ihrer Weiterverarbeitung
durch Kristallwachstum größere Kristallpartikel bilden,
so dass der Nanobereich verlassen wird.
Das
Dispergiermittel soll bewirken, dass sich die Nanopartikel gut dispergieren
lassen, in Lösungsmitteln,
Kunststoffen, Kunststoffvormischungen etc.
Es
ist bekannt, daß manche
anorganischen Partikel bei herkömmlicher
Herstellung ohne Zusatz von Kristallisationsinhibitoren bzw. Dispergiermitteln
Agglomerate ("Sekundärpartikel") aus Primärpartikeln
bilden können.
Der Begriff "desagglomeriert" bedeutet in diesem
Zusammenhang nicht, daß die
Sekundärpartikel vollständig zu
isoliert vorliegenden Primärpartikeln
zerkleinert sind. Er bedeutet, daß die Bariumsulfat-Sekundärteilchen
nicht derart agglomeriert vorliegen, wie sie bei Fällungen üblicherweise
anfallen, sondern in Form kleinerer Agglomerate. Bevorzugt weist
das erfin dungsgemäße desagglomerierte
Bariumsulfat Agglomerate (Sekundärteilchen)
auf, die eine mittlere Partikelgröße von kleiner als 2 μm, vorzugsweise
kleiner als 1 μm
aufweisen. Besonders bevorzugt ist die mittlere Partikelgröße kleiner
250 nm, ganz besonders bevorzugt kleiner als 200 nm. Noch mehr bevorzugt
ist sie kleiner als 130 nm, insbesondere bevorzugt kleiner als 100
nm, ganz insbesondere bevorzugt kleiner als 80 nm; noch bevorzugter
weisen die Sekundärpartikel
eine mittlere Partikelgröße von < 50 nm, ja selbst < 30 nm auf. Dabei
liegt das Bariumsulfat teilweise oder sogar weitgehend vollständig in
Form nicht agglomerierter Primärpartikel
vor. Es handelt sich um mittlere Partikelgrößen, bestimmt durch XRD bzw.
Laserbeugungsmethoden.
Im
Folgenden werden in der vorliegenden Erfindung einsetzbare Kristallisationsinhibitoren
beschrieben. Bevorzugte Kristallisationsinhibitoren weisen mindestens
eine anionische Gruppe auf. Bevorzugt enthält der Kristallisationsinhibitor
als anionische Gruppe mindestens eine Sulfat-, mindestens eine Sulfonat-,
mindestens zwei Phosphat-, mindestens zwei Phosphonat- oder mindestens
zwei Carboxylatgruppen auf.
Als
Kristallisationsinhibitor können
beispielsweise für
diesen Zweck bekanntermaßen
verwendete Substanzen enthalten sein, beispielsweise kürzerkettige
oder auch längerkettige
Polyacrylate, üblicherweise in
Form des Natriumsalzes; Polyether wie Polyglykolether; Ethersulfonate
wie Laurylethersulfonat in Form des Natriumsalzes; Ester der Phthalsäure und
ihrer Derivate; Ester des Polyglycerins; Amine wie Triethanolamin; und
Ester von Fettsäuren
wie Stearinsäureester,
wie sie in der WO 01/92157 genannt werden.
Als
Kristallisationsinhibitor kann auch eine Verbindung oder ein Salz
der Formel (I) eingesetzt werden mit einer Kohlenstoffkette R und
n Substituenten [A(O)OH]
worin
R ein organischer Rest
ist, der hydrophobe und/oder hydrophile Teilstrukturen aufweist
und wobei R eine niedermolekulare, oligomere oder polymere, ggf.
verzweigte und/oder cyclische Kohlenstoffkette ist, die ggf. Sauerstoff,
Stickstoff, Phosphor oder Schwefel als Heteroatome enthält, und/oder
durch Reste substituiert ist, die über Sauerstoff, Stickstoff,
Phosphor oder Schwefel an den Rest R gebunden sind und
wobei
A
C, P (OH), OP(OH), S(O) oder OS(O) bedeutet,
und n 1 bis 10000
ist.
Wenn
es sich um monomere oder oligomere Verbindungen handelt, ist n vorzugsweise
1 bis 5.
Zu
brauchbaren Kristallisationsinhibitoren dieser Art gehören hydroxysubstituierte
Carbonsäureverbindungen.
Beispielsweise sind hydroxysubstituierte Mono- und Dicarbonsäuren mit
1 bis 20 Kohlenstoff-Atomen in der Kette (gerechnet ohne die Kohlenstoffatome
der COO-Gruppen) gut brauchbar, wie beispielsweise Zitronensäure, Äpfelsäure (2-Hydroxy-1,4-dibutansäure), Dihydroxybernsteinsäure und
2-Hydroxyölsäure. Ganz
besonders bevorzugt ist Zitronensäure und Polyacrylat als Kristallisationsinhibitor.
Sehr
gut brauchbar sind auch Phosphonsäureverbindungen mit einem Alkyl-(bzw. Alkylen-)Rest
mit einer Kettenlänge
von 1 bis 10 Kohlenstoffatomen. Dabei sind Verbindungen gut brauchbar,
die eine, zwei oder mehr Phosphonsäurereste aufweisen. Sie können zusätzlich durch
Hydroxygruppen substituiert sein. Gut brauchbar sind beispielsweise
1-Hydroxyethylendiphosphonsäure,
1,1-Diphosphonopropan-2,3-dicarbonsäure, 2-Phosphonobutan-1,2,2,4-tricarbonsäure. Diese
Beispiele zeigen, daß auch
solche Verbindungen brauchbar sind, die sowohl Phosphonsäurereste
als auch Carbonsäurereste
aufweisen.
Sehr
gut brauchbar sind auch Verbindungen, die durch 1 bis 5 oder gar
mehr Stickstoffatome sowie 1 oder mehrere, z. B. bis zu 5 Carbonsäure- oder
Phosphonsäurereste
enthalten und gegebenenfalls zusätzlich durch
Hydroxygruppen substituiert sind. Hierzu gehören z. B. Verbindungen mit
einer Ethylendiamin- oder Diethylentriamin-Grundstruktur und Carbonsäure- oder
Phosphonsäuresubstituenten.
Gut brauchbare Verbindungen sind beispielsweise Diethylentriamin-Pentakis-(Methanphosphonsäure), Iminodibernsteinsäure, Diethylentriaminpentaessigsäure, N-(2-Hydroxyethyl)-ethylendiamin-N,N,N-triessigsäure.
Sehr
gut brauchbar sind auch Polyaminosäuren, beispielsweise Polyasparaginsäure.
Sehr
gut brauchbar sind auch schwefelsubstituierte Carbonsäuren mit
1 bis 20 C-Atomen (gerechnet ohne die C-Atome der COO-Gruppe) und
1 oder mehr Carbonsäureresten,
z. B. Sulfobernsteinsäure-bis-2-ethylhexylester
(dioctylsulfosuccinat).
Es
können
natürlich
auch Gemische der Additive, beispielsweise auch mit weiteren Additiven
wie phosphoriger Säure,
eingesetzt werden.
Die
Herstellung der Kristallisationsinhibitoren enthaltenden Nanopartikel,
insbesondere der Formel (I), wird vorteilhaft so durchgeführt, daß man die
Nanopartikel in Anwesenheit des vorgesehenen Kristallisationsinhibitors
fällt.
Es kann vorteilhaft sein, wenn mindestens ein Teil des Inhibitors
deprotoniert ist, beispielsweise indem der Inhibitor mindestens
teilweise oder vollständig
als Alkalimetallsalz, beispielsweise als Natriumsalz oder als Ammoniumsalz
eingesetzt wird. Natürlich
kann man auch die Säure
einsetzen und eine entsprechende Menge der Base oder als Lauge zufügen.
Die
Nanopartikel enthalten außer
dem optionalen Kristallisationsinhibitor ein dispergierend wirkendes Mittel.
Dieses Mittel bewirkt, daß sich
keine unerwünscht
großen
Agglomerate bilden. Es kann bereits bei der Fällung der Nanopartikel zugesetzt
werden. Wie später
noch beschrieben wird, kann es auch in einer anschließenden Desagglomerationsstufe
zugesetzt werden; es verhindert eine Reagglomeration und bewirkt,
daß Agglomerate
leicht wieder redispergiert werden können.
Dispergiermittel
weisen üblicherweise
einen hydrophilen und einen hydrophoben Molekülteil auf. Bevorzugt weist
das Dispergiermittel eine oder mehr anionische Gruppen auf, die
in Wechselwirkung mit der Oberfläche
der Nanopartikel treten können.
Bevorzugte Gruppen sind die Carboxylatgruppe, die Phosphatgruppe,
die Phosphonatgruppe, die Bisphosphonatgruppe, die Sulfatgruppe
und die Sulfonatgruppe.
Als
Dispergiermittel sind einige der oben genannten Mittel verwendbar,
die neben einer kristallisationsinhibierenden Wirkung auch eine
dispergierende Wirkung aufweisen. Bei Verwendung solcher Mittel
können Kristallisationsinhibitor
und Dispergiermittel identisch sein. Geeignete Mittel können durch
Handversuche ermittelt werden. Solche Mittel mit kristallisationsinhibierender
und dispergierender Wirkung haben zur Folge, daß die Nanopartikel in besonders
kleinen Primärpartikeln
anfallen und gut redispergierbare Agglomerate bilden. Verwendet
man ein solches Mittel mit kristallisationsinhibierender und zugleich
dispergierender Wirkung, kann man es bei der Fällung zusetzen und gewünschtenfalls
zusätzlich
eine Desagglomeration in seiner Anwesenheit durchführen.
Üblicherweise
und bevorzugt verwendet man unterschiedliche Verbindungen mit kristallisationsinhibierender
bzw. dispergierender Wirkung.
Sehr
vorteilhaft sind Nanopartikel, die solche Dispergiermittel enthalten,
die den Nanopartikeln eine elektrostatisch, sterisch oder elektrostatisch
und sterisch die Agglomeration hemmende bzw. die Reagglomeration
verhindernde Oberfläche
verleihen. Ist ein solches Dispergiermittel bereits bei der Fällung anwesend, hemmt
es die Agglomeration der Nanopartikel, so dass bereits bei der Fällung desagglomerierte
Nanopartikel anfallen. Wird solch ein Dispergiermittel nach der
Fällung
beispielsweise im Rahmen einer Naßvermahlung eingearbeitet,
verhindert es die Reagglomeration der Nanopartikel nach der Desagglomeration.
Nanopartikel, die ein solches Dispergiermittel enthalten, sind ganz
besonders bevorzugt, weil sie im desagglomerierten Zustand verbleiben.
Besonders
vorteilhafte desagglomerierte Nanopartikel – die gegebenenfalls zusätzlich auch
Kristallisationsinhibitoren enthalten können – sind dadurch gekennzeichnet,
daß das
Dispergiermittel Carboxylat-, Phosphat-, Phosphonat-, Bisphosphonat-,
Sulfat- oder Sulfonatgruppen aufweist, die mit der Oberfläche der Nanopartikel
in Wechselwirkung treten können,
und daß es
einen oder mehr organische Reste R1 aufweist,
die hydrophobe und/oder hydrophile Teilstrukturen aufweisen.
Bevorzugt
ist R1 eine niedermolekulare, oligomere
oder polymere, ggf. verzweigte und/oder cyclische Kohlenstoffkette,
die ggf. Sauerstoff, Stickstoff, Phosphor oder Schwefel als Heteroatome
enthält,
und/oder durch Reste substituiert ist, die über Sauerstoff, Stickstoff,
Phosphor oder Schwefel an den Rest R1 gebunden sind
und die Kohlenstoffkette gegebenenfalls durch hydrophile oder hydrophobe
Reste substituiert ist. Ein Beispiel für solche substituierenden Reste
sind Polyethergruppen. Bevorzugte Polyethergruppen weisen 3 bis
50, bevorzugt 3 bis 40 insbesondere 3 bis 30 Alkylenoxygruppen auf.
Bevorzugt werden die Alkylenoxygruppen aus der Gruppe, bestehend
aus der Methylenoxy-, Ethylenoxy-, Propylenoxy- und Butylenoxy-Gruppe,
ausgewählt.
Bevorzugte
erfindungsgemäße Nanopartikel
enthalten ein Dispergiermittel, welches Gruppen zur An- oder Einkoppelung
in Polymere aufweist. Dies können
Gruppen sein, die diese An- oder Einkoppelung chemisch bewirken,
z. B. OH-Gruppen oder NH-Gruppen
oder NH2-Gruppen. Bei den Gruppen kann es
sich auch um solche handeln, die eine physikalische Ein- oder Ankoppelung
bewirken.
Ein
Beispiel für
ein Dispersionsmittel, das die Oberfläche der Nanopartikel hydrophobiert,
stellen Phosphorsäurederivate
dar, bei denen ein Sauerstoffatom der P(O)-Gruppe durch einen C3-C10-Alkyl-
oder Alkenylrest und ein weiteres Sauerstoff atom der P(O)-Gruppe
durch eine Polyetherfunktion substituiert ist. Ein weiteres acides
Sauerstoffatom der P(O)-Gruppe kann in Wechselwirkung mit der Oberfläche der
Nanopartikel treten.
Das
Dispergiermittel kann beispielsweise ein Phosphorsäurediester
sein, der als Teilstrukturen eine Polyethergruppe und eine C6-C10-Alkenylgruppe
aufweist. Phosphorsäureester
mit Polyether/Polyesterseitenketten wie Disperbyk®111,
Phosphorsäureestersalze
mit Polyether/Alkylseitenketten wie Disperbyk®102 und
106, entflockend wirkende Substanzen, z.B. auf Basis hochmolekularer
Copolymere mit pigmentaffinen Gruppen wie Disperbyk®190
oder polare saure Ester von langkettigen Alkoholen wie Disperplast®1140
sind weitere gut brauchbare Typen von Dispergiermitteln.
Phosphorsäureester
mit Polyether/Polyesterseitenketten wie Disperbyk®111,
Phosphorsäureestersalze
mit Polyether/Alkylseitenketten wie Disperbyk®102
und 106, entflockend wirkende Substanzen, z.B. auf Basis hochmolekularer
Copolymere mit pigmentaffinen Gruppen wie Disperbyk®190
oder polare saure Ester von langkettigen Alkoholen wie Disperplast®1140
sind weitere gut brauchbare Typen von Dispergiermitteln.
Nanopartikel
mit ganz besonders guten Eigenschaften enthalten als Dispergiermittel
ein Polymer, das anionische Gruppen aufweist, die In Wechselwirkung
mit der Oberfläche
der Nanopartikel treten können,
beispielsweise die oben genannten Gruppen, und durch polare Gruppen,
z.B. durch Hydroxy- oder Aminogruppen, substituiert ist. Bevorzugt
sind Polyethergruppen enthalten, die terminal durch Hydroxygruppen
substituiert sind. Infolge dieser Substitution sind die Nanopartikel äußerlich
hydrophilisiert. Derartige Nanopartikel zeigen keine Neigung zur
Reagglomeration. Es kann bei der Anwendung, z.B. bei der Einarbeitung
in Kunststoffe oder deren Vormischungen, sogar zu weiterer Desagglomeration
kommen. Die polaren Gruppen, insbesondere Hydroxy- und Aminogruppen,
stellen reaktive Gruppen dar, die zur An- oder Einkoppelung besonders
in Epoxyharze geeignet sind. Ganz besonders gute Eigenschaften weisen
Nanopartikel auf, die mit einem Dispergiermittel gecoatet sind,
welches eine Vielzahl von Polycarboxylatgruppen und eine Vielzahl
von Hydroxygruppen aufweist sowie weitere Substituenten, die sterisch
anspruchsvoll sind, z. B. Polyethergruppen. Eine ganz bevorzugte
Gruppe von Dispersionsmitteln sind terminal an den Polyethergruppen
durch Hydroxygruppen substituierte Polyetherpolycarboxylate.
Nanopartikel,
die gegebenenfalls einen Kristallwachstumsinhibitor und eines der
besonders bevorzugten sterisch die Reagglomeration verhindernden
Dispergiermittel aufweist, besonders ein durch polare Gruppen wie
oben beschrieben substituiertes Dispersionsmittel, weisen den großen Vorteil
auf, daß sie
sehr feine Primärpartikel
und allenfalls gering agglomerierte Sekundärpartikel umfassen, die, weil
sie leicht redispergierbar sind, sehr gut anwendbar sind, beispielsweise
sich gut in Polymere einarbeiten lassen und nicht zur Reagglomeration
neigen, ja sogar bei der Anwendung weiter desagglomerieren.
Gemäß einer
Ausführungsform
liegen die desagglomerierten mit Dispergiermittel gecoateten Nanopartikel
trocken vor, also frei von Lösungsmittel(n).
Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
liegen sie in Form einer Dispersion in Wasser oder in Form einer
Dispersion in einer organischen Flüssigkeit vor, wobei die organische
Flüssigkeit
gegebenenfalls auch Wasser enthalten kann. Bevorzugte organische
Flüssigkeiten
sind Alkohole wie Isopropanol oder dessen Mischungen mit anderen
Alkoholen oder Polyolen, Ketone wie Aceton, Cyclopentanon oder Methylethylketon,
oder dessen Mischungen mit anderen Alkoholen oder Polyolen, Ketone wie
Aceton, Cyclopentanon oder Methylethylketon, Naphtha oder Siedegrenzbenzin
sowie deren Mischungen, halogenierte aromatische und besonders aliphatische
Kohlenwasserstoffe wie Chlorkohlenstoffe, Chlorkohlenwasserstoffe,
z.B. Methylenchlorid, Fluorkohlenstoffe, Fluorkohlenwasserstoffe,
Fluorchlorkohlenstoffe und Fluorchlorkohlenwasserstoffe. Additive,
z.B. Weichmacher wie Dioctylphthalat oder Diisodecylphthalat. können beigemischt
werden. In der Dispersion liegen die dispergierten Nanopartikel
vorzugsweise in einer Menge von 0,1 bis 70 Gew.-%, besonders bevorzugt
0,1 bis 60 Gew.-%, beispielsweise 0,1 bis 25 Gew.-% oder 1 bis 20
Gew.-% vor.
Die
Nanopartikel und besonders die Dispersion, insbesondere auf wäßriger Basis,
können
noch Modifizierungsmittel aufweisen, die seine Eigenschaften beeinflussen,
beispielsweise Mittel, die die Dispersion stabilisieren.
Erfindungsgemäßes Produkt
sind auch Nanopartikel einer durchschnittlichen Primärpartikelgröße < 50 nm, bevorzugt < 20 nm, welches
im Wesentlichen agglomeratfrei vorliegt, bei welchem somit die durchschnittliche
Sekundärpartikelgröße maximal
30 % größer ist
als die durchschnittliche Primärpartikelgröße.
Die
Erfindung sieht mehrere Varianten vor, erfindungsgemäße desagglomerierte
Nanopartikel zur Verfügung
zu stellen.
Sofern
ein Kristallisationsinhibitor enthalten sein soll, ist es am zweckmäßigsten,
die Nanopartikel in Anwesenheit des Kristallisationsinhibitors in
feste Form zu überführen, z.B.
durch eine Fällungsreaktion,
Kristallisation aus einer Lösung
oder durch Trocknung aus einem Gel. Ein Kristallisationsinhibitor
kann vorteilhaft sein, um das Kristallwachstum zu inhibieren. Dadurch
werden bereits bei der Fällung
kleinere Partikel erhalten.
Das
Dispergiermittel kann auf verschiedene Weise den Nanopartikeln zugefügt werden.
Generell kann es den Nanopartikeln nach ihrer Bildung durch eine
intensive Zerkleinerungsoperation in Anwesenheit des Dispergiermittels
oder bereits bei deren Entstehung zugefügt werden, beispielsweise wenn
die Nanopartikel gefällt
werden durch Vereinigen von Metallsalzen, die z.B. in Wasser löslich sind,
mit Lösungen
von Verbindungen von Anionen, die mit dem Metall einen in dem verwendeten
Lösungsmittel
un- oder schwerlöslichen
Feststoff bilden; oder durch Kristallisieren von Lösungen der
gewünschten
Verbindungen; oder durch Trocknen von Gelen. Sofern zusätzlich ein
Kristallisationsinhibitor verwendet werden soll, bildet man die
Nanopartikel zweckmäßig in Anwesenheit
von Kristallisationsinhibitor und Dispergiermittel. Durch die Anwesenheit
von dispergiermittel wird die Neigung von manchen Verbindungen zur
Bildung von Agglomeraten, also Sekundärteilchen, aus den Primärpartikeln
verringert oder unterdrückt.
Gewünschtenfalls
kann man das Dispergiermittel bei der Erzeugung der festen Teilchen
und zusätzlich
in einem sich anschließenden
Zerkleinerungsschitt zufügen.
Die
erste Ausführungsform
wird nun weiter erläutert.
Die Nanopartikel werden nach üblichen
Methoden hergestellt. Dies kann durch übliche Methoden wie Fällen geschehen.
Die Herstellung von Feststoffen durch Fällen ist ein bekanntes Verfahren.
Man vereinigt beispielsweise Lösungen,
die das Kation bzw. das Anion enthalten. Dann wird das Lösungsmittel
entfernt und der Feststoff gewonnen. Man kann auch Feststoffe oder
Suspensionen mit Flüssigkeiten
zur Reaktion bringen, z.B. feste Carbonate, Metalloxide oder Metallhydroxide
mit den entsprechenden Säuren,
um die gewünschten
Salze zu erzeugen. Sulfate, Phosphate oder Fluoride lassen sich
beispielsweise aus den Carbonaten, Oxiden, Hydroxiden oder deren
Lösungen
mit entsprechenden Säuren
wie Schwefelsäure,
Phosphorsäure
oder Flusssäure
herstellen, Carbonate durch Reaktion von Metallsalzen und Carbonat
oder CO2. Strontiumsulfat stellt man z.
B. durch Reaktion von Strontiumchlorid mit Alkalisulfat oder Schwefelsäure her,
Calciumcarbonat durch Umsetzung von Kalkwasser mit Kohlendioxid, Calciumfluorid
bzw. Magnesiumfluorid durch Umsetzung von Calciumchlorid, Calciumcarbonat
oder Kalkwasser bzw. der entsprechenden Magnesiumverbindungen mit
Alkalifluorid oder Flusssäure.
Die Umsetzung kann beispielsweise in Dissolvern erfolgen. Analog
werden entsprechende Verbindungen anderer Metalle hergestellt. Die
oxidischen Verbindungen können
durch Entwässerung
der Hydroxide erzeugt werden. Feststoffgewin nung ist auch möglich durch
Kristallisieren aus einer gesättigten
Lösung,
durch Bilden eines Gels mit anschließender Trocknung etc. Bei der
Fällung
oder Kristallisation kann man Additive einsetzen, die das Kristallwachstum
inhibieren, beispielsweise solche, wie sie in der WO 01/92157 genannt
werden, oder die vorstehend genannten Verbindungen der Formel (I),
die kristallisationsinhibierende Wirkung aufweisen. Gewünschtenfalls werden
die gebildeten Nanopartikel oder das Gel zur Paste oder sogar bis
zum trocknen Pulver entwässert. Selbstverständlich können auch
handelsübliche,
als Feststoff vorliegende Substanzen verwendet werden. Die wie oben
beschrieben hergestellten oder handelsüblich erhältlichen Feststoffe können einer
weiteren Zerkleinerungsoperation unterworfen werden, z.B. einer
Naßdesagglomeration.
Als Flüssigkeit
kann Wasser oder eine organische Flüssigkeit gewählt werden,
z. B. ein Alkohol, ein Kohlenwasserstoff oder ein Halogenkohlen(wasser)stoff.
Die Desagglomeration, die beispielsweise in Kugelmühlen, Schwingmühlen, Rührwerksmühlen, Planetenkugelmühlen oder
Dissolvern mit Glaskugeln durchgeführt werden kann, erfolgt dann
in Anwesenheit eines Dispergiermittels. Ein solches Verfahren wird
in der DE-OS 19832304 beschrieben. Dabei werden die Partikel und
das Dispergiermittel in einem Mahlbehälter mit losen Mahlkörpern gegeben
und auf die gewünschte
Feinheit zerkleinert und vermischt. Als Mahlhilfsmittel wird z.B.
Kohlendioxideis oder tiefgekühltes 1,1,1,2-Tetrafluorethan
oder ähnliche
Stoffe verwendet. Als Mühle
eignen sich z.B. Kugelmühlen,
Schwingmühlen,
Rührwerksmühlen und
Planetenkugelmühlen.
Man erreicht dabei Partikelgrößen sogar
unterhalb von 20 nm.
Die
Dispergiermittel sind oben genannt; beispielsweise kann man ein
kristallisationsinhibierend wirkendes Mittel der Formel (I) verwenden,
das auch dispergierende Eigenschaften aufweist. Sofern dieses Mittel bereits
bei der Erzeugung der festen Partikel verwendet wurde, nutzt man
bei der Fällung
die kristallisationsinhibierenden Eigenschaften Bevorzugt verwendet
man bei der Desagglomeration jene oben genannten Dispergiermittel,
die sterisch die Reagglomeration verhindern, besonders jene Dispergiermittel,
die durch Hydroxygruppen substituiert sind. Die Zerkleinerung wird
solange durchgeführt,
bis der gewünschte
Feinheitsgrad erreicht ist. Bevorzugt führt man die Zerkleinerung solange
durch, bis die Nanopartikel Primär-
bzw. Sekundärteilchen
mit einer mittleren Partikelgröße kleiner
als 0,5 μm,
besonders bevorzugt kleiner als 250 nm, ganz besonders bevorzugt
kleiner als 200 nm aufweisen. Noch mehr bevorzugt desagglomeriert
man, bis die Sekundärteilchen
eine mittlere Partikelgröße kleiner
als 130 nm, insbesondere bevorzugt kleiner als 100 nm, ganz insbesondere
bevorzugt kleiner als 80 nm, noch bevorzugter < 50 nm aufweisen. Dabei können die
Nanopartikel teilweise oder sogar weitgehend vollständig in
Form nicht agglomerierter Primärpartikel
vorliegen. Die mittlere Partikelgröße wird bestimmt durch XRD
bzw. Laserbeugungsme thoden). Es bildet sich bei der Zerkleinerung
eine Dispersion von Nanopartikeln im verwendeten Lösungsmittel.
Diese Dispersion kann dann als solche verwendet werden, beispielsweise
zur Einarbeitung in Kunststoffe. Wie weiter unten beschrieben wird, kann
die Dispersion auch als Zwischenprodukt für die Herstellung redispergierbarer
Nanopartikel verwendet werden.
Die
zweite Ausführungsform
der Herstellung der Nanopartikel sieht vor, daß man bereits die Erzeugung
des Feststoffes, z.B. durch Fällung
in Anwesenheit eines Dispergiermittels durchführt; diese Vorgehensweise kann
bereits bei der Fällung
zur Bildung von desagglomerierten Nanopartikeln führen, die
leicht redispergierbar sind. Derartige Dispergiermittel, die den
Partikeln eine elektrostatisch, sterisch oder elektrostatisch und
sterisch die Agglomeration bei der Fällung hemmende und die Reagglomeration
verhindernde Oberfläche verleihen,
sind weiter oben erläutert.
Bei dieser Ausführungsform
entstehen desagglomerierte Nanopartikel bereits bei der Fällung. Auch
die hierbei gebildete Dispersion der Nanopartikel im Lösungsmittel
kann als solche verwendet werden, beispielsweise um Nanopartikel
in einen Kunststoff oder eine Vorstufe des Kunststoffes einzubringen,
z.B. in ein noch nicht vollständig
polymerisiertes Prepolymer oder in Reaktanten, die dann z.B. durch
Polykondensation das Polymer bilden.
Das
Dispergiermittel wird zweckmäßig auf
das Lösungsmittel,
in dem die jeweiligen Nanopartikel dispergiert werden sollen, abgestimmt.
Dispergiermittel mit eher hydrophoben Eigenschaften werden vorteilhaft für die Herstellung
von Dispersionen in unpolaren oder wenig polaren Lösungsmitteln
verwendet.
Ein
Beispiel für
ein Dispersionsmittel, das sich für die Herstellung von Nanopartikeldispersionen
in unpolaren bis wenig polaren Lösungsmitteln
eignet, stellen Phosphorsäureester
dar, die Seitenketten mit Polyetheranteilen aus Ethylenoxideinheiten
aufweisen, beispielsweise bei denen ein Sauerstoffatom der P(O)-Gruppe
durch einen C3-C10-Alkyl- oder Alkenylrest und ein weiteres Sauerstoffatom
der P(O)-Gruppe durch eine Polyetherfunktion substituiert ist. Ein
weiteres acides Sauerstoffatom der P(O)-Gruppe kann in Wechselwirkung
mit der Strontiumcarbonatoberfläche
treten. Derartige Dispergiermittel sind z.B. von BYK CHEMIE unter der
Bezeichnung Disperbyk® 102, 106 und 111 erhältlich.
Unpolare bis wenig polare Lösungsmittel
sind oben schon genannt; Methylenchlorid ist besonders gut. Besonders
gut brauchbar sind z.B. lineare Ketone wie Methylethylketon, Ester
von Carbonsäuren
mit beispielsweise insgesamt 2 bis 6 Kohlenstoffatomen und Alkoholen
mit 1 bis 4 C-Atomen, Kohlenwasserstoffe oder deren Gemische wie
Siedegrenzbenzin (mit Siedepunkten von 21 bis 55 °C, 55 bis
100 °C und
solches mit Siedepunkt über
100 °C),
Solventnaphtha oder Halogenkohlenwasserstoffen wie Methylenchlorid.
Andere
Dispergiermittel bewirken eine gute Dispergierbarkeit der Nanopartikel
in polaren oder protischen Lösungsmitteln
wie Wasser, oder Alkoholen wie Isopropanol oder n-Butanol. Ein Polymer,
das anionische Gruppen aufweist, die in Wechselwirkung mit der Oberfläche des
Strontiumcarbonats treten können,
beispielsweise die oben genannten Gruppen, und durch polare Gruppen,
z.B. durch Hydroxy- oder Aminogruppen, substituiert ist. Bevorzugt
sind Polyethergruppen enthalten, die terminal durch Hydroxylgruppen
substituiert sind. Infolge dieser Substitution sind die Nanopartikel äußerlich
hydrophilisiert. Derartige Nanopartikel sind gut dispergierbar und
gibt stabile Dispersionen in polaren oder protischen Lösungsmitteln.
Es kann bei der Anwendung sogar zu weiterer Desagglomeration kommen.
Die polaren Gruppen, insbesondere Hydroxy- und Aminogruppen, stellen
reaktive Gruppen dar, die zur An- oder Einkoppelung in entsprechende
Kunststoffe, z.B. besonders in Epoxyharze geeignet sind. Ganz besonders
gute Eigenschaften weist ein Strontiumcarbonat auf, das mit einem
Dispergiermittel gecoatet ist, welches eine Vielzahl von Polycarboxylatgruppen
und eine Vielzahl von Hydroxygruppen aufweist sowie weitere Substituenten,
die sterisch anspruchsvoll sind, z. B. Polyethergruppen. Eine ganz
bevorzugte Gruppe von Dispersionsmitteln sind terminal an den Polyethergruppen durch
Hydroxygruppen substituierte Polyetherpolycarboxylate.
Die
Dispersion der Nanopartikel im Lösungsmittel,
die nach der intensiven Zerkleinerung erhalten wird, kann auch als
Zwischenprodukt für
die Herstellung von redispergierbarem Pulver aus dispergiermittelhaltigen Nanopartikeln
verwendet werden. Wenn man das bei der intensiven Zerkleinerung
verwendete Lösungsmittel nämlich entfernt,
z.B. durch eine Sprühtrocknung
oder Abdampfen bei erhöhter
Temperatur und/oder vermindertem Druck, so bildet sich ein Dispergiermittel
enthaltendes Nanopulver, das bereits ohne großen Energieeinsatz in einem
Lösungsmittel,
einem flüssig
vorliegenden, gegebenenfalls mit Lösemittel verdünnten Kunststoff,
einer Kunststoffvorstufe oder einem Klebstoff wieder in eine Dispersion
von Nanopartikeln überführt werden
kann, die in ihren Partikeleigenschaften der ursprünglich erzeugten
Dispersion entspricht.
Das
Pulver, das nach der intensiven Zerkleinerung und Entfernen des
Lösungsmittels
erhalten wird, bildet allenfalls lockere Agglomerate, die in flüssigen Medien
redispergierbar sind und dabei wieder desagglomerierte Partikel
bilden. Wenn man die ganz besonders bevorzugten polymeren Dispergiermittel
einsetzt, die sterisch die Reagglomeration verhindern und polare
Gruppen zur An- oder Einkoppelung in Polymere aufweisen, so wird
bei der erneuten Dispergierung gar eine weitere Desagglomeration
der Nanopartikel beobachtet.
Bei
den Nanopartikeln handelt es sich in der vorliegenden Erfindung
um Salze von Metallen. Bevorzugt sind jene Salze von Metallen, die
eine geringe Löslichkeit
in Wasser und/oder organischen Lösungsmitteln
aufweisen. "Geringe
Löslichkeit" bedeutet vorzugsweise,
dass sich weniger als 1 g/l, vorzugsweise weniger als 0.1 g/l bei
Raumtemperatur (20 °C)
lösen.
Ganz besonders bevorzugt sind Salze, die eine geringe Löslichkeit in
Wasser und organischen Lösungsmitteln
aufweisen.
Bevorzugte
Kationen sind ausgewählt
aus der 2. und 3. Hauptgruppe des Periodensystems der Elemente,
besonders bevorzugt sind Mg, Ca, Sr, Ba und Al; aus der 4. Hauptgruppe
des Periodensystems der Elemente, besonders bevorzugt sind Si, Ge,
Sn und Pb. Besonders bevorzugt als Kationen sind auch Metalle der
Nebengruppen des Periodensystems der Elemente inklusive der Lanthanidenmetalle.
Bevorzugte
Anionen sind PO4 3-,
SO4 2-, CO3 2-, F-, O2- und OH–.
Dazu gehören
auch Salze mit zwei oder mehr dieser Anionen wie Oxifluoride sowie
auch Hydrate von Salzen.
Ganz
besonders bevorzugt als Füllstoff
verwendet man SrSO
4, MgCO
3,
CaCO
3, BaCO
3, SrCO
3, Zn
3(PO
4)
2, Ca
3(PO
4)
2, Sr
3(PO
4)
2, Ba
3(PO
4)
2, Mg
2(PO
4)
2, SiO
2,
Al
2O
3, MgF
2, CaF
2, BaF
2, SrF
2, TiO
2, ZrO
2 sowie Flurometallatanionen.
Die nicht vorveröffentlichte
deutsche Patentanmeldung ... (
P
102004039485.7 ) offenbart Dispersionen von stäbchenförmigem Strontiumcarbonat
in halogenierten Lösungsmitteln.
Der dort offenbarte Gegenstand ist vom Schutzumfang ausgeschlossen,
soweit dies patentrechtlich relevant ist.
Die
Nanopartikel können
für jene
Zwecke verwendet werden, für
die Nanopartikel üblicherweise
verwendet werden. Besonders gut geeignet sind sie als Füllstoff
für Kunststoffe.
Die
Nanopartikel, die als leicht redispergierbares Pulver oder in Form
einer wäßrigen Dispersion
oder in Form einer Dispersion in einer organischen Lösungsmittel
vorliegen, sind ebenfalls Gegenstand der Erfindung und können für alle Zwecke
verwendet werden, für
die Nanopartikel üblicherweise
verwendet werden, z.B. in Kunst stoffen wie Plastomeren und Elastomeren,
zu denen auch Klebstoffe und Dichtungsmassen gehören.
Beschichtungen,
die Nanopartikel, insbesondere Nanopartikel auf der Basis von Siliziumdioxid
oder Aluminiumoxid, enthalten, sind seit langem bekannt. Beispielhaft
wird auf die Patentanmeldungen
EP 1 179 575 A2 , WO 00/35599 A, WO 99/52964
A, WO 99/54412 A, WO 99/52964 A,
DE 197 26 829 A1 oder
DE 195 40 623 A1 verwiesen.
Sie dienen insbesondere der Herstellung von hoch kratzfesten Beschichtungen.
Die
desagglomerierten Nanopartikel eignet sich nicht nur als Zusatzstoff
für die
vorstehend Beschichtungen, sondern generell als Zusatzstoff z. B.
für Kunststoffe,
z.B. Phenolharze, Acrylharze, Alkydharze, Epoxidharze, gesättigte und
ungesättigte
Polyester, Polyurethane, Silikonharz, Harnstoff- und Melaminharz,
Polycarbonat und Polyamidharz. Kunststoffe mit zugesetzten erfindungsgemäßen Nanopartikeln
sind ebenfalls Gegenstand der Erfindung. Der Gehalt an Nanopartikeln
im Kunststoff beträgt
vorteilhaft 1 bis 50 Gew.-%, bevorzugt 1 bis 25 Gew.-%.
Es
wurde festgestellt, dass erfindungsgemäße Nanopartikel, besonders
diejenigen, die – gegebenenfalls
zusätzlich
zu einem Kristallisationsinhibitor – als Dispergiermittel ein
polymeres Polyetherpolycarboxylat enthalten, das terminal an den
Ethergruppen durch Hydroxygruppen substituiert und dadurch hydrophiliert
ist, besonders gut geeignet zur Anwendung in Epoxid-Formkörpern oder
Epoxid-Harzen sowie entsprechenden Kompositmaterialien eingesetzt
werden kann. Epoxidharze werden beispielsweise als Gießharze oder
auch als Laminate (beispielsweise im Flugzeug-, Fahrzeug- oder Bootsbau)
verwendet.
Eine
Erläuterung
von Grundlagen findet sich beispielsweise in Ullmann's Enzyklopädie der
Technischen Chemie, 4. Auflage, Bd. 10, Seiten 563–580 und
in Kirk-Othmer,
Encyclopedia of Chemical Technology, 4. Auflage, Bd. 9, Seiten 730–755.
Eine
vorteilhafte Methode zur Einbringung der Nanopartikel sieht vor,
zunächst
eine Dispersion in einem Alkanol oder Diol zu erzeugen, beispielsweise
in i-Propanol, diese Dispersion in den Kunststoff und dann das Lösungsmittel
abzudampfen. Der Kunststoff selbst kann dabei in einem Lösungsmittel
gelöst
vorliegen. Man kann die Dispersion auch in eine Kunststoffvorstufe
einbringen, z.B. einen Reaktanten. Sehr gut eignet sich diese Methode
zum Einbringen der Nanopartikel in ein Polyurethan durch Vermischen
der alkoholischen Dispersion mit dem Diol, Abdampfen des alkoholischen Lösungsmittels
und Weiterreaktion des nanopartikelhaltigen Diols mit einer Isocyanatkomponente.
Mittels
der Erfindung ist es möglich,
Nanopartikel zu erzeugen, die nach ihrer Herstellung und Zerkleinerung
zu Nanopartikeln und anschließender
Entfernung des Lösungsmittels
redispergierbar sind, ohne dass eine erneute intensive Zerkleinerungsoperation
wie Behandlung in einer Perlmühle
nötig ist.
Die desagglomerierten Nanopartikel weisen sehr kleine Partikelgrößen auf,
die beispielsweise einen durchschnittlichen Durchmesser von 60 bis
80 nm aufweisen. Das bedeutet, dass die Desagglomeration sehr effektiv
ist, und vor allem, diese Partikelgröße wird durch einfaches Vermischen
der Partikel, die einmal eine Desagglomerationsstufe durchlaufen
haben, in Lösungsmitteln,
im Kunststoff, im Klebstoff oder der Kunststoffvorstufe wieder erreicht, die
Partikel sind also sehr gut redispergierbar, ohne dass eine erneute
Desagglomerationsstufe eingeschoben werden muss. Die Dispersion
der Nanopartikel besonders in organischen Lösungsmitteln lässt sich
gut in Kunststoffe, deren Lösungen
oder Prepolymeren oder den zur Erzeugung der Kunststoffe verwendeten
Reaktanten einarbeiten. Es ist möglich,
transparente Kunststoffe zu erzeugen. Die Kunststoffe weisen hohe
Kratzfestigkeit und Schlagfestigkeit auf. Klebstoffe mit den Nanopartikeln
haben erhöhte
Kohäsion
bei gleich bleibender Adhäsion.
Die
folgenden Beispiele sollen die Erfindung weiter erläutern, ohne
sie in ihrem Umfang einzuschränken.