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Die
vorliegende Erfindung betrifft oberflächenmodifizierte Partikel,
die in organischen Lösungsmitteln dispergierbar
sind sowie deren Verwendung zur Einarbeitung in Polymere, Farben
und Lacke.
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Anorganische
Partikel, insbesondere Nanopartikel werden meist in wässriger
Dispersion hergestellt und müssen
vielfach in organische Medien überführt werden.
Wird dabei beispielsweise das hydrophile Nanoteilchen zu schnell
in eine unpolare Umgebung gebracht, kommt es zur Agglomeration der
Teilchen. Aus diesem Grund beruhen die gängigen Verfahren meist auf
einem sehr langsamen Lösungsmitteltausch,
oft über vermittelnde
Lösungsmittel
in großer
Menge. Diese mehrstufigen Prozesse sind langsam und aufwendig.
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Alternative
Verfahren gehen von agglomerierten Nanopartikeln aus und dispergieren
diese unter Einsatz hoher Scherkräfte bei gleichzeitiger Zugabe
von Oberflächenmodifikatoren.
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Die
oben genannten Verfahren haben den Nachteil, dass sie entweder sehr
aufwendig und einen hohen Verbrauch an Lösungsmittel bedingen, oder
die Verfahren hohe Scherkräfte
erfordern, die eine vollständige
Zerschlagung der Agglomerate nicht gewährleistet.
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Oftmals
ist es schwierig, hydrophile, wässrig
suspendierte Nanopartikel mit einer hydrophoben Oberflächenmodifikation
zu versehen. Versucht man dies in der wässrigen Lösung, führt das zum raschen Ausfällen der
Teilchen, noch bevor die Oberfläche
ausreichend belegt ist. Die ausgefällten Teilchen sind für den Oberflächenmodifikator
wesentlich schlechter zugänglich,
so dass keine weitere Reaktion mehr erfolgt. Die bis dahin aufgebrachte
Menge an Oberflächenmodifikator
ist jedoch meist nicht ausreichend, um die Teilchen in einem hydrophoben
Medium zu redispergieren.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, Verfahren zur Herstellung von
oberflächenmodifizierten Partikeln
bereit zu stellen, bei denen Partikel, Oberflächenmodifikator und oberflächenmodifizierte
Partikel so lange gemeinsam stabil in Lösung bzw. suspendiert zu halten,
bis eine ausreichende Belegung der Oberfläche erreicht wurde, um redispergierbare
Partikel zu erhalten.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird gelöst durch oberflächenmodifizierte
anorganische Partikel mit an der Oberfläche der Partikel gebundenen
statistischen Copolymeren aus mindestens einem Monomer mit hydrophoben
Resten und mindestens einem Monomer mit hydrophilen Resten, dadurch
gekennzeichnet, dass sie erhältlich
sind durch ein Verfahren, bei dem in einem Schritt a) in einem Lösungsmittelgemisch, enthaltend
Wasser, mindestens ein mit Wasser nicht mischbares, organisches
Lösungsmittel
sowie mindestens ein weiteres, als Lösungsvermittler wirkendes,
organisches Lösungsmittel,
anorganische Partikel und statistische Copolymere aus mindestens
einem Monomer mit hydrophoben Resten und mindestens einem Monomer
mit hydrophilen Resten miteinander, unter kovalenter oder nicht-kovalenter
(physikalischer) Anbindung des statistischen Copolymeren aus mindestens
einem Monomer mit hydrophoben Resten und mindestens einem Monomer
mit hydrophilen Resten an die Oberfläche der anorganischen Partikel,
umgesetzt werden, und in einem Schritt b) Wasser und/oder Methanol
unter Bildung eines biphasischen Systems zugegeben wird und die
Phasen getrennt werden, wobei die oberflächenmodifizierten anorganischen
Partikel in dem unpolaren Lösungsmittel
oder Lösungsmittelgemisch
dispergiert vorliegen.
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Die
erhaltenen oberflächenmodifizierten
Partikel haben den Vorteil, dass sie entweder dispergiert in einem
unpolaren Lösungsmittel
vorliegen, oder nach gegebenenfalls erfolgter Abtrennung erneut
in unpolaren Lösungsmitteln
oder Anwendungssystemen, wie z.B. Farben oder Lacken, redispergiert
werden können.
Besonders vorteilhaft sind die so erhaltenen Partikel hinsichtlich
der Einarbeitung in hydrophobe Polymere, Lösungsmittel oder Lacke, da
sich die Partikel durch einfache Maßnahmen homogen im Polymer,
Lösungsmittel oder
Lack verteilen lassen. Dadurch lassen sich verbesserte Eigenschaften
wie erhöhte
Transparenz oder bessere mechanische Stabilität gegenüber Systemen mit inhomogener
Verteilung erreichen.
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Wesentlich
für die
Eigenschaften der erfindungsgemäßen Partikel
ist das Verfahren zu ihrer Herstellung, das ebenfalls Gegenstand
der vorliegenden Erfindung ist. Erst durch dieses Verfahren werden
die erfindungsgemäßen oberflächenmodifizierten
Partikel zugänglich,
die als besondere Eigenschaft die Redispergierbarkeit in unpolaren
Lösungsmitteln
aufweisen. Aus diesem Grund ist ein Verfahren zur Herstellung oberflächenmodifizierter
Partikel mit an der Oberfläche
der Partikel gebundenen statistischen Copolymeren aus mindestens
einem Monomer mit hydrophoben Resten und mindestens einem Monomer
mit hydrophilen Resten, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Schritt
a) in einem Lösungsmittelgemisch,
enthaltend Wasser, mindestens ein mit Wasser nicht mischbares, organisches
Lösungsmittel
sowie mindestens ein weiteres, als Lösungsvermittler wirkendes,
organisches Lösungsmittel,
anorganische Partikel und statistische Copolymere aus mindestens
einem Monomer mit hydrophoben Resten und mindestens einem Monomer
mit hydrophilen Resten miteinander umgesetzt werden, und in einem
Schritt b) Wasser unter Bildung eines biphasischen Systems zugegeben
wird und die Phasen getrennt werden, wobei die oberflächenmodifizierten
anorganischen Partikel in dem unpolaren Lösungsmittel oder Lösungsmittelgemisch
dispergiert vorliegen, ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung.
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Zur
Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
werden die anorganischen zu modifizierenden Partikel und die einzusetzenden
statistischen Copolymere in einem ternären Lösungsmittelsystem miteinander umgesetzt.
Das Lösungsmittelsystem
umfasst mindestens ein unpolares Lösungsmittel, Wasser und mindestens
ein drittes, zwischen dem unpolaren Lösungsmittel und Wasser als
Lösungsvermittler
wirkendes, organisches Lösungsmittel,
dass in der Mischung ein einphasiges System entsteht. Als unpolare
Lösungsmittel
eignen sich Kohlenwasserstoffe und halogenierte Kohlenwasserstoffe
und/oder Mischungen hieraus. Vorzugsweise handelt es sich bei den
unpolaren Lösungsmitteln
um Alkane und cyclische Alkane, insbesondere um Heptan, Oktan, Nonan
und/oder Cyclohexan.
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Geeignete,
als Lösungsvermittler
wirkende, organische Lösungsmittel
sind polare erotische und aprotische Lösungsmittel, bevorzugt Alkohole
und Ether, besonders bevorzugt Ethanol, Methanol und Isopropanol.
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Das
Lösungsmittelsystem
ist dabei monophasig, das heißt
es liegt insgesamt nur eine Phase vor. Die eingesetzte Menge an
als Lösungsvermittler
wirkendem, organischen Lösungsmittel
ist dabei so gewählt,
dass durch weitere Zugabe von Wasser eine Phasentrennung erreicht
wird. Die Menge ist abhängig
vom verwendeten unpolaren Lösungsmittel
bzw. Lösungsmittelgemisch
und dessen Mengenverhältnis
zu Wasser.
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Generell
unterliegt es dem Fachwissen des Fachmanns, je nach Art des Lösungsmittels
geeignete Mischungsverhältnisse
zu finden, die zur Bildung eines monophasischen Lösungsmittelsystems
führen,
beispielsweise aus G. Wypych: Handbook of solvents, ChemTec
Publishing 2001, R. Koningsveld, W.H. Stockmager,
N. Nies: Polymer Phase diagrams, Oxford Univ. Press 2001 oder
aus P. W. Atkins, Julio de Paula, Atkin's physical chemistry, Oxford Univ. Press
2002.
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In
dem oben genannten Lösungsmittelsystem
werden die anorganischen Partikel und die einzusetzenden statistischen
Copolymere miteinander umgesetzt. Hierzu können die einzusetzenden statistischen
Copolymere zunächst
in dem unpolaren Lösungsmittel
oder Lösungsmittelgemisch
gelöst
werden dann mit den in den polaren Lösungsmitteln dispergierten
anorganischen Partikeln gemischt werden.
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Zur
Umsetzung ist die Bildung eines einphasigen Gemisches erforderlich.
Hierzu kann es notwendig sein, das Lösungsmittelgemisch zu erwärmen und
zur anschließenden
Phasenseparation wieder abzukühlen. Die
geeigneten Bedingungen sind von den verwendeten Lösungsmitteln
abhängig
und können
nach dem Fachmann bekannten Methoden bestimmt werden.
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Durch
die Umsetzung der anorganischen Partikel mit den einzusetzenden
statistischen Copolymeren werden letztere an der Oberfläche der
Partikel kovalent oder nicht-kovalent angebunden. Nicht-kovalente
Anbindung im Sinne der vorliegenden Erfindung bedeutet, dass die
Anbindung im Wesentlichen auf physikalischen Wechselwirkungen zwischen
Copolymer und Oberfläche
der Partikel beruht. Vorzugsweise werden die Copolymere kovalent
an der Oberfläche
der Partikel gebunden, da hierdurch eine besonders feste Anbindung der
Copolymeren an die Oberfläche
der Partikel gewährleistet
wird.
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In
einem weiteren Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der oben
genannten Reaktionsmischung Wasser unter Bildung eines biphasischen
Systems zugegeben. Durch die Zugabe von Wasser wird der Anteil an
polarem Lösungsmittel
so weit erhöht,
dass es zu einer Entmischung des ternären Lösungsmittelsystems kommt, unter
Ausbildung eines biphasischen Systems aus polarem und unpolaren
Lösungsmittel(n).
Wegen der Oberflächenmodifizierung
der Partikel mit den einzusetzenden statistischen Copolymeren liegen
diese in dem unpolaren Lösungsmittel bzw.
Lösungsmittelgemisch
dispergiert vor. Auf diese Weise wurden die vormals hydrophilen
anorganischen Partikel soweit modifiziert, dass sie in unpolaren
Lösungsmitteln
dispergiert vorliegen bzw., nach gegebenenfalls erfolgter Abtrennung
von dem unpolaren Lösungsmittel
und gegebenenfalls erfolgter Trocknung, in organischen, insbesondere
unpolaren Lösungsmitteln
redispergiert werden können.
Die auf diese Weise erhaltenen getrockneten oberflächenmodifizierten
Partikel sind ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung.
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Bevorzugt
erfolgt die Umsetzung im Temperaturbereich von 20 bis 100°C für 1 bis
20 Minuten. Zur beschleunigten Phasentrennung wird nach der Zugabe
von Wasser bevorzugt auf 0°C
abgekühlt.
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Die
Partikel lassen sich trocknen und in einem organischen, insbesondere
unpolaren Lösungsmittel wieder
redispergieren. Dabei zeigen Trübungsmessungen
nach dem Redispergieren die gleichen Werte wie vor dem Trocknen.
Dies zeigt, dass sich die Partikel ohne Agglomeratbildung trocknen
und redispergieren lassen. Die Messung der Trübung erfolgt im Rahmen der
vorliegenden Erfindung mittels UV/VIS/NIR-Spektrometer Lambda 900
mit Integrationskugel (150 mm). Die Dispersionen werden bei einer
Schichtdicke von 0.5 cm in Transmission gemessen. Die gerichteten
und diffusen Anteile werden berechnet. Je niedriger der diffuse
Anteil des Transmissionsgrads ist, desto weniger trüb und damit
stärker
transparenter erscheint die Probe. Das optische Erscheinungsbild
der Proben ist transparent (opaleszierend).
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Die
erfindungsgemäß einzusetzenden
statistischen Copolymere zeigen vorzugsweise ein Gewichtsverhältnis von
Struktureinheiten mit hydrophoben Resten zu Struktureinheiten mit
hydrophilen Resten in den statistischen Copolymeren das im Bereich
1:10 bis 500:1, vorzugsweise im Bereich 1:1 bis 100:1 und insbesondere
bevorzugt im Bereich 7:3 bis 10:1 liegt. Das gewichtsmittlere Molgewicht
der statistischen Copolymere liegt üblicherweise im Bereich von
M
W = 1000 bis 1 000 000 g/mol, vorzugsweise
im Bereich von 1 500 bis 100 000 g/mol und insbesondere bevorzugt
im Bereich 2 000 bis 40 000 g/mol. Entsprechende Polymere werden in
PCT/EP 2004/014389 beschrieben.
Die entsprechende Offenbarung der
PCT/EP
2004/014389 gehört
ausdrücklich
zum Inhalt der vorliegenden Anmeldung.
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Es
hat sich dabei gezeigt, dass insbesondere Copolymere, welche der
Formel I entsprechen, wobei
X und Y den Resten üblicher
nichtionischer oder ionischer Monomere entsprechen und
R
1 steht für
Wasserstoff oder eine hydrophobe Seitengruppe, vorzugsweise ausgewählt aus
den verzweigten oder unverzweigten Alkylresten mit mindestens 4
Kohlenstoffatomen bei denen ein oder mehrere, vorzugsweise alle
H-Atome durch Fluor-Atome ersetzt sein können, und R
2 steht
für eine
hydrophile Seitengruppe, die vorzugsweise einen Amino-, Ammonium-,
Phosphonat-, Sulfonat-, Polyol- oder Polyether-Rest aufweist, ran bedeutet,
dass die Wiederholungseinheit in zufälliger Abfolge in dem Polymer
vorkommt,
und wobei innerhalb eines Moleküls -X-R
1 und
-Y-R
2 jeweils mehrere verschiedene Bedeutungen
haben können,
die erfindungsgemäßen Anforderungen
in besonderer Weise erfüllen.
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Insbesondere
bevorzugt sind erfindungsgemäß solche
Polymere, bei denen R2 für eine Polyethylenoxidkette
steht.
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Dabei
sind solche Polymere gemäß Formel
I wiederum besonders bevorzugt, bei denen X und Y unabhängig voneinander
stehen für
-O-, -C(=O)-O-, -C(=O)-NH-, -(CH2)n-, Phenylen oder Pyridiyl.
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Weiter
lassen sich Polymere bei denen mindestens eine Struktureinheit mindestens
ein quarternäres Stickstoffatom
enthält,
wobei R2 vorzugsweise steht für eine Seitengruppe
-(CH2)m-(N+(CH3)2)-(CH2)n-SO3 – oder eine
Seitengruppe -(CH2)m-(N+(CH3)2)-(CH2)n-PO32–,
wobei m steht für
eine ganze Zahl aus dem Bereich von 1 bis 30, vorzugsweise aus dem
Bereich 1 bis 6, insbesondere bevorzugt 2, und n steht für eine ganze
Zahl aus dem Bereich von 1 bis 30, vorzugsweise aus dem Bereich
1 bis 8, insbesondere bevorzugt 3, vorteilhaft einsetzen.
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In
ganz besonders bevorzugter Weise handelt es sich bei den Copolymeren
um amphiphile Copolymere auf Basis von 2-Ethylhexylmethacrylat und Polyethylenglycolmethacrylat.
Dabei beträgt
das Verhältnis von
Ethylhexylmethacrylat zu Polyethylenglycolmethacrylat 99:1 bis 60:40,
insbesondere 98:2 bis 85:15.
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Die
genannten Copolymere lassen sich nach folgendem Schema herstellen:,
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Dabei
werden die gewünschten
Mengen von Ethylhexylmethacrylat (EHMA) und Polyethylenglycolmethacrylat
(PEGMA) nach bekannten Verfahren, vorzugsweise radikalisch in Toluol,
beispielsweise durch AIBN-Zusatz
copolymerisiert.
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Weiterhin
bevorzugt handelt es sich bei den Copolymeren um Terpolymere bestehend
aus den Monomeren 2-(Ethylhexyl)methacrylat (EHMA), Poly(ethylenglycol)methacrylat
(PEOMA) und 2-(Dimethylaminoethyl)methacrylat
(DMAMA). Die Synthese erfolgt mittels einer freien radikalischen
Polymerisation in Toluol wobei AIBN als Initiator sowie Mercaptoethanol
als Kettenüberträger dienen:
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Alternative,
bevorzugt einzusetzende Copolymere können Styrol, Vinylpyrrolidon,
Vinylpyridin, halogeniertes Styrol oder Methoxystyrol enthalten,
wobei diese Beispiele keine Einschränkung darstellen. In einer
anderen ebenfalls bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung werden Polymere verwendet, die dadurch gekennzeichnet
sind, dass mindestens eine Struktureinheit ein Oligo- oder Polymer,
vorzugsweise ein Makromonomer ist, wobei Polyether, Polyolefine
und Polyacrylate als Makromonomere insbesondere bevorzugt sind.
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Geeignete
Partikel werden ausgewählt
aus der Gruppe umfassend hydrophile und hydrophobe, insbesondere
hydrophile Partikel, insbesondere Nanopartikel, auf der Basis von
Oxiden, Hydroxiden, Sulfiden, Sulfaten, Carbonaten von Silizium,
Titan, Zink, Aluminium, Cer, Cobalt, Chrom, Nickel, Eisen, Yttrium
und/oder Zirkonium, oder mit Oxiden bzw. Hydroxiden von Silizium
beschichteten Metallen, wie beispielsweise Ag, Cu, Fe, Au, Pd, Pt
oder Legierungen. Die Partikel auf Basis von Oxiden, Hydroxiden,
Sulfiden, Sulfaten, Carbonaten von Titan, Zink, Aluminium, Cer,
Cobalt, Chrom, Nickel, Eisen, Yttrium und/oder Zirkonium können optional mit
Oxiden bzw. Hydroxiden von Silizium beschichtet sein. Die einzelnen
Oxide können
auch als Gemische vorliegen. Vorzugsweise weisen die Partikel eine
mittlere Teilchengröße, bestimmt
mittels eines Malvern ZETASIZER (dynamischer Lichtstreuung) bzw.
Transmissionselektronenmikroskop, von 3 bis 200 nm, insbesondere
von 20 bis 80 nm und ganz besonders bevorzugt von 30 bis 50 nm auf.
In speziellen ebenfalls bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung ist die Verteilung der Teilchengrößen eng, d.h. die Schwankungsbreite
beträgt
weniger als 100 % des Mittelwertes, insbesondere bevorzugt maximal
50 % des Mittelwertes (nach Partikelverteilungsfunktion, bestimmt
durch dynamische Lichtstreuung). Besonders bevorzugt werden Nanopartikel
auf der Basis von Siliziumdioxid verwendet.
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Bevorzugt
werden auch Nanohektorite, die beispielsweise von der Firma Südchemie
unter der Marke Optigel® oder von der Firma Laporte
unter der Marke Laponite® vertrieben werden, verwendet.
Weiterhin sind auch Kieselsole (SiO2 in
Wasser), hergestellt aus ionengetauschtem Wasserglas, besonders
bevorzugt.
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Die
Verwendung von oberflächenmodifizierten
anorganischen Partikeln, entweder in Form einer Dispersion oder
als getrocknete Partikel gemäß der vorliegenden
Erfindung zur Einarbeitung in Polymere, Lacke und Farben ist ebenfalls
Gegenstand der vorliegenden Erfindung.
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Die
Einarbeitung in Polymere und Lacke kann durch übliche Methoden zur Herstellung
von Polymerzubereitungen erfolgen. Beispielsweise kann das Polymermaterial
mit erfindungsgemäßen Nanopartikeln,
vorzugsweise mit den getrockneten Partikeln, vorzugsweise in einem
Extruder oder Kneter, vermischt werden sowie durch Mischen der Nanopartikel
mit den Polymerausgangskomponenten von 2K Lacksystemen in 2K Lacksysteme
eingearbeitet werden. Bevorzugte Polymere sind Polycarbonat (PC),
Polyethylenterephthalat (PETP), Polyimid (PI), Polystyrol (PS),
Polymethylmethacrylat (PMMA), Polyolefine, bevorzugt Polybutadien und
Polyisopren und Copolymere, die mindestens einen Anteil eines der
genannten Polymere enthalten sowie 2K Lacksysteme, beispielsweise
umfassend Polyurethane.
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Ein
besonderer Vorzug der erfindungsgemäßen Partikel besteht dabei
darin, dass zur homogenen Verteilung der Partikel in dem Polymer
nur ein im Vergleich zu dem Stand der Technik geringer Energieeintrag erforderlich
ist.
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Dabei
kann es sich bei den Polymeren auch um Dispersionen von Polymeren,
wie beispielsweise Lacke handeln. Hier kann die Einarbeitung durch übliche Mischvorgänge erfolgen.
Insbesondere bei Farben und Lacken können die gemäß dem Verfahren
erhaltenen Dispersionen der erfindungsgemäßen Partikel in dem unpolaren
Lösungsmittel
vielfach direkt eingesetzt werden. Auf diese Weise kann ein zusätzlicher
Isolierungsschritt entfallen und die Herstellung des Lackes oder
der Farbe wird erleichtert.
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Weiter
eignen sich die erfindungsgemäßen Polymerzubereitungen
enthaltend die Nanopartikel insbesondere auch zur Beschichtung von
Oberflächen.
Oberflächen,
beschichtet mit Polymeren, Lacken und Farben enthaltend oberflächenmodifizierte
anorganische Partikel gemäß der vorliegenden
Erfindung, sind ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung.
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Die
nachfolgenden Beispiele sollen die Erfindung näher erläutern, ohne sie zu begrenzen.
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Beispiele:
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Beispiel 1:
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Materialien:
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Cyclohexan
(HPLC grade), n-Hexan (HPLC grade) und Ethanol (HPLC grade) werden
von Fisher Scientific erworben, n-Heptan (99%) von WTL und n-Octan
(99%+) von Acros. (2-Ethylhexyl)methacrylat (99%), 2,2'-Azobis(2-methyl-propionitrile) (AIBN)
als auch Mercaptoethanol werden von Acros erworben und (Polyethylenglycol)methacrylat
(M ~ 360 g/mol) von Sigma-Aldrich.
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(2-Ethylhexyl)methacrylat
wird über
CaH2 getrocknet und anschließend im
Vakuum destilliert. (Polyethylenglycol)methacrylat, AIBN und Mercaptoethanol
werden verwendet wie erhalten.
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Die
Synthese der Copolymere erfolgt durch radikalische Copolymerisation
von 2-(Ethylhexyl)methacrylat (EH MA) und (Polyethylenoxid)-methacrylat
(PEOMA). Hierzu werden das EHMA, das PEOMA, Mercaptoethanol sowie
Toluol vorgelegt und diese Lösung
entgast und anschließend
auf 70°C
erhitzt. Hierzu wird das AIBN, gelöst in 1/12 der Menge an Toluol,
zugegeben und anschließend
bei dieser Temperatur für
24 h gerührt.
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Sämtliche
Einwaagen sind in nachfolgender Tabelle aufgeführt.
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Nach
Abkühlen
der Lösung
auf Raumtemperatur wird das entstandene Copolymer in Methanol gefällt, die überstehende
Lösung
abdekantiert und der Rückstand,
unter vermindertem Druck getrocknet. Einwaagen der verschiedenen Ansätze:
Reaktand | I | II | III | IV | V |
EHMA | 5.08
g | 9.62
g | 9.09
g | 8.55
g | 4.54
g |
PEOMA
(M ~ 360 g/mol) | 0.48
g | 5.39
g | 2.91
g | 3.88
g | – |
PEOMA
(M ~ 526 g/mol) | – | – | – | – | 2.13
g |
Mercaptoethanol | 0.085
g | 0.132
g | 0.132
g | 0.132
g | 0.085
g |
AIBN | 0.033
g | 0.066
g | 0.066
g | 0.066
g | 0.033
g |
Toluol | 12.0
g | 24.0
g | 24.0
g | 24.0
g | 12.0
g |
Ausbeuten und Charakterisierung der Copolymere:
| I | II | III | IV | V |
Ausbeute | | 8.6
g | 6.1
g | 7.1
g | 1.3
g |
MW [g/mol] | – | 13000 | 14000 | 12000 | – |
PDI | – | 1.61 | 1.54 | 1.47 | – |
EHMA:PEOMA
(aus 1H-NMR) | 96:4 | 93:7 | 90:10 | 85:15 | 93:7 |
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Oberflächenmodifikation
mittels latent biphasischer ternärer
Lösungs
mittelsysteme:
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Die
gewählte
Menge des Copolymers (I-V), 300 mg, wird in 6 ml n-Heptan (bzw.
n-Hexan, Cyclohexan, Toluol) gelöst.
66 mg einer wässrigen
SiO2-Partikel-Dispersion
(Feststoffgehalt 30 Gew.-%, Partikelgröße: 15 nm) werden in 2 ml Ethanol
dispergiert. Die beiden Lösungen
werden miteinander für
30 Sekunden vermischt, wobei keine Phasentrennung auftritt, und
anschließend
für weitere
3 Minuten stehengelassen. Nach dieser Zeit werden 0.2 ml H2O zugegeben und die entstehende Mischung
durchmischt. Die durch Zugabe des H2O einsetzende
Phasentrennung wird durch Kühlung
der Mischung für
10 Minuten auf 0°C
beschleunigt.
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Anschließend lässt man
die Mischung auf RT erwärmen,
um die beiden Phasen voneinander zu trennen.
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Man
erhält
nicht aggregierte runde SiO2-Partikel innerhalb
der unpolaren Phase. Dynamische Lichtstreuung ergibt einen mittleren
hydrodynamischen Durchmesser von ca. 37 nm sowie eine enge, monomodale Größenverteilung.
Dies wird durch SEM Aufnahmen bestätigt, wobei sich hierbei ein
mittlerer Partikeldurchmesser von ca. 25 nm ergibt.
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Die
funktionalisierten Partikel sind in Lösung stabil, und verändern ihren
Durchmesser mit zunehmender Lebensdauer nicht. Des Weiteren sind
die erfindungsgemäßen Partikel
in dem für
die Synthese verwendeten Lösungsmittel
redispergierbar, da sich der hydrodynamische Radius nach erfolgter
Redispergierung nicht merklich von demjenigen vor der Redispergierung
unterscheidet.
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Beispiel 2:
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Die
Synthese der Terpolymere erfolgt durch radikalische Copolymerisation
von 2-(Ethylhexyl)methacrylat (EHMA), Poly(ethylenglycol)methacrylat
(PEOMA) und 2-(Dimethylaminoethyl)methacrylat (DMAMA). Hierzu werden
das EHMA, das PEOMA, das DMAMA, Mercaptoethanol sowie Toluol vorgelegt
und diese Lösung
entgast und anschließend
auf 70°C
erhitzt. Hierzu wird das AIBN, gelöst in 1/12 der Menge an Toluol, zugegeben
und anschließend
bei dieser Temperatur für
24 h gerührt.
Sämtliche
Einwaagen sind in nachfolgender Tabelle aufgeführt.
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Nach
Abkühlen
der Lösung
auf Raumtemperatur wird das entstandene Copolymer in Methanol gefällt, die überstehende
Lösung
abdekantiert und der Rückstand,
unter vermindertem Druck getrocknet. Einwaagen der verschiedenen Ansätze:
| Terpolymer
I | Terpolymer
II |
| M
[g/mol]c) | n
[mmol]c) | m
[g]c) | M
[g/mol]c) | n
[mmol]c) | m
[g]c) |
EHMA | 198.30 | 20.00 | 3.966 | 198.30 | 20.00 | 3.966 |
PEOMA | 360 | 2.36 | 0.848 | 360 | 2.50 | 0.900 |
DMAMA | 157.21 | 1.18 | 0.185 | 157.21 | 2.50 | 0.393 |
AIBNa) | 164.21 | 0.17 | 0.027 | 164.21 | 0.18 | 0.029 |
Mercaptoethanolb) | 78.13 | 0.67 | 0.052 | 78.13 | 0.72 | 0.056 |
Toluol | 92.14 | 107 | 9.86 | 92.14 | 114 | 10.5 |
- a) Initiator
- b) Kettenübertragungsreagenz
- c) M = Molare Masse, n = Stoffmenge,
m = Masse
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Die
erhaltenen Terpolymere zeigen Molekulargewichte von 10600 g/mol
im Fall des Terpolymers I sowie 10300 g/mol im Falle des Terpolymers
II.
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Oberflächenmodifikation
mittels latent biphasischer ternärer
Lösungsmittelsysteme:
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300
mg des Terpolymers werden mit 240 mg einer SiO2-Partikel-Dispersion
(Feststoffgehalt 30 Gew.-%, Partikelgröße: 15 nm) in Wasser in dem
Lösungsmittelsystem
n-Heptan/Ethanol/H2O umgesetzt.
- Partikel
I: 300 mg Terpolymer I und 240 mg einer 30 Gew.-% SiO2-Partikel-Dispersion in H2O
- Partikel II: 300 mg Terpolymer II und 240 mg einer 30 Gew.-%
SiO2-Partikel-Dispersion
in H2O
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Herstellung von 2K-PU-Filmen mit darin
enthaltenen SiO2 Partikeln
-
Die
Herstellung der 2K-PU-Filme, mit darin enthaltenen modifizierten
SiO
2-Partikeln,
werden anhand zweier Beispiele näher
illustriert.
Beispiel
A: | 500
mg DP 680 BA |
| 140
mg DD N 3390 BA/SN |
| 100
mg Partikel II |
| 500
mg Butylacetat |
| |
Beispiel
B: | 500
mg DP 680 BA |
| 170
mg DD N 3390 BA/SN |
| 50
mg Partikel I |
| 500
mg Butylacetat |
- DP 680 A = Desmophen 680 BA (Hydroxylgruppenhaltiger
Polyester) = Polyolkomponente (Fa. Bayer, Deutschland)
- DD N 3390 BA/SN = Desmodur N 3390 BA/SN (Aliphatisches Polyisocyanat)
= Härterkomponente
(Fa. Bayer, Deutschland)
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In
beiden Fällen
werden homogen verteilte hydrophobisierte SiO2 Partikel
(Partikel I und II) innerhalb der PU Matrix erhalten. Dies kann
durch SEM (Scanning electron microscopy) Aufnahmen nachgewiesen
werden. Die Verwendung des dritten Comonomers DMAMA dient der verbesserten
Anbindung der hydrophobisierten Nanopartikel an die PU Matrix. Dies
wird dadurch erreicht, dass DMAMA in der Lage ist Wasserstoffbrückenbindungen,
aufgrund seiner Dimethylaminofunktion, mit der Polyurethanmatrix
auszubilden.
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Durch
die verbesserte Anbindung an die Matrix wird somit auch eine homogenere
Verteilung der Partikel innerhalb der Matrix erreicht, was wiederum
eine Vorraussetzung für
Transparenz ist.