DE102006062641A1

DE102006062641A1 - Stabile Dispersionen nanoskaliger Partikel

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Publication number: DE102006062641A1
Application number: DE102006062641A
Authority: DE
Inventors: Frank Ehlen; Stefan Dr. Faber; Martin Dr. Josl
Original assignee: LTN NANOVATION AG
Current assignee: LTN NANOVATION AG
Priority date: 2006-12-28
Filing date: 2006-12-28
Publication date: 2008-07-03
Also published as: WO2008080520A1

Abstract

Beschrieben wird ein Verfahren zur Herstellung einer stabilen Dispersion nanoskaliger Teilchen in einem flüssigen Dispersionsmedium, vorzugsweise mit einer mittleren Teilchengröße < 200 nm, insbesondere < 100 nm, wobei nanoskalige Primärpartikel in das Dispersionsmedium eingetragen werden und mindestens ein in wäßriger Lösung neutral oder basisch reagierender, polymerer Zusatzstoff zugegeben wird. Daneben wird eine stabile Dispersion beschrieben, die neben nanoskaligen, anorganischen Teilchen mit einer mittleren Teilchengröße < 200 nm, insbesondere < 100 nm, und einem Dispersionsmedium mindestens einen in wäßriger Lösung neutral oder basisch reagierenden, polymeren Zusatzstoff umfasst, sowie ein Substrat, das mit einer solchen Dispersion beschichtet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Dispersion nanoskaliger Teilchen in einem flüssigen Dispersionsmedium, nach einem solchen Verfahren herstellbare Dispersionen sowie die Verwendung solcher Dispersionen.
Schichten und Beschichtungen aus nanoskaligen Teilchen (kurz: Nanoteilchen) oder mit Anteilen an nanoskaligen Teilchen finden heute in vielen Bereichen Anwendung. Beispielhaft können hier nanoporöse Trennschichten in oder auf Filtermembranen, Beschichtungen von Substraten wie Rohre, Kessel etc. im Kraftwerksbereich oder Innenbeschichtungen von Backöfen zur rückstandsfreien Verbrennung von Ölen und Fetten bei niedrigen Temperaturen erwähnt werden.
In der Regel werden solche Schichten und Beschichtungen appliziert, indem eine Dispersion mit Nanoteilchen auf das jeweilige Substrat gesprüht, gestrichen oder durch Tauchen oder Fluten aufgebracht wird. Abhängig vom eingesetzten Bindersystem muß die aufgetragene Schicht oder Beschichtung lediglich noch getrocknet, gegebenenfalls auch bei erhöhter Temperatur noch ausgehärtet werden, was beispielsweise in einem Sinterschritt erfolgen kann.
Die Herstellung einer Dispersion mit Nanoteilchen ist allerdings häufig mit Schwierigkeiten verbunden. In der Regel werden zur Herstellung sogenannte Primärpartikel (nanoskalige Partikel mit definierter Ausgangsgröße) in ein flüssiges Dispersionsmedium eingebracht. Allerdings liegen die Primärpartikel im Dispersionsmedium in aller Regel nicht separiert und stabil vor, sondern neigen stattdessen dazu, unkontrolliert zu agglomerieren. Bei Primärpartikeln mit Partikelgrößen < 100 nm ist ein solches Verhalten die Regel. Es ist nicht ungewöhnlich, dass sich Primärpartikel in einem Dispersionsmedium zu Agglomeraten mit einer Größe von bis zu mehreren Mikrometern zusammenlagern. Derartige Agglomerationen sind meist irreversibel. Die Partikel lassen sich auch durch das Einbringen hoher Scherkräfte in das System in der Regel nicht wieder trennen.
Bislang ist es nicht gelungen, eine Agglomeration von Primärpartikeln in einem flüssigen Dispersionsmedium vollständig zu vermeiden oder zu kontrollieren. Es ist jedoch gelungen, die Agglomeration mittels geeigneter Zusätze zu begrenzen.
So ist es aus der DE 202 80 432 bekannt, die Oberfläche von Primärpartikeln durch Zusatz von Modifikatoren zu funktionalisieren bzw. zu modifizieren. Einer Agglomeration der Primärpartikel kann durch die Oberflächenmodifikation erfolgreich entgegengewirkt werden, was insbesondere auf sterische und/oder elektrostatische Mechanismen zurückgeführt wird.
Als Oberflächenmodifikator werden in der DE 202 80 432 bevorzugt anorganische Säuren wie Chlorwasserstoffsäure, β-Diketone, Isocyanate und organische Säuren oder Säurechloride eingesetzt. Besonders geeignet sind Oxacarbonsäuren, insbesondere Trioxadecansäure.
Das in der DE 202 80 432 beschriebene System weist jedoch auch Nachteile auf. So sind organische Säuren, insbesondere Oxacarbonsäuren, sehr teuer. In Einzelfällen kann der Preis des Oberflächenmodifikators den der anderen Komponenten sogar übersteigen.
Ein weitaus größeres Problem stellt sich insbesondere beim Beschichten korrodierbarer Substrate mit den aus der DE 202 80 432 bekannten Systemen. Beim Auftragen einer säurehaltigen Dispersion auf metallischen Oberflächen kann wegen des sauren pH-Werts der Dispersion Korrosion auftreten. Auf korrodierten Oberflächen haftet die aufgetragene Beschichtung nur schlecht und kann sich schon bei leichter mechanischer Belastung leicht ablösen. In der Folge können säurehaltige Dispersionen unter Umständen gar nicht verwendet werden oder es muss zumindest zusätzlich für Korrosionsschutz gesorgt werden. Letzteres kann beispielsweise durch vorherige aufwendige Emaillierung oder durch den Auftrag einer alternativen Schutzschicht (beispielsweise durch Phosphatierung oder Verzinkung) auf die Metalloberfläche erfolgen. Alternativ können der Dispersion auch Korrosionsinhibitoren zugesetzt werden, was die Dispersion zusätzlich verteuert.
Es besteht entsprechend ein großer Bedarf an Dispersionen mit Nanoteilchen, die sich auch zur Herstellung von Schichten oder Beschichtungen auf korrodierbaren Substraten, insbesondere auf Substraten aus Gußeisen, Stahl, Kupfer, Aluminium und Messing, eignen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist entsprechend die Bereitstellung einer möglichst universal einsetzbaren Dispersion nanoskaliger Teilchen, die sich insbesondere auch zur Herstellung von Beschichtungen auf korrodierbaren Substraten eignet. Die Dispersion soll einen mög lichst geringen Anteil an unkontrolliert gebildeten Agglomeraten aufweisen und die Nanoteilchen sollen in ihr möglichst homogen und gleichmäßig verteilt vorliegen. Dies soll insbesondere auch bei hohen Füllgraden (Feststoffgehalten) der Fall sein.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie die Dispersion mit den Merkmalen des Anspruchs 19 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 18 beschrieben, bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Dispersion finden sich in den Ansprüchen 20 bis 23. Die Verwendung einer erfindungsgemäßen Dispersion ist in den Ansprüchen 24 und 25 definiert. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird hiermit durch Bezugnahme zum Inhalt dieser Beschreibung gemacht.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren eignet sich zur Herstellung einer Dispersion nanoskaliger Teilchen in einem flüssigen Dispersionsmedium, insbesondere zur Herstellung von Dispersionen mit nanoskaligen Teilchen mit einer Teilchengröße < 200 nm, insbesondere < 100 nm. Es zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass dem flüssigen Dispersionsmedium neben nanoskaligen Primärpartikeln mindestens ein polymerer Zusatzstoff zugegeben wird, der vorzugsweise (im Gegensatz zu den aus der DE 202 80 432 bekannten Zusätzen) in wässriger Lösung im wesentlichen neutral oder basisch reagiert.
Vorzugsweise wird nach und/oder während der Zugabe die Mischung aus den nanoskaligen Primärpartikeln, dem mindestens einen polymeren Zusatzstoff und dem Dispersionsmedium durchmischt und homogenisiert.
Als polymerer Zusatzstoff wird bevorzugt ein acrylsäurebasiertes Polymer, insbesondere ein Polyacrylat, eingesetzt. Acrylsäurebasierte Poly mere, insbesondere Polyacrylate, sind in großen Mengen leicht erhältlich und im Vergleich zu organischen Säuren, insbesondere zu Oxacarbonsäuren, sehr billig.
Der Begriff „Primärpartikel" wurde eingangs bereits angesprochen. Unter diesem Begriff sollen vorliegend die Partikel verstanden werden, die als Ausgangsmaterial mit einer definierten Partikelgröße (bevorzugte Partikelgrößen sind nachfolgend definiert) in das flüssige Dispersionsmedium eingetragen werden.
Unter dem Begriff „nanoskalige Teilchen" sollen dagegen vorliegend die Teilchen verstanden werden, die nach Abschluss des erfindungsgemäßen Verfahrens in der fertigen Dispersion vorliegen. Die Oberflächen der nanoskaligen Teilchen sind mit dem polymeren Zusatzstoff modifiziert. Da sich, wie eingangs ausgeführt, eine Agglomeration von Primärpartikeln in der Praxis niemals vollständig unterbinden lässt, sind die nanoskaligen Teilchen in der fertigen Dispersion in der Regel immer größer als die eingesetzten Primärteilchen. Anders ausgedrückt, der Begriff „Teilchen" wird vorliegend für kleine Agglomerate aus Primärpartikeln verwendet, die allerdings nicht unkontrolliert angewachsen sind, sondern nur bis zu einer bestimmten bevorzugten Größe im nanoskaligen Bereich, wie sie nachstehend definiert ist.
Mit „nanoskalig" sind vorliegend allgemein Teilchen und Primärpartikelmit einer Größe von unter 1 μm, vorzugsweise unter 500 nm, gemeint. Besonders bevorzugt liegt die Größe der nanoskaligen Teilchen vorliegend, wie oben erwähnt, im Bereich von < 200 nm, insbesondere < 100 nm.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren können Dispersionen hergestellt werden, in denen die nanoskaligen Teilchen homogen verteilt sind und auch über einen längeren Zeitraum sehr stabil vorliegen, also ihre Größe im wesentlichen beibehalten. Sedimentation tritt in stabilen, gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Dispersionen allenfalls in sehr geringem Maß auf. Vermutlich wirken, bedingt durch die Oberflächenmodifikation, elektrosterische Effekte der van der Waals Anziehung zwischen benachbarten Teilchen entgegen, so dass ein weiteres Anwachsen (Agglomeration) der Nanoteilchen im Dispersionmedium verhindert wird. Darüber hinaus werden dadurch lokale Konzentrationsverdichtungen unterbunden.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird bei der Herstellung einer Dispersion die Größe der nanoskaligen Teilchen gezielt auf einen vordefinierten Wert eingestellt. Es wurde nämlich überraschenderweise gefunden, dass die Größe der resultierenden nanoskaligen Teilchen in der Dispersion in Abhängigkeit zu den Eigenschaften des zugegebenen mindestens einen Zusatzstoffs, insbesondere des acrylsäurebasierten Polymers, steht. Es ist also möglich, durch Auswahl der Eigenschaften des mindestens einen Zusatzstoffs, insbesondere des acrylsäurebasierten Polymers, die resultierende Teilchengröße in der Dispersion gezielt zu beeinflussen. Mit anderen Worten, die Agglomeration der Primärpartikel im Dispersionsmedium ist über die Auswahl des zugegebenen mindestens einen Zusatzstoffs, insbesondere des acrylsäurebasierten Polymers, steuerbar.
Insbesondere wurde gefunden, dass eine Korrelation zwischen dem mittleren Molekulargewicht des zugegebenen mindestens einen polymeren Zusatzstoffs, insbesondere des acrylsäurebasierten Polymers, und der resultierenden Teilchengröße der nanoskaligen Teilchen in der Dispersion besteht.
Demnach führt insbesondere die Zugabe von acrylsäurebasierten Polymeren mit vergleichsweise hohem mittleren Molekulargewicht in der Regel auch zu größeren nanoskaligen Teilchen in der Dispersion. Gleiches gilt auch umgekehrt, so dass durch Zugabe von acrylsäurebasierten Polymeren mit vergleichsweise niedrigem mittleren Molekulargewicht in der Regel auch kleinere Nanoteilchen in der Dispersion erhalten werden. So kann auf besonders einfache und elegante Art durch bloße Variation des mittleren Molekulargewichts des zugegebenen polymeren Zusatzstoffs eine Dispersion mit Teilchen mit vordefinierbarer Größe hergestellt werden.
Die vordefinierbare Teilchengröße liegt dabei insbesondere bei Werten < 200 nm, insbesondere < 100 nm.
Die gezielte Einstellung der Größe der nanoskaligen Teilchen durch Verwendung eines Zusatzstoffs mit bestimmten Eigenschaften wie insbesondere einem definierten mittleren Molekulargewicht kann insbesondere zur Einstellung definierter rheologischer Eigenschaften der Dispersion dienen, da diese von der Größe der nanoskaligen Teilchen (neben anderen Faktoren wie insbesondere dem Feststoffgehalt der Dispersion, der materiellen Beschaffenheit der nanoskaligen Teilchen und der Zusammensetzung des Dispersionsmittels) unmittelbar beeinflusst werden. Die rheologischen Eigenschaften einer Dispersion sind vor allem im Hinblick auf die Verarbeitbarkeit und die Handhabbarkeit einer Dispersion von großer Bedeutung.
Als nanoskalige Primärpartikel kommen in einem erfindungsgemäßen Verfahren insbesondere anorganische Partikel mit einer Partikelgröße < 50 nm, vorzugsweise < 20 nm, zum Einsatz. Besonders bevorzugt weisen die Primärpartikel Größen zwischen 5 nm und 20 nm auf.
Erfindungsgemäß ist es bevorzugt, dass als polymerer Zusatzstoff ein acrylsäurebasiertes Polymer mit einem mittleren Molekulargewicht zwischen 500 g/mol und 8.000 g/mol zugegeben wird. In diesem Bereich sind mittlere Molekulargewichte zwischen 2.000 g/mol und 6.000 g/mol weiter bevorzugt.
Es ist erfindungsgemäß bevorzugt, dass das acrylsäurebasierte Polymer als Salz zugegeben wird, besonders bevorzugt als Alkali-, Erdalkali- oder Ammoniumsalz.
In Weiterbildung ist es bevorzugt, dass das acrylsäurebasierte Polymer als Natrium-, Kalium-, Calzium- oder Ammoniumsalz zugegeben wird.
Besonders bevorzugt handelt es sich bei dem acrylsäurebasierten Polymer um ein Acrylsäure-Homopolymer. In weiteren Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es jedoch auch bevorzugt sein, dass es sich bei dem acrylsäurebasierten Polymer um ein Copolymer handelt.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als polymerer Zusatzstoff das Natriumsalz eines Acrylsäure-Homopolymers mit einem mittleren Molekulargewicht zwischen 3.300 g/mol und 3.700 g/mol, insbesondere mit ca. 3.500 g/mol, zugegeben. Ausgehend von Primärpartikeln aus Zirkoniumdioxid mit einer Partikelgröße zwischen 5 nm und 20 nm können unter Verwendung dieses polymeren Zusatzstoffs Dispersionen mit nanoskaligen Teilchen mit einer Teilchengröße von ca. 50 bis 60 nm reproduzierbar erhalten werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als polymerer Zusatzstoff das Ammoniumsalz eines Acrylsäure-Homopolymers mit einem mittleren Molekulargewicht zwischen 2.900 g/mol und 3.300 g/mol, insbesondere mit einem mittleren Molekulargewicht von ca. 3.100 g/mol, zugegeben. Ausgehend von Primärpartikeln auf Basis von Zirkoniumdioxid mit einer Partikelgröße zwischen 5 nm und 20 nm können so Dispersionen mit Nanoteilchen mit einer Teilchengröße von ca. 25 nm reproduzierbar hergestellt werden.
Als nanoskalige Primärpartikel werden im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens besonders bevorzugt keramische Partikel verwendet.
Grundsätzlich sind Partikel aus Oxiden, Carbiden, Nitriden sowie auch Partikelmischungen aus den genannten Verbindungen hervorragend zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen Verfahren geeignet.
Besonders bevorzugt werden Primärpartikel aus oxidischen Verbindungen verwendet, insbesondere Primärpartikel aus ZrO₂, Fe₂O₃, TiO₂ und/oder Al₂O₃.
Als Dispersionsmedium eigenen sich erfindungsgemäß insbesondere polare Medien wie Wasser, Alkohole oder Tetrahydrofuran. Grundsätzlich kann das Dispersionsmedium auch aus Mischungen unterschiedlicher Komponenten bestehen, insbesondere aus Mischungen der genannten polaren Komponenten. Besonders bevorzugt besteht das Dispersionsmedium im wesentlichen aus Wasser, dessen pH-Wert vorzugsweise zwischen 4 und 12, insbesondere zwischen 6 und 12, eingestellt ist. Das Dispersionsmedium kann dabei in bevorzugten Ausführungsformen gepuffert sein. In Weiterbildung liegt der pH-Wert bevorzugt oberhalb von 7, insbesondere zwischen 8 und 10.
Es ist bevorzugt, dass der polymere Zusatzstoff dem Dispersionsmedium in einer Menge zugegeben wird, so dass sein Anteil in der Dispersion zwischen 0,5 Gew.-% und 20 Gew.-%, vorzugsweise zwischen 0,5 Gew.-% und 10 Gew.-%, insbesondere zwischen 0,5 Gew.-% und 5 Gew.-%, liegt (alle Gewichtsangaben beziehen sich auf den reinen Zusatzstoff). Der konkrete Wert ist insbesondere abhängig von dem Anteil der Primärpartikel im Dispersionsmedium sowie insbesondere auch von der Größe der Primärpartikel und damit verbunden von der Größe der zu modifizierenden Oberfläche. Werden Primärpartikel in einem Anteil von ca. 40 Gew.-% sowie mit der oben angegebenen bevorzugten Partikelgröße zwischen 5 nm und 20 nm eingesetzt, so beträgt der Anteil an polymerem Zusatzstoff in der Dispersion vorzugsweise zwischen 0,5 Gew.-% und 8 Gew.-%.
Es wurde bereits erwähnt, dass es bevorzugt ist, nach und/oder während der Zugabe der Primärpartikel und des polymeren Zusatzstoffs die entstehende Mischung zu durchmischen und zu homogenisieren. Zusätzlich oder stattdessen kann es bevorzugt sein, die Mischung aus dem Dispersionsmedium, den nanoskaligen Primärpartikeln und dem mindestens einen polymeren Zusatzstoff mechanisch zu behandeln, insbesondere einem Mahlvorgang zu unterwerfen. Dies ist insbesondere dann wichtig, wenn Dispersionen mit einem besonders hohen Feststoffgehalt hergestellt werden sollen. Durch die mechanische Behandlung wird Scherenergie in die Mischung eingebracht, was wesentlich dazu beitragen kann, eine Agglomeration während der Herstellung der Dispersion zu vermeiden. Besonders bevorzugt findet die mechanische Behandlung beispielsweise in einer Kugelmühle statt.
In der Regel stellt sich während der mechanischen Behandlung ein Gleichgewicht betreffend die Teilchengröße der entstehenden nanoskaligen Teilchen ein, die sich dann auch bei fortgesetzter mechanischer Behandlung im wesentlichen nicht mehr verändert.
Auch eine Dispersion mit nanoskaligen, anorganischen Teilchen mit einer Teilchengröße < 200 nm, insbesondere < 100 nm, einem Dispersionsmedium und mindestens einem in wässriger Lösung neutral oder basisch reagierenden, polymeren Zusatzstoff ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung.
Eine erfindungsgemäße Dispersion ist insbesondere gemäß dem oben beschriebenen Verfahren hergestellt oder herstellbar. Wie oben bereits erwähnt, zeichnet sich eine erfindungsgemäße Dispersion durch eine große Stabilität aus. In ihr enthaltene nanoskalige Teilchen liegen feindispers verteilt vor und agglomerieren und/oder sedimentieren auch über einen längeren Zeitraum nicht.
Besonders bevorzugt weist die erfindungsgemäße Dispersion Nanopartikel in monomodaler Verteilung auf.
An dieser Stelle bietet es sich an, die in der vorliegenden Anmeldung angegebenen Angaben betreffend die Größen der Primärpartikel und die Größen der nanoskaligen Teilchen in der erfindungsgemäßen Dispersion näher zu definieren.
Alle Größenangaben betreffend die Primärpartikel beziehen sich auf Werte, die mittels röntgendiffraktrometrischer Messungen (XRD) gewonnen wurden. Die angegebenen Werte sind mittlere Teilchengrößen.
Alle Größenangaben betreffend die nanoskaligen Teilchen in der Dispersion beziehen sich auf Werte, die mittels Lichtstreungsexperimenten gewonnen wurden und sind d50-Werte (d. h. 50% der Teilchen sind maximal so groß), soweit nichts anderes angegeben ist.
Wie bereits erwähnt wurde, handelt es sich bei dem mindestens einen polymeren Zusatzstoff vorzugsweise um ein acrylsäurebasiertes Polymer, insbesondere um ein Polyacrylat. Bevorzugte Ausführungsformen des polymeren Zusatzstoffs, insbesondere des acrylsäurebasierten Polymers, wurden im Rahmen der Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens bereits näher definiert. Auf die entsprechenden Beschreibungsteile wird zur Vermeidung von Wiederholungen verwiesen und hiermit ausdrücklich Bezug genommen.
Gleiches gilt auch für die weiteren Bestandteile der erfindungsgemäßen Dispersion, insbesondere für die in der Dispersion enthaltenen nanoskaligen Teilchen, deren bevorzugte Beschaffenheit mit der der oben beschriebenen Primärpartikel identisch ist, sowie das verwendete Dispersionsmedium.
Besonders bevorzugt ist eine erfindungsgemäße Dispersion, wenn sie nanoskalige Teilchen mit Partikelgrößen < 50 nm aufweist.
Der Feststoffgehalt einer erfindungsgemäßen Dispersion kann grundsätzlich bis zu ca. 60 Gew.-% betragen. Der bevorzugte Feststoffgehalt ist insbesondere abhängig vom jeweiligen Anwendungsfall, so z. B. ob die Dispersion in sprühbarer oder nur in streichfähiger Form vorliegen soll. In der Regel sind Feststoffgehalte von ca. 40 Gew.-% besonders bevorzugt.
Eine erfindungsgemäße Dispersion kann auch Pigmente, insbesondere Schwarzpigmente, aufweisen. Eine erfindungsgemäße Dispersion mit Pigmenten führt bei der Herstellung von farbigen Beschichtungen zu einer verbesserten Farbgebung (es erfolgt eine Angleichung des Zeta-Potentials der Dispersion an das der eingesetzten Farbpigmente, diese führt zu einer Verschiebung des isoelektrischen Punkts in den Bereich um pH 2–3, was zu einer erhöhten Stabilität der Pigmente im basischen Bereich führt) sowie zu einer höheren Schichtfestigkeit.
Eine erfindungsgemäße Dispersion zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass sie sich auch auf korrodierbare Substrate auftragen läßt, ohne dass dabei Korrosion entsteht. Dies ist insbesondere darauf zurückzuführen, dass die erfindungsgemäße Dispersion keinen sauren Zusatzstoff enthält. Sie ist damit im Gegensatz zu aus dem Stand der Technik bekannten Dispersionen vergleichsweise universell einsetzbar.
Entsprechend wird auch die Verwendung einer erfindungsgemäßen Dispersion zur Herstellung einer Schicht oder Beschichtung, insbesondere auf einem korrodierbaren Substrat, von der vorliegenden Erfindung umfaßt.
Die erfindungsgemäße Dispersion kann unmittelbar zur Herstellung einer Schicht oder Beschichtung eingesetzt werden. In der Regel ist es aber bevorzugt, die erfindungsgemäße Dispersion zusammen mit weiteren Materialien (insbesondere keramischen Materialien) wie beispielsweise gröberen Füllstoffen oder Fasern zu verarbeiten. In Mischungen mit solchen weiteren Materialien kann eine erfindungsgemäße Dispersion als Binder fungieren.
Entsprechend wird auch die Verwendung einer erfindungsgemäßen Dispersion als Binder von der vorliegenden Erfindung erfasst. Die Bindung gröberer Partikel mit einer erfindungsgemäßen Dispersion kann beispielsweise analog zu den in der DE 102 20 086 beschriebenen Vorgehensweisen erfolgen. So lassen sich in Abhängigkeit von den verwendeten zu bindenden Materialien und der Beschaffenheit der als Binder eingesetzten erfindungsgemäßen Dispersion z. B. Schichten, Beschichtungen oder Formkörper mit definierter Porosität herstellen.
Die Sintereigenschaften einer solchen Schicht oder Beschichtung oder eines solchen Formkörpers werden im übrigen wesentlich auch durch die Größe der nanoskaligen Teilchen der als Binder eingesetzten Dispersion beeinflusst. Da diese durch Variation des mindestens einen polymeren Zusatzstoffs gezielt eingestellt werden kann, was oben bereits beschrieben wurde, lassen sich also indirekt auch die Sintereigenschaften durch Variation des mindestens einen polymeren Zusatzstoffs gezielt einstellen.
Insbesondere eignet sich eine erfindungsgemäße Dispersion zur Herstellung der eingangs genannten nanoporösen Trennschichten in oder auf Filtermembranen, zur Beschichtung von Substraten wie Rohren, Kokillen, Kesseln etc. im Kraftwerksbereich oder zur Herstellung von Innenbeschichtungen in Backöfen.
Auch im Rahmen der erfindungsgemäßen Verwendungen wird im Hinblick auf die Beschaffenheit der verwendeten Dispersion auf Beschreibungsteile, in denen die erfindungsgemäße Dispersion bereits definiert wurde, zur Vermeidung von Wiederholungen verwiesen und ausdrücklich Bezug genommen.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen in Verbindung mit den Unteransprüchen. Hierbei können die einzelnen Merkmale jeweils für sich oder zu mehreren in Kombination miteinander bei einer Ausführungsform der Erfindung verwirklicht sein. Die beschriebenen besonders bevorzugten Ausführungsformen dienen lediglich zur Erläuterung und zum besseren Verständnis der Erfindung und sind in keiner Weise einschränkend zu verstehen.
Beispiele
(1) Herstellung einer basischen nano-ZrO₂-Dispersion:
Es werden 50,2 g Wasser (destilliert) vorgelegt. Unter Rühren werden 11,6 g eines eines Ammoniumsalzes eines Acrylsäure-Homopolymers (reines Acrylsäurepolymer) mit einem mittleren Molekulargewicht von 3100 g/mol und 38,2 g nanoskaliges ZrO₂ Pulver (Hersteller ItN Nanovation AG) mit einer Partikelgröße von ca. 10 nm (bestimmt über Röntgendiffraktometrie) zugeben. Die Mischung wird 12 Stunden mit einem Dissolver gerührt.
Die weitere Dispergierung der ZrO₂-Partikel erfolgt mit Hilfe einer Kugelmühle (ZrO₂-Mahlperlen mit einem Durchmesser von 0,3 mm bis 0,4 mm, 60–70% Füllgrad der Mahlkammer) bei einem Energieeintrag von etwa 5 kWh/kg ZrO₂-Pulver.
Nach 43 h Mahlen wurden mittels Lichtstreuung (mit dem Gerät UPA 150 der Firma Grimm/Microtrac) die folgenden Teilchengrößen in der Dispersion gemessen:
Num: d50 = 24 nm, d90 = 35 nm
Nach 84 h Mahlen wurden mittels Lichtstreuung (mit dem Gerät UPA 150 der Firma Grimm/Microtrac) die folgenden Teilchengrößen in der Dispersion gemessen:
Num: d50 = 25 nm, d90 = 37 nm
(2) Herstellung einer weiteren basischen nano-ZrO₂-Dispersion:
Es werden 50,2 g Wasser (destilliert) vorgelegt. Unter Rühren werden 11,6 g eines eines Ammoniumsalzes eines Acrylsäure-Homopolymers (reines Acrylsäurepolymer) mit einem mittleren Molekulargewicht von 3500 g/mol und 38,2 g nanoskaliges ZrO₂ Pulver (Hersteller ItN Nanovation AG) mit einer Partikelgröße von ca. 10 nm (bestimmt über Röntgendiffraktometrie) zugeben. Die Mischung wird 12 Stunden mit einem Dissolver gerührt.
Die weitere Dispergierung der ZrO₂-Partikel erfolgt mit Hilfe einer Kugelmühle (ZrO₂-Mahlperlen mit einem Durchmesser von 0,3 mm bis 0,4 mm, 60–70% Füllgrad der Mahlkammer) bei einem Energieeintrag von etwa 5 kWh/kg ZrO₂-Pulver.
Nach 43 h Mahlen wurden mittels Lichtstreuung (mit dem Gerät UPA 150 der Firma Grimm/Microtrac) die folgenden Teilchengrößen in der Dispersion gemessen:
Num: d50 = 58 nm
(3) Herstellung einer dritten basischen nano-ZrO₂-Dispersion:
Es werden 50,2 g Wasser (destilliert) vorgelegt. Unter Rühren werden 11,6 g eines eines Ammoniumsalzes eines Acrylsäure-Homopolymers (reines Acrylsäurepolymer) mit einem mittleren Molekulargewicht von 5000 g/mol und 38,2 g nanoskaliges ZrO₂ Pulver (Hersteller ItN Nanovation AG) mit einer Partikelgröße von ca. 10 nm (bestimmt über Röntgendiffraktometrie) zugeben. Die Mischung wird 12 Stunden mit einem Dissolver gerührt.
Die weitere Dispergierung der ZrO₂-Partikel erfolgt mit Hilfe einer Kugelmühle (ZrO₂-Mahlperlen mit einem Durchmesser von 0,3 mm bis 0,4 mm, 60–70% Füllgrad der Mahlkammer) bei einem Energieeintrag von etwa 5 kWh/kg ZrO₂-Pulver.
Nach 43 h Mahlen wurden mittels Lichtstreuung (mit dem Gerät UPA 150 der Firma Grimm/Microtrac) die folgenden Teilchengrößen in der Dispersion gemessen:
Num: d50 = 85 nm
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 20280432 [0006, 0007, 0008, 0009, 0013]
- DE 10220086 [0053]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Dispersion nanoskaliger Teilchen, bei dem nanoskalige Primärpartikel in ein flüssiges Dispersionsmedium eingetragen werden, dadurch gekennzeichnet, dass dem Dispersionsmedium mindestens ein in wässriger Lösung neutral oder basisch reagierender, polymerer Zusatzstoff zugegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als polymerer Zusatzstoff ein acrylsäurebasiertes Polymer, insbesondere ein Polyacrylat, zugegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilchengröße der nanoskaligen Teilchen in der Dispersion durch gezielte Auswahl der Eigenschaften des mindestens einen Zusatzstoffs, insbesondere des acrylsäurebasierten Polymers, auf einen vordefinierbaren Wert eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilchengröße der nanoskaligen Teilchen in der Dispersion durch gezielte Auswahl des mittleren Molekulargewichts des mindestens einen Zusatzstoffs auf einen vordefinierbaren Wert eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 3 oder Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilchengröße auf einen Wert < 200 nm, insbesondere < 100 nm, eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Primärpartikel anorganische Partikel mit einer Partikelgröße < 50 nm, vorzugsweise < 20 nm, insbesondere zwischen 5 nm und 20 nm, zugegeben werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Zusatzstoff ein acrylsäurebasiertes Polymer mit einem mittleren Molekulargewicht zwischen 500 g/mol und 8000 g/mol, insbesondere zwischen 2000 g/mol und 6000 g/mol, zugegeben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das acrylsäurebasierte Polymer als Salz zugegeben wird, insbesondere als Alkali-, Erdalkali- oder Ammoniumsalz.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das acrylsäurebasierte Polymer als Natrium-, Kalium-, Calzium- oder Ammoniumsalz zugegeben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass als acrylsäurebasiertes Polymer ein Acrylsäure-Homopolymer zugegeben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass als acrylsäurebasiertes Polymer ein Copolymer zugegeben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass als acrylsäurebasiertes Polymer das Natriumsalz eines Acrylsäure-Homopolymers mit einem mittleren Molekulargewicht zwischen 3300 g/mol und 3700 g/mol, insbesondere mit ca. 3500 g/mol, zugegeben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass als acrylsäurebasiertes Polymer das Ammoniumsalz eines Acrylsäure-Homopolymers mit einem mittleren Molekulargewicht zwischen 2900 g/mol und 3300 g/mol, insbesondere mit ca. 3100 g/mol, zugegeben wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Primärpartikel keramische Partikel verwendet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Primärpartikel Partikel aus Oxiden, Carbiden, Nitriden und Mischungen daraus verwendet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Primärpartikel aus oxidischen Verbindungen verwendet werden, insbesondere Primärpartikel aus ZrO₂, Fe₂O₃, TiO₂ und/oder Al₂O₃.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Dispersionsmedium ein ein- oder mehrkomponentiges Dispersionsmedium, vorzugsweise ein Dispersionsmedium aus einer oder mehreren polaren Komponenten, insbesondere Wasser, verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischung aus dem Dispersionsmedium, den Primärpartikeln und dem mindestens einen Zusatzstoff mechanisch behandelt, insbesondere gemahlen, wird.
Dispersion, insbesondere hergestellt oder herstellbar nach einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfas send nanoskalige, anorganische Teilchen mit einer Teilchengröße < 200 nm, insbesondere < 100 nm, ein Dispersionsmedium und mindestens einen in wässriger Lösung neutral oder basisch reagierenden, polymeren Zusatzstoff.
Dispersion nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine polymere Zusatzstoff ein acrylsäurebasiertes Polymer, insbesondere ein Polyacrylat, ist
Dispersion nach einem der Ansprüche 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass die nanoskaligen Teilchen Teilchengrößen < 50 nm aufweisen.
Dispersion nach einem der Ansprüche 19 bis 21, gekennzeichnet durch einen Feststoffgehalt von ca. 30 Gew.-% bis 60 Gew.-%, insbesondere von ca. 40 Gew.-%.
Dispersion nach einem der Ansprüche 19 bis 22, enthaltend zwischen 0,5 Gew.-% und 20 Gew.-%, vorzugsweise zwischen 0,5 Gew.-% und 10 Gew.-%, insbesondere zwischen 0,5 Gew.-% und 5 Gew.-%, an polymerem Zusatzstoff.
Verwendung einer Dispersion nach einem der Ansprüche 19–23 zur Herstellung einer Schicht oder Beschichtung, insbesondere auf einem korrodierbaren Substrat.
Verwendung insbesondere nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Dispersion als Binder verwendet wird.