DE102009034187A1 - Waschstabile photokatalytische Textilbeschichtung - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung beschreibt waschstabile photokatalytische Textilbeschichtungen, die durch Doppelschichten bzw. Mischschichten eines Anatas-haltigen Nanosols und eines Epoxidgruppen-haltigen Polymers gebildet werden. Die so erhaltenen waschstabilen Textilien können als photoaktive Filter zur Beseitigung von Schadstoffen in Luft und Wasser eingesetzt werden.
Description
- Schadstoffe in Luft und Wasser beeinträchtigen die Lebensqualität und gefährden die Gesundheit bei höherer und längerer Exposition. Daraus resultiert ein hoher Bedarf an effizienten und kostengünstigen Filter- und Aufbereitungsverfahren sowohl in der Industrie als auch im Privatbereich. Bedarf besteht neben der Luftreinigung besonders bei der Aufbereitung von Grundwässern, der weitergehenden Reinigung kommunaler Abwässer zwecks Wiederverwendung und der Detoxifizierung und Reinigung von Industrieabwässern.
- Als eine effektiv wirkende, energieautarke Variante gilt der photooxidative Abbau der organischen Schadstoffe durch Titandioxid in der Anatas-Modifikation. Seit ca. 20 Jahren ist bekannt, dass diese TiO2-Modifikation unter dem Einfluss von UV A Licht („Schwarzlicht”) bzw. Sonnenlicht in der Lage ist, toxische Substanzen an der Luft und im Wasser abzubauen (T. Watanabe, Photocatalytic Purification and Treatment of Water and Air, ed. D. Ollis and H. El-Akabi, Elsevier, New York 1993). Für die praktische Nutzung dieser Reaktion muss das Titandioxid auf Trägern immobilisiert werden, da die Abtrennung suspendierter TiO2-Partikel schwierig und kostenaufwändig ist. Dazu werden bislang vorrangig temperaturstabile anorganische Träger wie Glas, Aluminium oder Stahl verwendet. Diese anorganischen Träger ermöglichen es aufgrund ihrer Temperaturstabilität, das aus Lösung oder Gasphase abgeschiedene amorphe TiO2 durch eine nachträgliche Temperaturbehandlung bei T > 400°C in die photoaktive Anatas-Modifikation umgewandelt werden kann. Im Gegensatz dazu ist dieser Prozess mit den meisten textilen Substraten aufgrund deren geringeren Temperaturstabilität (bis 180°C) nicht realisierbar. Beispiele finden sich allerdings für photoaktive TiO2-Schichten auf Glasfasern, die zwischen 450°C und 650°C getempert werden können (
EP10085675 - Durch die Fortschritte der Sol-Gel-Technik ist es in den letzten Jahren möglich geworden, photoempfindliche Anatas-Nanosole bei Temperaturen unter 100°C herzustellen. Damit besteht die prinzipielle Möglichkeit, photoempfindliche TiO2-Schichten auch auf thermisch empfindlichen organischen Trägern wie Polymerfolien und Textilien zu erzeugen.
- Insbesondere die Beschichtung auf technischen Faserstoffen würde den Vorteil bieten, deren mechanischen Festigkeit mit gleichzeitiger Flexibilität und Drapierbarkeit und eine Durchströmbarkeit für Luft und Wasser zu vereinen und auf einfachem Wege die Herstellung photokatalytischer Wasserreinigungsanlagen zu ermöglichen, wie sie durch eine aufwändige flammenpyrolytische Abscheidung von photoaktiven TiO2 auf Polyester bereits vorgeschlagen wurden (
JP6285458 US2008031783 ) eingebettet, mit KunststoffdispersionenWO 200927432 JP1120695 CN1616752 ). Allerdings besitzen diese Methoden gravierende Nachteile: Die vollständige Einbettung der TiO2-Partikel verringert drastisch die photokatalytische Wirksamkeit, da nur die TiO2-Partikel an der Schichtoberfläche, die direkten Kontakt zum Schadstoff in der Luft bzw. Wasser haben, wirksam sind. Die Nutzung von superkritischem CO2 ist sehr geräte- und kostenaufwändig und löst das Haftproblem nur bedingt. - Nach dem Stand der Technik ergibt sich somit ein hoher Bedarf an photoaktiven Textilbeschichtungen, die eine hohe mechanische Stabilität und Photoaktivität mit einer hohen Waschstabilität verbinden und zu keiner photooxidativen Schädigung des textilen Substrates führen.
- Überraschenderweise konnte diese Aufgabe erfindungsgemäß durch Beschichtungen gelöst werden, die anatashaltige Nanosole (A) mit epoxidgruppen-haltigen Polymeren (B) kombinieren.
- Die Beschichtung kann in unterschiedlichen Varianten erzeugt werden:
- (a) Herstellung einer Doppelschicht: Zuerst erfolgt die Imprägnierung des Textils mit einer Lösung oder Dispersion des epoxidgruppen-haltigen Polymers (B). Zur Verbesserung der mechanischen Stabilität und Verbesserung der Barrierewirkung zur Vermeidung von photooxidativen Schädigungen des Textils kann das Polymer auch in einem SiO2-Nanosol gelöst oder dispergiert werden, womit eine gut haftende Polymer-SiO2-Kompositschicht als haftvermittelnde Schicht direkt auf dem Textil erzeugt wird. Nach einer Trocknung erfolgt anschließend die zweite Beschichtung durch das Nanosol (A). Diese Variante hat den Vorteil, dass durch die Imprägnierung mit dem Polymer (B) bzw. der Polymer-SiO2-Kompositschicht das textile Substrat vor einem direkten Kontakt mit TiO2 und damit vor photokatalytischen Schädigungen geschützt ist.
- (b) Herstellung einer Mischschicht: Es wird eine Mischung des anatas-haltigen Nanosols (A) und eines epoxidgruppen-haltigen Polymers (B) erzeugt, wobei der Anteil B in der Schicht vorteilhaft zwischen 20 und 60 Gew.-% beträgt. Diese Variante hat gegenüber der Doppelschicht den Vorteil, dass sie technologisch einfacher zu realisieren ist. Sie kann dort angewendet werden, wo eine mögliche photooxidative Schädigung des textilen Substrates tolerierbar ist.
- Das anatashaltige Nanosol (A) kann durch Hydrolyse von Tetraalkoxytitanaten oder Titantetrahalogeniden in wässrig-alkoholischer Lösung bei Temperaturen zwischen 50°C und 200°C und Reaktionszeiten zwischen 0,5–24 h hergestellt werden. Lange Reaktionszeiten und hohe Wasseranteile sichern die Bildung photoaktiver TiO2-Partikel in der Anatas-Modifikation mit mittleren Teilchengrößen unter 150 nm. Es ist auch möglich, als anatashaltiges Nanosol kommerzielle TiO2-Nanopulver wie P25/Degussa oder Hombikat/Sachtleben in wässrig-alkoholischen Lösungen mit Hilfe von Ultraschall zu redispergieren. bzw. kommerzielle Nanosole mit amorphen TiO2-Partikel (z. B. ISYS-Sole der Fa. CHT R. SEITLICH GmbH Tübingen) solvothermisch bei Temperaturen zwischen 100°C und 180°C und Reaktionszeiten zwischen 1 und 4 h in anatashaltige Nanosole zu überführen.
- Als epoxidgruppen-haltige Polymere (B) können verschiedene Stoffgruppen genutzt werden:
- (a) organische Polymere oder Copolymere, die endständige Epoxidgruppen oder Epoxidgruppen in der Seitenkette enthalten. Beispiele sind Polyacrylate, die Glycidyl-methacrylat als Monomer enthalten.
- (b) Hybridpolymere, die durch Hydrolyse von Glycidylalkyl-trialkoxysilanen oder durch Co-Hydrolyse von Glycidylalkyl-trialkoxysilanen mit Tetraalkoxysilanen entstehen. Geeignete Verbindungen sind z. B. γ-Glycidoxypropylmethyldimethoxysilan, γ-Giycidoxypropyltrimethoxysilan, β-(3,4-epoxycyclohexyl)ethyltrimethoxysilan,
- (c) Polysiloxan-Verbindungen mit endständigen Epoxid-Gruppen, z. B. handelsübliche Polydimethylsiloxane mit Diglycidylether-Endgruppen (Aldrich). oder in den Seitenketten, z. B. Poly-[dimethylsiloxan-co-)2-(3,4-epoxycyclohexenyl)-ethyl)-methylsiloxan] (Aldrich)
- (d) epoxidgruppen-haltige Blockcopolymere von Polysiloxanen mit Epoxiden, Acrylaten oder Polyethern.
- Die Blockpolymere bestehen aus abwechselnden Blöcken oder Segmenten der genannten Polymere, z. B. aus „harten” Polyepoxiden und aus „weichen” Polysiloxanen, wobei sich an beiden Kettenenden grundsätzlich reaktive Epoxidblöcke befinden. Diese Produktgruppe verbindet die normalerweise unverträglichen Polymertypen zu einem homogenen Copolymerisat, das die vorteilhaften Eigenschaften der beiden Ausgangspolymere in sich vereinigt, d. h. vom Polysiloxan die hohe Elastizität, UV-Stabilität, Hitze- und Alterungsbeständigkeit und vom Epoxidharz die hervorragende Haftfestigkeit auf sehr vielen Untergründen, die hohe mechanische Festigkeit und die gute chemische Beständigkeit. Derartige Epoxid-Silicon-Copolymere sind z. B. unter dem Handelsnamen Tegomer bzw. Silikopon/Evonik Tego Chemie GmbH kommerziell verfügbar.
- Die erfindungsgemäßen Beschichtungen bestehend aus einem anatas-haltigen Nanosol (A) und einem epoxidgruppen-haltigen Polymer (B) weisen eine Reihe von Vorteilen gegenüber dem Stand der Technik auf:
- – die Beschichtungen können in einfacher Weise durch übliche Beschichtungstechniken für Textilien erzeugt werden z. B. Tauchen, Sprühen, Foulardieren, Rakeln, Schaumauftrag. Auch Einzelfaden-Beschichtungen sind problemlos möglich.
- – die Beschichtungen sind für die unterschiedlichsten textilen Materialien wie Spinnfasergarnen, Mono- und Multifilamenten, Stapelfasern, Garne, Gewebe, Gestricke, Gewirke, Filz, Vliesstoffe, Teppiche, Schwämme oder von Celluloseprodukten (z. B. Papier- oder Pappfilter) auf verschiedenen Fasertypen aus anorganischen und organischen Materialien anwendbar.
- – die Beschichtungen sind transparent, gut haftend, langzeitstabil und beeinträchtigen nicht wesentlich die haptischen Eigenschaften der Textilien
- – die Beschichtungen weisen eine hohe Photoaktivität im nahen UV-Bereich auf
- – die Beschichtungen sind wässerungsstabil und verändern nicht ihre photokatalytischen Eigenschaften nach vierwöchigem Wässern in bewegtem Wasser
- – die Beschichtungen zeigen eine hervorragende Waschstabiliät und die guten photokatalytischen Eigenschaften bleiben nach mehreren Haushalts-Normwäschen konstant.
- Die erfindungsgemäßen Beschichtungen bestehend aus einem anatas-haltigen Nanosol (A) und einem epoxidgruppen-haltigen Polymer (B) können darum vorteilhaft als wässerungsstabile photoaktive Filter zur Beseitigung von Inhalts- und Schadstoffen in Luft und Wasser genutzt werden. Besondere Einsatzgebiete sind photoaktive Filter zur Reinigung von Abwässern, u. a. auch solche, die bei der Herstellung, Funktionalisierung und Färbung von Textilien entstehen.
- Die folgenden Beispiele demonstrieren die hohe Photoaktivität der erfindungsgemäßen Beschichtungen beim Abbau unterschiedlicher Farbstoffe in wässrigen Lösungen sowie die hervorragende Waschstabilität.
- Ausführungsbeispiele:
- Verwendete TiO2-Nanosole:
-
- – TiO2-Nanosol H: Herstellung aus 12 ml Tetraisopropyltitanat, 4.2 g Acetylaceton in 10 ml Isopropanol/75 ml Wasser/2 ml HNO3 bei 80°C/8 h,
- – TiO2-Nanosol M: Herstellung aus 30 ml Tetraisopropyltitanat, 5 ml Ethanol, 180 ml Wasser und 2 ml HNO3 bei 80°C/8 h
- Verwendetes Textilgewebe:
-
- – Textiltyp MA gitterförmiges Polyester mit einem Flächengewicht von 109 g/m2 der Fa. Mattes & Ammann KG, Meßstetten; Chargennummer 30886/1
- – Textiltyp JU Polyestergewebe der Fa. Junker Filter GmbH, Sinsheim, Typ: Polyester Junker Filter 5090
- Versuchsdurchführung:
- 1. Doppelschicht
- 30 × 12 cm2 Polyesterproben MA und JF wurden mit folgenden Polymeren durch eine Tauchbeschichtung imprägniert: 3% Ebecryl 600 (Epoxyacrylat-Oligomer/Fluka) in Ethanol, 2–4% Tegomer E-Si 2130, E-Si 2330 bzw Silikopon EF (Evonik Tego Chemie GmbH) in Ethanol bzw. in einem 5% SiO2-Nanosol (hergestellt durch 24 h Rühren von 25 ml Tetraethoxysilan, 105 ml Ethanol und 5 ml 0.01 n Salzsäure) gelöst. Nach Trocknen bei Raumtemperatur an der Luft wurden die Proben 1 h bei 60°C getrocknet. Anschließend werden die Textilien mit Nanosol H bzw. M tauchbeschichtet und 1 h bei 60°C getempert. Die hohe Photoaktivität der so beschichteten Polyestermaterialien nach Herstellung und nach wiederholter Haushalts-Normwäsche zeigt Tabelle 1.
- 2. Mischschicht
- 30 × 12 cm2 Polyesterproben MA und JF wurden durch Tauchbeschichtung mit einem Gemisch der Nanosole H bzw. M und 0.5–5% Tegomer E-Si2330 bzw Silikopon EF (Evonik Tego Chemie GmbH) beschichtet. Nach Trocknen bei Raumtemperatur an Luft wurden die Proben 1 h bei 120°C getrocknet. Die hohe Photoaktivität der so beschichteten Polyestermaterialien nach Herstellung und nach wiederholter Haushalts-Normwäsche zeigt Tabelle 2.
- 3. Bestimmung: Photokatalytische Aktivität
- Die photokatalytische Aktivität wird durch die Zersetzung des Farbstoffs AcidOrange7, Methylenblau, Rhodamin B unter Schwarzlicht bestimmt: Textilstreifen (1 cm × 5 cm) werden zusammen mit 15 ml der Farbstofflösung (0.1 mmol/l) in einem 20 ml HeadSpace-Gefäß verschlossen (unbeschichteter Textilstreifen als Referenz) und auf einem Kippschüttler für sechs Stunden mit Schwarzlicht (UV-Leuchtstoff-Röhre; Omnilux, 18 Watt) belichtet (Referenz ohne Belichtung mit sechs Stunden schütteln = Konzentration cdunkel). Die Bestimmung der verbliebenen Farbstoffkonzentration erfolgt mittels Spektralphotometer (cbelichtet) und erlaubt anhand einer Eichkurve die Berechnung der Ausbleichrate A:
Ausbleichrate A (in %) = 100 – cbelichtet/cdunkel × 100 - Die Ergebnisse für die Ausbleichung von Rhodamin B sind in den folgenden Tabellen zu sehen; ähnliche Ausbleichergebnisse wurden auch mit AcidOrange7 und Methylenblau erhalten. Die Ergebnisse dokumentieren, dass durch epoxygruppen-haltige Polymere sowohl durch Vorbehandlung (Tabelle 1) als auch durch Zusatz zu TiO2-Nanosolen (Tabelle 2) selbst nach 5 ECE-Normwäschen bei 40°C keine Verringerung der photokatalytischen Aktivität eintritt. Im Vergleich dazu tritt bei alleiniger Applikation der TiO2-Nanosole ohne epoxygruppen-haltige Polymere eine deutliche Verminderung der Photoaktivität bereits nach der ersten ECE-Normwäsche ein. Tabelle 1: Ausbleichraten A von Rhodamin B-Lösungen bei Belichtung in Gegenwart Polyesterstreifen mit waschstabilen photokatalytischen Textilbeschichtungen. Die Applikation der TiO2-Nanosole erfolgt nach Vorbehandlung der Textilien mit epoxygruppen-haltigen Polymeren.
TiO2-Nanosol Textil Vorbehandlung Ausbleichrate A [%] nach Herstellung nach 1 × ECE nach 5 × ECE H JF ohne 93,6 74,2 41,8 H JF 3% Ebecryl 600 in Ethanol 56.0 61.4 62.9 H JF 4% TEGOMER 2330 in Ethanol 79,3 99,9 99,1 H JF 2% Silikopon EF in Ethanol 93,6 99,9 98,7 H JF 4% Tegomer 2130 + 5% SiO2-Nanosol in Ethanol, 1 h 120°C 85.6 98.9 99.2 H MA ohne 99,1 94,5 73,1 H MA 4% TEGOMER 2330 in Ethanol 97,2 98.0 91,9 M JF ohne 94,9 78,3 38,8 M JF 2% Silikopon EF in Ethanol 98,7 99,3 99,1 TiO2-Nanosol Textil Zusatz Ausbleichrate A [%] Nach Herstellung nach 1 × ECE nach 5 × ECE H JF ohne 93,6 74,2 41,8 H JF 2% Tegomer 2330 92,9 99,9 99,9 H MA ohne 99.1 94,5 73,1 H MA 2% Silikopon EF 92,9 96,7 99,2 M JF ohne 94,9 78,3 38,8 M JF 5% Silikopon EF 98,4 97,1 72,5 M MA ohne Zusätze 99,9 91,8 72,5 M MA 5% Silikopon EF 95,2 100 100 - ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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- Zitierte Patentliteratur
-
- - EP 10085675 [0002]
- - JP 6285458 [0004]
- - US 2008031783 [0004]
- - WO 200927432 [0004]
- - JP 1120695 [0004]
- - CN 1616752 [0004]
- Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - T. Watanabe, Photocatalytic Purification and Treatment of Water and Air, ed. D. Ollis and H. El-Akabi, Elsevier, New York 1993 [0002]
Claims (18)
- Waschstabile photokatalytische Textilbeschichtung dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung durch ein anatas-haltiges Nanosol (A) in Kombination mit einem epoxidgruppen-haltigen Polymer (B) gebildet wird.
- Waschstabile photokatalytische Textilbeschichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung durch die Imprägnierung des Textils mit einer Lösung oder Dispersion des epoxidgruppen-haltigen Polymers (B) und einer nachfolgenden Beschichtung durch das Nanosol (A) erfolgt.
- Waschstabile photokatalytische Textilbeschichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung durch die Imprägnierung des Textils mit einem epoxid-haltigen Polymer (B), gelöst oder dispergiert in einem SiO2-Nanosol, und einer nachfolgenden Beschichtung durch das Nanosol (A) erfolgt.
- Waschstabile photokatalytische Textilbeschichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung durch ein Gemisch des anatas-haltigen Nanosols (A) und eines epoxidgruppen-haltigen Polymers (B) erfolgt, wobei der Anteil B in der Schicht vorteilhaft 20 bis 60 Gew.-% beträgt.
- Waschstabile photokatalytische Textilbeschichtung nach Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass das anatashaltige Nanosol (A) durch Hydrolyse von Tetraalkoxytitanaten oder Titantetrahalogeniden in wäßrig-alkoholischer Lösung bei Temperaturen zwischen 50°C und 200°C und Reaktionszeiten zwischen 0,5 und 24 h hergestellt wird.
- Waschstabile photokatalytische Textilbeschichtung nach Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass das anatashaltige Nanosol (A) durch Redispergierung kommerzieller TiO2-Nanopulver in wäßrig-alkoholischen Lösungen hergestellt wird.
- Waschstabile photokatalytische Textilbeschichtung nach Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass das anatashaltige Nanosol (A) aus kommerziellen amorphen TiO2-Nanosolen durch Temperaturbehandlung zwischen 100°C und 180°C und Reaktionszeiten zwischen 1 und 4 h gebildet wird.
- Waschstabile photokatalytische Textilbeschichtung nach Anspruch 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass das Polymer (B) ein organisches Homo- oder Copolymerisat ist, das endständige Epoxidgruppen oder Epoxidgruppen in der Seitenkette enthält.
- Waschstabile photokatalytische Textilbeschichtung nach Anspruch 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass das Polymer (B) ein Homo- oder Copolymerisat auf Basis Glycidyl-methacrylat ist.
- Waschstabile photokatalytische Textilbeschichtung nach Anspruch 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass das epoxidgruppen-haltige Polymer (B) ein Polykondensat ist, das durch Hydrolyse von Glycidylalkyl-trialkoxysilanen gebildet wird.
- Waschstabile photokatalytische Textilbeschichtung nach Anspruch 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass das epoxidgruppen-haltige Polymer (B) ein Polykondensat ist, das durch Hydrolyse und Cokondensation von Glycidylalkyl-trialkoxysilanen und Tetraalkoxysilanen gebildet wird.
- Waschstabile photokatalytische Textilbeschichtung nach Anspruch 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass das epoxidgruppen-haltige Polymer (B) ein Polydialkylsiloxan ist, das endständigen Epoxid-Gruppen oder Epoxid-Gruppen in der Seitenkette enthält.
- Waschstabile photokatalytische Textilbeschichtung nach Anspruch 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass das epoxidgruppen-haltige Polymer (B) ein Blockcopolymer eines Polysiloxans mit polymeren Epoxiden, Acrylaten oder Polyethern ist, die endständige Epoxid-Gruppen oder Epoxid-Gruppen in der Seitenkette enthalten.
- Waschstabile photokatalytische Textilbeschichtung entsprechend Anspruch 1 bis 13 zur Beschichtung von textilen Materialien wie Spinnfasergarnen, Mono- und Multifilamenten, Gewebe, Gestricke, Gewirke, Filz, Vliesstoffe, Teppiche, Schwämme oder von Celluloseprodukten als auch Mischungen bzw. Compounds daraus
- Anwendung von Materialien mit waschstabiler Textilbeschichtung entsprechend Anspruch 1 bis 14, als photoaktive Filter zur Beseitigung von organischen Inhaltsschadstoffen und anderen Schadstoffen in Luft und Wasser.
- Anwendung von Materialien mit waschstabiler Textilbeschichtung entsprechend Anspruch 1 bis 15, als photoaktive Filter zur Reinigung von industriellen und kommunalen Abwässern.
- Anwendung von Materialien mit waschstabiler Textilbeschichtung entsprechend Anspruch 1 bis 15, als photoaktive Filter zur Beseitigung von Inhalts- und Schadstoffen, die bei der Herstellung, Funktionalisierung, Ausrüstung und Färbung von Textilien entstehen.
- Anwendung von Materialien mit waschstabiler Textilbeschichtung entsprechend Anspruch 1 bis 15, als photoaktive Filter zur Beseitigung von Inhalts- und Schadstoffen bei der Luftreinigung in Klimaanlagen und industriellen Abluftströmen.
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