DE102011051992A1

DE102011051992A1 - Beschichtete Pigmente und Beschichtungssystem, das diese enthält

Info

Publication number: DE102011051992A1
Application number: DE201110051992
Authority: DE
Inventors: Chang Xu; Hai Hui Lin; Perfait Jean Marie Likibi
Original assignee: Silberline Manufacturing Co Inc
Current assignee: Silberline Manufacturing Co Inc
Priority date: 2010-07-20
Filing date: 2011-07-20
Publication date: 2012-06-14
Also published as: RU2011127065A; CN102337052B; AU2011203179A1; US8912252B2; WO2012012221A3; TW201209110A; MX2011007731A; EP2410024A1; BRPI1103450A2; TWI513777B; CA2745971A1; CN102337052A; AU2011203179B2; US20120022181A1; JP2012031407A; WO2012012221A2; KR20120010171A

Abstract

Es sind ein beschichtetes Pigment, das Polymereinkapselungen enthält, die als Pigmentdispergiermittel und filmbildendes Mittel dienen, Beschichtungssysteme, die das beschichtete Pigment enthalten, und Verfahren zur Herstellung des beschichteten Pigments und des Beschichtungssystems beschrieben. Die Polymereinkapselungen der beschichteten Pigmente ermöglichen, daß die beschichteten Pigmente, die in dem Beschichtungssystem enthalten sind, ohne Zugabe anderer Dispergiermittel und/oder Harze dispergiert werden. Somit vereinfachen die offenbarten beschichteten Pigmente das Herstellungsverfahren für Beschichtungssysteme. Die offenbarten beschichteten Pigmente verlängern auch die Haltbarkeit der Beschichtungssysteme und liefern eine fertige Beschichtung mit verbesserter Pigmentorientierung und besserem ästhetischen Erscheinungsbild.

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft im allgemeinen beschichtete Pigmente und Beschichtungssysteme, die beschichtete Pigmente enthalten, und insbesondere die Entwicklung von polymerbeschichteten Pigmenten und Verfahren zur Herstellung der beschichteten Pigmente sowie die Entwicklung von Beschichtungssystemen, die die beschichteten Pigmente enthalten.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Pigmente, Harze und Lösungsmittel sind Hauptkomponenten von pigmentierten Farben und Tinten. Während Harze vorwiegend für die Filmbildung und Haftung zwischen Beschichtungen und Substraten verantwortlich sind, werden Pigmente weitgehend in der Farben/Tintenindustrie verwendet, um beschichteten Substraten ästhetische Effekte oder schützende Funktionen zu verleihen. Die Eigenschaften der pigmentierten Farben/Tinten und die Leistungen der fertigen Beschichtung werden durch die Dispersion der Pigmente und ihre Wechselwirkungen mit Harz, Lösungsmittel und anderen Komponenten der Farben/Tinten stark beeinflußt. Aufgrund der komplizierten Wechselwirkungen unter diesen Inhaltsstoffen jedoch sind eine richtige Dispersion von Pigmenten in ihren Trägern und optimale Eigenschaften der Farben/Tinten wünschenswert.
Das Einarbeiten von Pigmenten in Tinten und Beschichtungen wird für gewöhnlich durch Dispergieren von trockenen Pigmenten in Flüssigharzsysteme erreicht. Zum Erreichen einer optimalen Deckkraft oder Farbstärke muß eine übermäßige Scherkraft während des Mischprozesses ausgeübt werden, um die Pigmentagglomerate oder Aggregate in primäre Partikel aufzubrechen. Die Pigmentpartikel müssen auch in dem Farben/Tintensystem während der Lagerung stabil sein, da eine Reaggregation der Pigmentpartikel oder eine Trennung des Pigments von der Masse des Farben/Tintensystems die Leistung des Farben/Tintensystems verringert.
Die Zugabe von Pigmenten zu dem Farben/Tintensystem hat häufig komplizierte Auswirkungen auf die Leistung der Farben/Tintensysteme. Zum Beispiel kann die Wechselwirkung zwischen Pigmentoberflächen und Harzpolymerketten die Viskositätsprofile der Farben/Tintensysteme verändern. Abhängig von den Anwendungsbedingungen haben Farben oder Tinten ihre eigenen bevorzugten Rheologieprofile. Die Viskosität der Farben/Tintenprodukte hängt nicht nur stark von der Größe, Form, Konzentration und Dispersion der Pigmentpartikel ab, sondern auch von den Wechselwirkungen zwischen Pigmentpartikeln und anderen Komponenten der Harzsysteme. Zudem führt eine Inkompatibilität zwischen Harz und Pigmenten häufig zu einer Ausflockung und Trennung der Pigmente von den Harzsystemen, wodurch die Deckkraft und das ästhetische Erscheinungsbild der fertigen Beschichtungen beeinträchtigt wird.
Die Wechselwirkungen zwischen Pigmenten und anderen Farben/Tinteninhaltsstoffen sind komplex und es sind umfangreiche Bemühungen erforderlich, um diese Wechselwirkungen und die Beeinflussung der Eigenschaften und Leistungen der Endprodukte durch diese Wechselwirkungen zu verstehen. Zu diesem Zweck wurden in Beschichtungsformulierungen Dispergiermittel umfangreich verwendet, um die Dispersion von Pigmenten zu unterstützen und die Haltbarkeit der erhalten Farben/Tinten zu verlängern. Zahlreiche Pigmentvorbehandlungsmethoden wurden zur Erhöhung der Pigmentkompatibilität im Harzsystem und zur Verbesserung der Pigmentdispersion, Einstellung der Systemviskosität und Aufrechterhaltung der Stabilität der Farben/Tintensysteme angewendet. Die Oberfläche des Pigments kann mit oberflächenaktiven Reagenzien behandelt werden, die entweder physikalisch auf den Pigmentoberflächen absorbiert werden oder chemisch an die Pigmentoberfläche gebunden werden. Beispiele für solche oberflächenaktiven Reagenzien beinhalten Fettsäuren, Organphosphorverbindungen und Silankopplungsreagenzien. Polymere Materialien, die oberflächenaktive Gruppen enthalten, wurden auch umfangreich als Pigmentdispergiermittel untersucht. Es wurden auch Forschungsarbeiten zur Einkapselung von Pigmenten in Polymer- oder anorganische Matrizen zur Verbesserung der Dispersion in Farben/Tintensystemen durchgeführt.
Pigmente können mit anderen Inhaltstoffen der Farben/Tinten reagieren und/oder interagieren. In diesen Fällen ist es zur Erhöhung der Lagerstabilität und zur Verbesserung der abschließenden Leistung von Farben/Tinten wünschenswert, diese Inhaltsstoffe voneinander zu trennen und sie erst unmittelbar vor dem Auftragen der Farben/Tinten zu mischen. Aufgrund der komplexen Eigenschaft solcher Beschichtungsmaterialien werden kommerzielle Farben/Tinten jedoch im allgemeinen mit allen Inhaltsstoffen als Fertigprodukte geliefert und bereits von den Herstellern in ihre fertige Anwendungsform gebracht. Daher haben kommerzielle Farben/Tinten trotz der umfangreichen Bemühungen, die unerwünschten Reaktionen und Wechselwirkungen zu verringern, eine begrenzte Haltbarkeit. Zum Beispiel können Aluminiumpigmente, die allgemein in der Farben/Tintenindustrie zur Erzeugung metallischer Effekte verwendet werden, leicht mit Wasser reagieren und Wasserstoffgas freisetzen. Die Erosion von Aluminium verringert nicht nur den metallischen Glanz der fertigen Beschichtung, sondern eine übermäßige Wasserstoffbildung im Inneren des Behälters bedeutet auch große Gefahr während der Lagerung, des Versands und der Handhabung. Da sich gegenwärtig der Schwerpunkt in der Industrie von lösungsmittelhaltig zu wasserhaltig verschiebt, um flüchtige organische Inhaltsstoffe (”volatile organic contents” – VOC) zu minimieren, ist man bestrebt, die Reaktion zwischen Aluminiumpigmenten und Wasser zu verringern und die Lagerstabilität der Endprodukte zu verlängern.
Die Wechselwirkungen zwischen Pigmenten und Beschichtungskomponenten beeinflussen auch die Eigenschaften der fertigen Beschichtung, wie Haftung, Verwitterung, chemische Beständigkeit und ästhetisches Erscheinungsbild. Zum Beispiel neigen Pigmente dazu, zur Oberfläche der Beschichtung zu wandern, wenn sie mit der Harzmatrix inkompatibel sind. In diesen Fällen haben Pigmente weniger Haftung an dem Film und sind der äußeren Umgebung ausgesetzt. Infolgedessen hat die fertige Beschichtung eine begrenzte Kratzfestigkeit und ist für eine Verfärbung anfällig.
Daher müssen angesichts der komplexen Wechselwirkungen zwischen Pigmenten und dem Rest der Farben/Tintensysteme umfangreiche Überlegungen bei den Farben/Tinten-Formulierungsprozessen angestellt werden. Zum Beispiel wäre abhängig von der Kompatibilität der Pigmente und dem Rest der Farben/Tintensysteme eine umfangreiche Forschung notwendig, um geeignete Zusatzstoffe zu identifizieren und richtige Verfahren zu entwickeln, um die gewünschten Eigenschaften der Farben/Tinten zu erhalten.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Es werden ein beschichtetes Pigment, das Polymereinkapselungen enthalten kann, die als Pigmentdispergiermittel und filmbildendes Mittel dienen, Beschichtungssysteme, die das beschichtete Pigment enthalten können, und Verfahren zur Herstellung des beschichteten Pigments und der Beschichtungssysteme beschrieben. Die Polymereinkapselungen der beschichteten Pigmente können den beschichteten Pigmenten, die in dem Beschichtungssystem enthalten sind, ermöglichen, mit oder ohne Zugabe anderer Dispergiermittel und/oder Harze dispergiert zu werden. Somit können die offenbarten beschichteten Pigmente den Herstellungsprozeß für Beschichtungssysteme vereinfachen. Die offenbarten beschichteten Pigmente können auch die Haltbarkeit der Beschichtungssysteme verlängern und können eine fertige Beschichtung mit einer verbesserte Pigmentorientierung und besserem ästhetischen Erscheinungsbild liefern.
Die offenbarten beschichteten Pigmente können Polymerketten oder Polymernetze enthalten, die an den Pigmentoberflächen haften. In einer Ausführungsform des offenbarten Beschichtungssystems kann das Beschichtungssystem die offenbarten beschichteten Pigmente und ein Lösungsmittel enthalten. Bei einem Ausführungsbeispiel können die angehefteten Polymerketten oder Polymernetze aufquellen, sobald ein geeignetes Lösungsmittel den beschichteten Pigmenten zugegeben wird, und die beschichteten Pigmente können sofort in das Lösungsmittel dispergiert werden. Die aufgequollenen Polymerketten oder Polymernetze können für eine sterische Behinderung und/oder elektrostatische Abstoßung sorgen und können als Dispergiermittel dienen, um die beschichteten Pigmente in dem fertigen Farben/Tintensystem zu stabilisieren. Anders als herkömmliche Dispergiermittel, deren Affinität an die Pigmentoberflächen deutlich durch die Lösungsumgebungen beeinflußt wird, können die angehefteten Polymerketten der offenbarten beschichteten Pigmente für eine robuste Stabilisierung für die Dispersion sorgen und können erweiterte Formulierungsfenster für die Farben/Tintensysteme ermöglichen.
Bei einer anderen Ausführungsform des beschichteten Pigments können Polymere oder Polymernetze in ausreichender Menge enthalten sein, um filmbildende Fähigkeiten bereitzustellen. Herkömmliche Farben beruhen auf einem externen Harz oder Bindemittel für die Filmbildung. In diesen herkömmlichen Systemen ist eine ausreichende Menge eines Bindemittels erforderlich, um die Pigmente zu benetzen, und die Menge an verwendetem Pigment muß gering genug sein, um die Pigmentvolumenkonzentration (”pigment volume concentration” – PVC) unter einer kritischen PVC zu halten. In einem Beispiel des offenbarten Systems können Farben oder Tinten direkt durch Dispergieren von polymereingekapselten Pigmenten in ein Lösungsmittel ohne Zugabe von externen Herzen gebildet werden. Nach Verdampfung von Lösungsmitteln und anderen flüchtigen Inhaltsstoffen kann das angeheftete Polymer auf den Oberflächen der Pigmente die Pigmente direkt aneinander heften. Dies kann zu einer Filmbildung und Förderung der Anhaftung zwischen der Beschichtung und dem Substrat, das beschichtet wird, führen.
Bei einer Ausführungsform des offenbarten Beschichtungssystems kann das offenbarte Beschichtungssystem den Farben/Tinten-Herstellungsprozeß vereinfachen, da es die Verwendung eines externen Bindemittels, einer Mahlhilfe und von Dispergiermittel in der Farbenformulierung nicht erfordert. In diesem Fall können Farben/Tinten einfach durch Zugabe eines Lösungsmittels zu den offenbarten beschichteten Pigmenten mit minimalem Scheren und Rühren hergestellt werden. Durch Vereinfachung der Farben/Tintenzusammensetzung und Verringerung der Verarbeitungsanforderungen kann die Wahrscheinlichkeit unerwünschter Wechselwirkung verringert werden und die Haltbarkeit der erhaltenen Farbe/Tinte kann verlängert werden. Da Polymere chemisch an die Pigmente gebunden werden können und die Menge an aufgepfropftem Polymer, die notwendig ist, um gute filmbildende Fähigkeiten zu erreichen, gering sein kann, kann zusätzlich eine hohe Pigmentbeladung in der fertigen Beschichtung erreicht werden. Verglichen mit herkömmlichen Beschichtungen kann das offenbarte System die offenbarten beschichteten Pigmente mit Pigmenten enthalten, die Aluminium-, Glas- und Glimmerflocken sind, und kann Beschichtungen ergeben, die eine verbesserte Pigmentorientierung und ein besseres ästhetisches Erscheinungsbild aufweisen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1 zeigt eine Ausführungsform des offenbarten beschichteten Pigments.
2 zeigt das offenbarte Beschichtungssystem, das auf einem Kunststoff aus a) Poly(methylmethacrylat), b) Acrylonitrilbutadiensytrol und c) Polystyrol aufgetragen ist.
3 zeigt die Ergebnisse eines Gitterschnittests der harzlosen Beschichtung aus mit Polystyrol beschichtetem Silberline Sparkle Silver^® Premium 695.
4 zeigt die Rasterelektronenmikroskopiegrafik der Oberfläche der harzlosen Beschichtung aus mit Poly(methylmethacrylat)beschichtetem Sparkle Silver^® Premium 695 auf einer Poly(methylmethacrylat)-Platte.
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Es werden ein beschichtetes Pigment, das Polymere, die Dispergiermittel sind, und filmbildende Reagenzien, die an das Pigment geheftet sind, enthalten kann, ein Beschichtungssystem, das das beschichtete Pigment enthalten kann, und ein Verfahren zur Herstellung des Beschichtungssystems beschrieben. Die Konzepte des hierin beschriebenen Beschichtungssystems werden in Bezug auf ein Farben- oder Tintensystem beschrieben. Es ist jedoch für den Fachmann offensichtlich, daß die hier beschriebenen Konzepte auch bei anderen Arten von Systemen angewendet werden können.
Harze und Pigmente können für gewöhnlich Schlüsselkomponenten in Beschichtungssystemen wie Farben/Tintensystemen sein. Der Begriff ”Harze” kann hierin Polymere bedeuten, die allgemein nach dem Stand der Technik als Dispergiermittel, filmbildende und/oder haftende Mittel zu Beschichtungsformulierungen wie Tinten und Farben zugegeben werden. Harze können zum Beispiel Alkyd-, Polyester-, Polyamid-, Polyimid-, Silikon-, Phenol-, Harnstoff-, Melamin-, Epoxy-, Polyurethan-, Polyolefin-, Polyvinyl- und Polyacrylharze sein. Der Begriff ”Pigmente” kann hierin transparente, metallische, weiße oder farbige, Mineral- oder organische Partikel beliebiger Form bezeichnen, die in einem flüssigen Medium unlöslich sind und zur Verwendung in Tinten- und Farbenzusammensetzungen geeignet sind. Harze, als filmbildende Reagenzien, können für die mechanischen Eigenschaften eines Beschichtungssystems und die Anhaftung des Films, der durch das Beschichtungssystem gebildet wird, an den Substraten verantwortlich sein. Die Pigmente können eine Deckkraft bereitstellen und der Beschichtung ein ästhetisches Erscheinungsbild verleihen. Die Erfinder haben festgestellt, daß durch das Anheften von Polymeren, die Dispergiermittel und filmbildende Mittel sind, an Pigmente ein Beschichtungssystem, das ein solches beschichtetes Pigment enthält, keine zusätzlichen Komponenten außer dem Lösungsmittel zum Dispergieren der Pigmente und Bilden eines Film benötigt, der eine gute Anhaftung an das Substrat zeigt.
Bei einer Ausführungsform kann das offenbarte Beschichtungssystem ein harzloses System sein. Der Begriff ”harzlos” kann bedeuten, daß neben den Polymeren oder Polymernetzen, die auf die Oberfläche der Pigmente gepfropft sind, keine zusätzlichen Dispergiermittel und/oder Harze in der fertigen Farben/Tintenformulierung zur Bildung des Beschichtungsfilms notwendig sind. Der Begriff ”zusätzliche Dispergiermittel und/oder Harze” kann hierin Polymere bezeichnen, die von den Polymerketten getrennt sind, die an der Oberfläche des Pigments haften, und allgemein nach dem Stand der Technik als dispergierende, filmbildende und/oder haftende Mittel zu Beschichtungsformulierungen wie Tinten und Farben zugegeben werden. Die zusätzlichen Harze können zum Beispiel Alkyd-, Polyester-, Polyamid-, Polyimid-, Silikon-, Phenol-, Harnstoff-, Melamin-, Epoxy-, Polyurethan-, Polyolefin-, Polyvinyl- und Polyacrylharze sein. Beispiele für die zusätzlichen Dispergiermittel finden sich in "Organic coatings: science and technology", dritte Auflage (New York: John Wiley & Sons, 2007), Seiten 440 und 446, das hierin zum Zwecke der Bezugnahme zitiert wird.
Bei einem Beispiel kann das offenbarte Beschichtungssystem die offenbarten beschichteten Pigmente und ein Lösungsmittel oder ein Lösungsmittelgemisch enthalten. Der Begriff ”Lösungsmittel oder Lösungsmittelgemisch” kann hierin eine Flüssigkeit bezeichnen, die die Komponenten der fertigen Beschichtung trägt, so daß sie auf ein Substrat aufgetragen werden können, und die dann durch Verdampfung, Behandlung, usw. entfernt wird. Bei einem Beispiel kann das offenbarte Beschichtungssystem nur die beschichteten Pigmente und das Lösungsmittel oder das Lösungsmittelgemisch enthalten. Bei einer Ausführungsform können die Polymere in einer ausreichenden Menge zur Bildung eines Films und zum Anheften des Films an ein Substrat zugegeben werden, wenn das Beschichtungssystem auf dem Substrat aufgetragen wird. Das Substrat, auf das das Beschichtungssystem aufgetragen wird, kann jedes Substrat sein, auf das Farben oder Tinten aufgetragen werden, einschließlich, ohne aber darauf beschränkt zu sein, Kunststoff, Metall, usw.
Bei einer anderen Ausführungsform kann das offenbarte Beschichtungssystem beschichtete Pigmente enthalten, die in einer glatten und robusten Polymerbeschichtung mit gesteuerter Dicke eingekapselt sind. Um stabile beschichtete Pigmentdispersionen zu erhalten, können die Polymerketten oder -netze an die Oberfläche des Pigments unter Prozeßbedingungen angeheftet werden. Die Polymereinkapselung kann durch chemische Bindungen zwischen Polymerketten/netzen und den Pigmenten stabilisiert werden. In einer Ausführungsform kann die Polymereinkapselungen aus Polymerketten bestehen, wobei die Polymerketten ein Ende aufweisen, das an die Oberfläche eines Pigments kovalent gebunden oder stark adsorbiert ist.
Es wird nun ein Beispiel des offenbarten beschichteten Pigments beschrieben. Unter Bezugnahme auf 1 kann ein beschichtetes Pigment 10 ein Pigment 12 mit einer Oberfläche 12a enthalten. Die Oberfläche 10a kann mit einer Beschichtung 14 beschichtet sein, die mehrere Lagen 14a, 14b hat. Bei der dargestellten Ausführungsform, die in 1 gezeigt ist, kann die Beschichtung zwei Lagen 14a, 14b enthalten, aber unter geeigneten Umständen kann die Beschichtung 14 eine Lage oder mehr als zwei Lagen haben. Jede der Lagen 14a, 14b kann Polymerketten 16 enthalten. Die Zusammensetzung der Polymerketten 16 in jeder der Lagen kann gleich oder unterschiedlich sein. Die Polymerketten 16 können stark an der Oberfläche 12a des Pigments 12 haften. Der Begriff ”angeheftet” kann bedeuten, daß die Polymerketten 16 chemisch oder physikalisch an die Oberfläche 12a des Pigments 12 angeheftet sind. Die Beschichtung 14 kann auch Zwischenkettenvernetzungen 18 enthalten, die die Polymerketten 16 verbinden.
Bei dem Pigment kann es sich, ohne aber darauf beschränkt zu sein, um Metallloxide, Metalloxid-eingekapselte Materialien, Siliziumdioxid, Borsilikat, Siliziumdioxid-beschichtete Materialien, Glimmer, Glas, Eisen oder Aluminium handeln. Bei einem Beispiel kann das verwendete beschichtete Pigment 10 ein Pigment mit einer Dicke im Bereich von 0,5 nm bis 500 μm enthalten. Bei einem anderen Beispiel kann die Dicke des Pigments im Bereich von 20 nm bis 100 μm liegen. Bei einem weiteren Beispiel kann die Dicke des Pigments im Bereich von 50 nm bis 1 μm liegen. Bei einem weiteren Beispiel kann die Größe des Pigments im Bereich von 100 nm bis 5000 μm liegen. Bei einem weiteren Beispiel kann die Größe des Pigments im Bereich von 500 nm bis 100 μm liegen. Bei einem weiteren Beispiel kann die Größe des Pigments im Bereich von 1 μm bis 50 μm liegen.
Die starken Wechselwirkungen zwischen den Polymerketten 16 und der Oberfläche 12a des Pigments 12 können für Robustheit und Stabilität der Beschichtung sorgen. Der Begriff ”Robustheit und Stabilität der Beschichtung” meint hier die Dauerhaftigkeit der beschichteten Pigmente unter Umlauftests und deren chemische Widerstandskraft unter anderen Prozeßbedingungen.
Ferner kann eine unebene Beschichtung der Pigmentoberflächen die Orientierung der Pigmente aufbrechen und zu einer schlechten ästhetischen Leistung führen. Andererseits können die Oberflächen des offenbarten beschichteten Pigments 10 glatt sein, so daß ein maximaler Kontakt unter mehreren beschichteten Pigmenten 10 und ein gute Filmbildung möglich sind.
Im allgemeinen kann das offenbarte Beschichtungssystem mehrere der beschichteten Pigmente 10 enthalten und es können mehrere Schritte in der Herstellung des offenbarten Beschichtungssystems durchgeführt werden. Pigmente können zunächst mit Polymeren eingekapselt werden. Die in Polymer eingekapselten Pigmente können beispielsweise leicht in Lösungsmitteln dispergiert werden. Die in Polymer eingekapselten Pigmente werden in feuchter Form gehalten und zum Beispiel als konzentrierte Pasten oder Aufschlämmung gelagert. Zusätzliches Lösungsmittel kann jederzeit zugegeben werden, um eine gewünschte Konzentration des beschichteten Pigments vor der Anwendung des Beschichtungssystems zu erreichen. Wenn das Beschichtungssystem auf ein Substrat aufgetragen wird, kann das Lösungsmittel verdampfen, so daß ein Film gebildet wird. Bei einem Beispiel kann die Dicke des Films, der auf dem Substrat gebildet wird, 1 bis 10 μm betragen. Bei einem anderen Beispiel kann die Dicke des Films, der auf dem Substrat gebildet wird, 2,5 bis 3 μm betragen. Bei einem weiteren Beispiel kann die Dicke des Films, der auf dem Substrat gebildet wird, 2,5 μm betragen. Eine gute Haftung zwischen dem Film und dem Substrat kann durch physikalische und chemische Wechselwirkungen zwischen den Polymeren, die in den beschichteten Pigmenten enthalten sind, und dem Substrat erreicht werden. Während die Verschlingung unter aufgepfropften Polymerketten von verschiedenen beschichteten Pigmenten zu guten mechanischen Filmeigenschaften führen kann, können die Polymerketten weiter mit funktionellen Gruppen modifiziert sein und die Bildung vernetzter Netze auf den Pigmenten ermöglichen.
Bei einer Ausführungsform kann eine oberflächeninitiierte Polymerisation zur Herstellung einer dicken Polymerbeschichtung auf dem Pigment verwendet werden. In diesem Prozeß werden Initiatorgruppen, die als funktionelle Gruppen definiert sind, die eine Polymerisation polymerisierbarer Monomere einleiten können, zuerst auf den Oberflächen der Pigmente immobilisiert. Dann können bei der anschließenden Polymerisation dicke Polymerketten von den Oberflächen des Pigments wachsen.
Die Beschichtungsdicke kann einfach durch Variieren der Reaktionszeit leicht gesteuert werden. Zusätzlich können auch andere Faktoren, einschließlich, ohne aber darauf beschränkt zu sein, Monomerkonzentration, Polymerisationszeit, Lösungsmittel und Katalysator, zur Steuerung der Dicke der Beschichtung verwendet werden. Die durchschnittliche Dicke der Polymerbeschichtung, die durch direkte Betrachtung durch ein Transmissionselektronenmikroskopie gemessen werden kann, reicht von einigen Nanometern bis zu mehr als 100 nm.
Zwei Faktoren, Pfropfungsdichte und durchschnittliches Molekulargewicht von Polymerketten, können auch die Beschichtungsdicke bestimmen. Das Molekulargewicht der Polymerketten kann durch Abstimmen der Polymerisationsbedingungen, wie Polymerisationszeit, Monomerkonzentration, Lösungsmittel, Reaktionstemperatur und Katalysatoren, eingestellt werden. Das Variieren der Pfropfungsdichte kann durch Steuern der Initiatorflächendichte auf den Oberflächen der Plättchen erreicht werden. Unter Verwendung gesteuerter/lebender Radikalpolymerisation, wie Atomtransfer-Radikalpolymerisation ( US Patent 5,763,548 ), Nitroxid-vermittelter Polymerisation ( US Patent 6,353,107 ) und Reversible Additions-Fragmentierungs-Kettentransferpolymerisation ( US Patent 7,205,362 ), können Polymerketten bei gleichen Raten von Oberflächen wachsen, was zu einer Beschichtung mit einer gleichförmigen Struktur auf der Oberfläche der Substrate führt.
Ferner werden durch die Beseitigung ungebundener Initiatoren in Lösung die meisten Polymerketten, die gebildet werden, an Plättchenoberflächen verankert. Infolgedessen können minimale Mengen ungebundener Polymerketten in Lösung vorhanden sein. Das Polymerisationsgemisch kann während des gesamten Reaktionsprozesses mit oder ohne Zugabe eines Lösungsmittels eine geringe Viskosität beibehalten. Einfache Reinigungsprozeduren können sofort polymereingekapselte Plättchen von den anderen Komponenten in der Reaktionslösung trennen.
Bei einem Beispiel kann ein Kopplungsreagens, das einen Initiator enthält, zur Funktionalisierung von Pigmentoberflächen mit Initiatorgruppen verwendet werden. Der Initiator hat eine chemische Struktur X-R-Y, wobei X eine oberflächenaktive Gruppe bezeichnet, Y eine Initiatorgruppe bezeichnet und R einen Abstandshalter bezeichnet. Die Initiatorgruppen können an dem Pigment nach der Reaktion zwischen oberflächenaktiven Gruppen und funktionellen Gruppen, die auf den Oberflächen der Pigmente vorhanden sind, verankert sein.
In einem anderen Beispiel kann ein Initiator auf Pigmentoberflächen durch einen mehrstufigen Prozeß immobilisiert werden. In einem Fall kann der mehrstufige Prozeß ein zweistufiger Prozeß sein. In diesem Fall wird zuerst ein oberflächenaktives Molekül, X-R1-A, auf die Oberfläche eines Pigments aufgetragen. Während die funktionelle Gruppe X die Moleküle an den Oberflächen immobilisiert, kann die funktionelle Gruppe A weitere chemische Reaktionen auf Pigmentoberflächen ermöglichen und dazu führen, daß sich die Initiatorgruppe Y auf der Oberfläche des Pigments befindet.
Bei der oberflächenaktiven Gruppe X kann es sich, ohne aber darauf beschränkt zu sein, um Mono-, Di-, Trialkoxylsilane, Mono-, Di-, Trihalogensilane, Carbonsäure, Phosphonsäure und andere chemische Gruppen handeln, die eine starke Affinität zu Metall-, Metalloxid- oder Siliziumdioxidoberflächen haben. Im Falle von Trialkoxysilan und Trihalogensilan kann die intermolekulare Kondensation unter Organosilanmolekülen zur Bildung einer hochdichten, robusten Beschichtung solcher Moleküle führen. In einigen Fällen kann die Wahl von X von der Art des verwendeten Pigments abhängen. Zum Beispiel können Silane zur Modifizierung der Oberfläche von Siliziumdioxid, Aluminiumoxid und Glas verwendet werden, während Moleküle mit Carbonsäure zur Funktionalisierung von Oberflächen aus Eisenoxid verwendet werden können.
Die Initiatorgruppe Y kann jede funktionelle Gruppe sein, die eine gesteuerte Radikalpolymerisation einleitet. Bei der Initiatorgruppe Y kann es sich, ohne aber darauf beschränkt zu sein, um ein aktiviertes Halogenatom, Alkoxyamin, Dithioester, Dithiocarbamate, Trithiocarbonate und Xanthate, organische Peroxide und Azoverbindungen handeln.
Eine Reihe von Polymerisationsmethoden, wie Radikalpolymerisation, gesteuerte Radikalpolymerisation, anionische Polymerisation und kationische Polymerisation wurden zum Aufwachsen der Polymereinkapselungen auf Oberflächen verwendet. Bei einer Ausführungsform können gesteuerte Radikalpolymerisationen zum Aufwachsen von Polymerketten mit kontrollierten Strukturen auf Oberflächen verwendet werden. Bei einem Beispiel des beschichteten Pigments können die Polymerketten Homopolymere, statistische Copolymere, Gradientencopolymere, Blockpolymere, Pfropfcopolymere, Sterncopolymere und jede beliebige Kombination davon enthalten. Bei einer Ausführungsform können die Polymerketten Vernetzungen enthalten, um eine Polymernetzbeschichtung auf dem Pigment zu bilden.
Bei einem Beispiel kann nach Immobilisierung des Initiators auf der Oberfläche des Plättchens das Plättchen durch Filtration gereinigt werden, um sämtliche ungebundene Reagenzien zu entfernen, bevor mit der Polymerisationsreaktion fortgefahren wird. Wenn das Vorhandensein freier Kopplungsreagenzien in Lösung die Lösungsviskosität nicht signifikant erhöht oder andere Prozeßbedingungen in der folgenden Polymerisation nicht nachteilig verändert, kann bei einem anderen Beispiel die Reaktionslösung direkt ohne weitere Reinigung verwendet werden.
Die Inititator-immobilisierten Plättchen können in einer Monomerlösung dispergiert werden. Die Monomerlösung kann eine Art von Monomer oder Gemische verschiedener Arten von Monomeren enthalten. Beispiele für Monomere, die verwendet werden können, enthalten, ohne aber darauf beschränkt zu sein, Styrole, (Meth)acrylate, (Meth)acrylamide, (Meth)acrylsäuren, Acrylonitril, Vinylpyridine, Maleimide, Vinylacetat, Vinylchlorid, Vinylidenchlorid und Isopren. Nach der Dispersion der Initiator-immobilisierten Plättchen in der Monomerlösung kann die Polymerisation von Oberflächen zur Bildung von Polymerketten führen, die an dem Plättchen angeheftet sind. Wegen der geringen Größe können Initiatormoleküle auf der Oberfläche des Plättchens mit hoher Flächendichte immobilisiert werden. Daher kann diese Methode die Synthese von Polymerbeschichtungen mit hoher Pfropfdichte ermöglichen.
Da eine Polymerisation von der Oberfläche des Plättchens demselben Mechanismus folgt wie eine Lösungspolymerisation, können Monomere, die in Lösungspolymerisation polymerisiert werden können, direkt in dem offenbarten Verfahren verwendet werden.
Lebende oder gesteuerte Radikalpolymerisation, wie Atomtransfer-Radikalpolymerisation, Nitroxid-vermittelte Polymerisation und Reversible Additions-Fragmentations-Kettentransferpolymerisation, können die Synthese von Polymeren mit kontrolliertem Molekulargewicht, kontrollierter Polydispersität und kontrollierten Architekturen aus vielen verschiedenen Arten von Monomeren ermöglichen. Durch Verwendung der lebenden Polymerisation kann das offenbarte Verfahren eine Steuerung der Dicke der Beschichtung von einigen wenigen Nanometern bis zu Hunderten von Nanometern ermöglichen und ermöglicht ferner, daß die Struktur der Polymerbeschichtung auf Plättchen gesteuert wird. Die Transmissionselektronenmikroskopie kann zur direkten Betrachtung der Beschichtungsdicke und Gleichförmigkeit auf Partikel- oder Plättchenoberflächen verwendet werden. Bei einem Beispiel kann die Beschichtungsdicke jedes der beschichteten Plättchen im wesentlichen gleichförmig sein. In diesem Fall kann die durchschnittliche und Standardabweichung der Beschichtungsdicke aus den Transmissionselektronenmikroskopiebildern von mehr als 10 verschiedenen beschichteten Plättchen bei einer Vergrößerung zwischen × 20.000 und × 100.000 berechnet werden. Wie in 4 dargestellt, kann die Standardabweichung der Beschichtungsdicke auf den Plättchen um weniger als 15% der durchschnittlichen Beschichtungsdicke bei einem Skalierungsbalken von 100 nm variieren.
Die lebende Eigenart der gesteuerten Radikalpolymerisation kann in dem Verfahren verwendet werden und ermöglicht auch die Synthese einer mehrlagigen Beschichtung auf dem Plättchen. Bei einem Beispiel kann ein zweites Monomer oder ein zweiter Satz von Monomeren dem Reaktionskolben nach einer vorbestimmten Reaktionszeit zugegeben werden. Bei einem anderen Beispiel können nach dem Ende der ersten Polymerisation die Plättchen aus den Reaktionsgemischen abgetrennt, gereinigt und dann einer zweiten Polymerisation mit einem zweiten Monomer oder einem zweiten Satz von Monomeren unterzogen werden. In beiden Fällen kann eine zweite Beschichtungslage mit einer Zusammensetzung gebildet werden, die sich von jener der ersten Lage unterscheidet. Bei der letztgenannten Methode kann die Methode die Synthese einer zweiten Lage mit einer vollkommen anderen Zusammensetzung ermöglichen. Die oben genannten Schritte können beliebig oft und in verschiedenen Kombinationen wiederholt werden, um eine mehrlagige Beschichtung zu erhalten.
Die Einkapselung kann aus Ketten oder Netzen von Polymeren oder Copolymeren einer Reihe von Monomeren bestehen. Beispiele für Monomere, die in dem offenbarten Verfahren verwendet werden können, enthalten, ohne aber darauf beschränkt zu sein, Acrylonitril, Styrol, Divinylbenzol, 4-Methylstyrol, 3-Methylstyrol, 2-Methylstyrol, 4-Vinylanisol, 4-Fluorstyrol, 2-Fluorstyrol, 3-Fluorstyrol, 4-Chlormethylstyrol, 4-(tert-Butyl)styrol, 3-Chlorstyrol, Methylmethacrylat, Methylacrylat, Ethylmethacrylat, Ethylacrylat, n-Propylacrylat, n-Propylmethacrylat, Isopropylmethacrylat, Isopropylacrylat, n-Butylacrylat, n-Butylmethacrylat, sec-Butylacrylat, sec-Butylmethacrylat, tert-Butylacrylat, tert-Butylmethacrylat, tert-Amylmethacrylat, n-Hexylacrylat, n-Octylmethacrylat, 2-Ethylhexylacrylat, n-Decylmethacrylat, iso-Decylacrylat, iso-Decylmethacrylat, Undecylmethacrylat, n-Dodecylacrylat, n-Dodecylmethacrylat, 1-Hexadecylmethacrylat, Stearylacrylat, Stearylmethacrylat, Cyclohexylacrylat, Cyclohexylmethacrylat, 3,3,5-Trimethylcyclohexylmethacrylat, Benzylacrylat, Benzylmethacrylat, Pentabromphenylacrylat, Pentabromphenylmethacrylat, Pentafluorphenylacrylat, Pentafluorphenylmethacrylat, Phenylacrylat, Phenylmethacrylat, 1,1,1,3,3,3-Hexafluorisopropylacrylat, 1H,1H,2H,2H-Heptadecafluordecylacrylat, 1H,1H,2H,2H-Heptadecafluordecylmethacrylat, 1H,1H,3H-Hexafluorbutylacrylat, 1H,1H,3H-Hexafluorbutylmethacrylat, 1H,1H,3H-Tetrafluorpropylmethacrylat, 1H,1H,5H-Octafluorpentylacrylat, 1H,1H,5H-Octafluorpentylmethacrylat, 1H,1H,7H-Dodecafluorheptylmethacrylat, 1H,1H-Heptafluorbutylacrylat, 2,2,2-Trifluorethylacrylat, 2,2,2-Trifluorethylmethacrylat, Hexafluor-iso-propylmethacrylat, Methacrylamid, Acrylamide, 4-Vinylpyridin, N,N-Dimethylaminoethylmethacrylat, N,N-Dimethylaminoethylmethacrylat, Glycidylmethacrylat, 2-Hydroxyethylacrylat, und 2-Hydroxyethylmethacrylat, Glycidylacrylat, 4-Vinylanilin, 3-Vinylanilin, N-iso-Propylacrylamid, N,N-Diethylacrylamid, N,N-Dimethylacrylamid, Poly(ethylenglycol)methacrylat, Poly(ethylenglycol)acrylat, Poly(ethylenglycol)methylethermethacrylat, Poly(ethylenglycol)ethylethermethacrylat, Poly(ethylenglycol)methyletheracrylat, 1,10-Decandioldimethacrylat, 1,3-Butandioldimethacrylat, 1,4-Butandioldiacrylat, 1,4-Butandioldimethacrylat, 1,4-Diacryloylpiperazin, 1,4-Phenylendiacrylat, 1,5-Pentandioldimethacrylat, 1,6-Hexandioldiacrylat, 1,6-Hexandioldimethacrylat, 1,9-Nonandioldimethacrylat, 2,2-bis(4-Methacryloxyphenyl)propan, 2,2-bis([4-(2-Acryloxyethoxy)phenyl]propan, 2,2-bis([4-(2-Hydroxy-3-methacryloxypropoxy)phenyl]propan, 2,2-Dimethylpropandioldimethacrylat, Diethylenglycoldiacrylat, Diethylenglycoldimethacrylat, Dipropylenglycoldimethacrylat, Ethylenglycoldiacrylat, Ethylenglycoldimethacrylat, N,N'-Ethylenbisacrylamid, N,N'-Methylenbisacrylamid, N,N'-Hexamethylenbisacrylamid, N,N'-Diallylacrylamid, Tetraethylenglycoldimethacrylat, trans-1,4-Cyclohexandioldimethacrylat, Triethylenglycoldiacrylat, Triethylenglycoldimethacrylat, 1,1,1-Trimethylolpropantriacrylat, 1,1,1-Trimethylolpropantrimethacrylat, Dipentaerythritolpentaacrylat, Pentaerythritoltetraacrylat, Pentaerythritoltriacrylat, Poly(ethylenglycol)diacrylat und Poly(ethylenglycol)dimethacrylat.
In einem Fall kann die Dicke der Polymereinkapselung die Menge der Polymerbeladung auf dem Pigment definieren und das Pigment-Bindemittel(P/B)-Verhältnis der fertigen Beschichtung beeinflussen. In einem Beispiel kann das offenbarte Beschichtungssystem ein hohes P/B-Verhältnis haben. Da die Pigmente gleichförmig in den Polymeren eingekapselt sein können, kann das offenbarte Beschichtungssystem mit einem viel höheren P/B-Verhältnis erzeugt werden als jenem von herkömmlichen Farben/Tintensystemen. In diesem Fall kann das Beschichtungssystem mit einem P/B-Verhältnis von bis zu 10 im Vergleich zu herkömmlichen Farben/Tinten hergestellt werden, die P/B-Verhältnisse aufweisen, die für gewöhnlich kleiner 1 sind. Zum Beispiel können für Farben, die aus Silberline Sparkle Silver Premium^® 695 gemacht werden, das ein Aluminiumpigment mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von 12 μm enthalten kann, herkömmliche Farben/Tinten typische P/B-Verhältnisse von weniger als 1 aufweisen, während das offenbarte Beschichtungssystem mit einem P/B-Verhältnis von 5 oder höher zubereitet werden kann.
Ferner können für eine gute Filmbildung und gute Anhaftung der Beschichtung die Polymerketten in der Einkapselung eine vernünftige Länge und gewisse Flexibilität aufweisen, so daß die Neuordnung von Polymerketten eine ausreichende physische Verschlingung bietet und/oder genügend chemische Reaktionsstellen für die Pigmente oder Polymerketten aus anderen beschichteten Polymereinkapselungen freilegt. Der Begriff ”Flexibilität” bedeutet hierin, daß die Polymerketten der Polymerbeschichtung ihre Konfiguration leicht neu ordnen können, so daß die Polymerketten den Oberflächen anderer beschichteter Pigmente folgen und somit die Kontaktflächen zwischen den Beschichtungsoberflächen vergrößern können.
In einem anderen Fall können die Polymerketten an die Oberfläche der Substrate angeheftet werden, so daß eine Robustheit und Stabilität der Beschichtung bereitgestellt wird. Der Begriff ”Robustheit und Stabilität” kann hierin die Beständigkeit der beschichteten Substrate in einem Umlauftest, bei wiederholten Lösungsmittelwaschungen und unter typischen Reaktionsbedingungen bedeuten. In diesen Fällen können die Polymerketten die Flexibilität zur Maximierung ihres Kontaktes mit Farbpigmenten und zur deutlichen Verbesserung der Anhaftung zwischen den Farbpigmenten und den Oberflächen der beschichteten Substrate aufweisen.
Bei einer Ausführungsform des offenbarten Beschichtungssystems kann das Beschichtungssystem mehrere der beschichteten Pigmente 10 und nur ein Lösungsmittel oder ein Lösungsmittelgemisch enthalten. Ein Beschichtungssystem dieser Ausführungsform kann einfach durch Dispergieren der mehreren beschichteten Pigmente 10 in einem Lösungsmittel oder Lösungsmittelgemisch zubereitet werden. Die Menge der beschichteten Pigmente in dem Beschichtungssystem kann von 10% bis 70% reichen. Gegebenenfalls kann die Menge des Lösungsmittels in dem Beschichtungssystem von 25% bis 85% reichen.
Bei einem Beispiel kann das verwendete Lösungsmittel oder Lösungsmittelgemisch ein gutes Lösungsmittel der Polymersegmente auf Oberflächen der Einkapselungen sein und als solches den Kollaps von Polymerketten und Pigmentpartikeln aus einer Agglomeration verhindern. Das Lösungsmittel oder die Lösungsmittelgemische, die in dem offenbarten farbigen System verwendet werden, können Wasser, niedere Alkohole (C₁-C₆ Alkohole), Kohlenwasserstoffe, Ether, Ester, Ketone, Glycolether, Pyrrolidone, Sulfoxide und Gemische davon sein, vorzugsweise niedere Alkohole und Gemische davon. Beispiele für ein Lösungsmittel, das verwendet werden kann, enthalten Butanol, Ethylacetat, Butylacetat, Xylol, Toluol, Propylenglycolmonomethylether, Propylenglycolmonomethyletheracetat und N-Methylpyrrolidon und Methylethylketon.
Bei einer weiteren Ausführungsform können die mehreren beschichteten Pigmente 10 in Systemen dispergiert sein, die üblicherweise in der Technik von Farben und Tinten verwendet werden, um eine optimale Anhaftung zu erreichen und/oder die Menge an externem Harz zu verringern, die in der Formulierung erforderlich ist. Bei dieser Ausführungsform kann die Zusammensetzung der Polymereinkapselung zur Verstärkung der Dispersion der Pigmente, Förderung der Anhaftung zwischen den Pigmenten und dem Rest der Beschichtung und/oder zur Bereitstellung einer Barrierenfunktion zum Schutz von Pigmenten eingestellt werden.
Ohne sich auf eine Theorie festlegen zu wollen, können die mechanischen Eigenschaften des Beschichtungsfilms aus der physischen Verschlingung der Polymerketten verschiedener beschichteter Pigmente 10 stammen. In einem Fall kann die Filmintegrität durch Einführen von Reaktionsstellen auf der Einkapselung 14 und die Bildung vernetzter Netzte nach dem Auftragen des beschichteten Systems auf ein Substrat weiter verstärkt werden. Ebenso kann die Anhaftung zwischen dem Beschichtungsfilm und dem beschichteten Pigment chemischen oder physikalischen Ursprung haben.
Die Verringerung eines Bindemittels in der fertigen Beschichtung kann auch das ästhetische Erscheinungsbild der fertigen Beschichtungsprodukte beeinflussen. In einem anderen Fall kann eine erhöhte Beladung mit beschichtetem Pigment in dem Beschichtungssystem zu einer Chroma- oder Opazitätsverstärkung der fertigen Beschichtung führen. Von Effektpigmenten ist bekannt, daß ein überschüssiges Harz in Farbe/Tinte die Orientierung eines Pigments aufbricht. Bei einem Beispiel kann die endgültige Orientierung der beschichteten Pigmente und daher das ästhetische Erscheinungsbild der Beschichtung im Vergleich zu herkömmlichen Methoden deutlich verbessert werden, da das Beschichtungssystem mit einem hohen P/B-Verhältnis gebildet werden kann und die beschichteten Pigmente gleichförmig in der Polymereinkapselung eingebettet werden können.
Die Polymereinkapselung kann auch so gestaltet sein, daß die beschichteten Pigmente eine bessere Stabilität in den Beschichtungssystemen und in dem Film, der auf einem Substrat gebildet wurde, aufweisen. Zum Beispiel können Al-Pigmente für einen Wasserangriff empfindlich sein, der Al abbauen und Wasserstoffgas erzeugen kann, das während des Versands und der Lagerung eine Gefahr bedeuten kann. In einem Beispiel kann das Einarbeiten einer hydrophoben Beschichtung auf einem Aluminiumpigment das Durchdringen von Wasser zur Oberfläche von Al-Flocken deutlich verzögern und somit die Stabilität des offenbarten Beschichtungssystems verbessern. Aus demselben Grund kann das fertige Beschichtungssystem eine bessere Wasserbeständigkeit im Vergleich zu einem herkömmlichen Beschichtungssystem aufweisen, das aus Pigmenten ohne Polymereinkapselung besteht.
Ferner können herkömmliche Farben/Tinten für gewöhnlich gewisse Viskositätskriterien erfordern, die vor dem Auftrag erfüllt sein müssen. Zum Beispiel kann in Tintenanwendungen die Menge der Pigmentbeladung durch die Viskosität der Tintengemische begrenzt sein. Überschüssige Pigmentbeladungen können häufig zu einer erhöhten Viskosität und verringerten Druckfähigkeit führen. In harzlosen Tinten können aufgrund des hohen Pigment/Bindemittel-Verhältnisses wesentliche Mengen an Pigmenten in dem Lösungsmittel dispergiert sein, ohne die Tintenviskosität signifikant zu erhöhen. In einem Beispiel erfordert das offenbarte Beschichtungssystem gegebenenfalls keine Viskositätskriterien. In einem Fall kann das Beschichtungssystem mit geringer Viskosität angewendet werden. Da in diesem Fall das Beschichtungssystem einen geringen Prozentsatz an Harz im Vergleich zu herkömmlichen Farben/Tinten enthalten kann, kann sich das offenbarte Beschichtungssystem im Vergleich zu jenem herkömmlicher Farben/Tinten in einer viel kürzeren Zeitperiode verfestigen, wenn es auf ein Substrat aufgetragen wird.
Ein weitere Vorteil ist, daß, da die harzlosen Farben/Tinten relativ geringe Mengen an Harz im Vergleich zu herkömmlichen Beschichtungssystemen enthalten können, die harzlose Beschichtung in einer viel kürzeren Zeitperiode als herkömmliche Beschichtungssysteme getrocknet werden kann.
Ein weiterer Vorteil ist, daß, da gegebenenfalls kein externes Harz oder gegebenenfalls kein Dispergiermittel in dem offenbarten Beschichtungssystem erforderlich ist, das offenbarte System während des Formulierungsprozesses sehr einfach ist. Zum Beispiel können die beschichteten Pigmente 10 in Form einer Aufschlämmung gelagert werden. Bulk-Lösungsmittel können unmittelbar vor der Anwendung des Beschichtungssystems zugegeben werden.
Das harzlose System kann mit standardmäßigen Beschichtungs- und Druckmethoden aufgetragen werden. Zu den Auftragsmethoden für die harzlose Farbe zählen, ohne aber darauf beschränkt zu sein, Sprüh- und Tauchbeschichtung. Auftragsmethoden für die harzlose Tinte enthalten, ohne aber darauf beschränkt zu sein, Gravur-Flexo- und Offsetdruck.
Bei einer Ausführungsform eines Artikels enthält der Artikel eine Beschichtung, die das offenbarte Beschichtungssystem enthalten kann.
BEISPIELE
Beispiel 1 – Zubereitung eines mit Polystyrol beschichteten Al-Pigments
480 g Aluminiumpaste (Silberline Sparkle Silver^® Premium 695, 75,28% nicht flüchtige Stoffe), 1200 Milliliter Toluol und 3 Milliliter 3-(Trimethoxysilylpropyl)-2-bromo-2-methylpopionat wurden einem 2 Liter Reaktionskolben zugegeben, der mit einem mechanischen Rührer und einem Kondensator ausgestattet war. Das Reaktionsgemisch wurde erwärmt und 24 Stunden unter Rückfluß gehalten. Sobald die Reaktionszeit abgelaufen war, wurde das Gemisch auf Raumtemperatur abgekühlt. Die Flocken wurden vakuumfiltriert. Zwei Waschungen mit Toluol wurden durchgeführt.
32,3 g initiatormodifizierte Al-Paste (enthaltend 20 g nicht flüchtige Stoffe), 0,423 g CuBr, 200 Milliliter Styrol und 190 Milliliter PM-Acetat, wurden einem 500 Milliliter Reaktionskolben zugegeben, der mit einem mechanischen Rührer und einem Heizmantel ausgestattet war. Die Lösung wurde mit Stickstoff entgast und auf 80°C unter konstantem Rühren erwärmt. In einem getrennten Kolben wurde Pentamethyldiethylentriamin (PMDETA) mit Stickstoff 30 min entgast. Dann wurden 0,83 Milliliter entgastes PMDETA mit einer stickstoffgespülten Spritze zu dem Reaktionskolben überführt. Nach 4 Stunden Polymerisation wurde die Reaktion gestoppt. Die Pigmente wurden durch Zentrifugation gereinigt. Eine Thermo-Gravimetrieanalyse bestätigte, daß das Polymer aus 15,86% getrockneten Pigmenten bestand. Die Pigmente wurden als feuchte Paste in PM-Acetat gelagert.
Beispiel 2 – Harzlose Farbe aus mit Polystyrol beschichtetem Al-Pigment von Beispiel 1
Harzlose Farbe aus dem in Beispiel 1 hergestellten Pigment wurde durch Verdünnen der feuchten Paste mit PM-Acetat zubereitet. Die fertige Farbe hatte eine Pigment-Gewichtskonzentration von 10,1%. Die Farbe wurde auf die Kunststoffplatte aus Polystyrol, Poly(methylmethacrylat) und Acrylonitrilbutadienstyrol (ABS) siphongesprüht. Die besprühte Tafel wurde in einem Ofen weiter getrocknet.
Beispiel 3 – Herstellung eines mit Poly(methylmethacrylat) beschichteten Al-Pigments
4,8 kg Aluminiumpaste (Silberline Sparkle Silver^® Premium 695, 75,68% nicht flüchtige Stoffe), 12 Liter PM-Acetat und 16 Milliliter 3-(Trimethoxysilylpropyl)-2-bromo-2-methylpopionat wurden einem 2 Liter Reaktionskolben zugegeben, der mit einem mechanischen Rührer und einem Kondensator ausgestattet war. Das Reaktionsgemisch wurde erwärmt und 6 Stunden unter Rückfluß gehalten. Sobald die Reaktionszeit abgelaufen war, wurde das Gemisch auf Raumtemperatur abgekühlt. Die Flocken wurden vakuumfiltriert. Zwei Waschungen mit PM-Acetat wurden durchgeführt.
61,6 g initiatormodifizierte Al-Paste (enthaltend 40 g nicht flüchtige Stoffe), 0,106 g CuBr, 200 Milliliter Methylmethacrylat und 180 Milliliter PM-Acetat wurden einem 500 Milliliter Reaktionskolben zugegeben, der mit einem mechanischen Rührer und einem Heizmantel ausgestattet war. Die Lösung wurde mit Argon entgast und auf 80°C unter konstantem Rühren erwärmt. In einem getrennten Kolben wurde Pentamethyldiethylentriamin (PMDETA) mit Argon 30 min entgast. Dann wurden 0,16 Milliliter entgastes PMDETA mit einer argongespülten Spritze zu dem Reaktionskolben überführt. Nach 4 Stunden Polymerisation wurde die Reaktion gestoppt. Die Pigmente wurden durch Zentrifugation gereinigt. Eine Thermo-Gravimetrieanalyse bestätigte, daß das Polymer aus 20,19% getrockneten Pigmenten bestand. Die Pigmente wurden als feuchte Paste in PM-Acetat gelagert.
Beispiel 4 – Harzlose Farbe aus mit Poly(methylmethacrylat) beschichtetem Al aus Beispiel 3
Harzlose Farbe aus dem in Beispiel 3 hergestellten Pigment wurde durch Verdünnen der feuchten Paste mit PM-Acetat zubereitet. Die fertige Farbe hatte eine Pigment-Gewichtskonzentration von 5,8%. Die Farbe wurde auf die Kunststoffplatte aus Poly(methylmethacrylat) und ABS siphongesprüht. Die besprühte Tafel wurde in einem Ofen weiter getrocknet.
Beispiel 5 – Artikel, der das harzlose System enthält
Die harzlose Farbe, die gemäß Beispiel 4 zubereitet wurde, wurde auf (a) Poly(methylmethacrylat)-, (b) Acrylonitrilbutadienstyrol- und (c) Polystyroltafeln aufgetragen. Die Beschichtungssysteme wurden durch Siphonsprühung der harzlosen Farben gebildet. Die Ergebnisse sind in 2 dargestellt.
Beispiel 6 – Gitterschnittprüfung
Der Gitterschnittprüfung der Beschichtung in Beispiel 4 wurde gemäß ASTM D3359 Standards durchgeführt. Die Ergebnisse sind in 3 dargestellt. Wie in 3 dargestellt, kann die Beschichtung, die mit dem offenbarten Verfahren zubereitet wird, eine gute Leistung in einer standardmäßigen Gitterschnittprüfung liefern.
Beispiel 7 – Rasterelektronenmikroskopie der harzlosen Beschichtung
Die mit harzloser Farbe beschichtete Poly(methylmethacrylat)-Platte in Beispiel 5 wurde mit Rasterelektronenmikroskopie analysiert. Die Ergebnisse sind in 4 dargestellt. 4 zeigt eine bessere Orientierung der Pigmente, was ein besseres ästhetisches Erscheinungsbild der Beschichtung ermöglicht.
Die Erfindung umfaßt insbesondere, ohne darauf beschränkt zu sein, folgendes:

1. Beschichtungssystem, umfassend: mehrere beschichtete Pigmente, und ein Lösungsmittel oder Lösungsmittelgemisch, wobei jedes der beschichteten Pigmente ein Pigment mit einer Oberfläche und eine Beschichtung, die das Pigment umgibt, umfaßt, wobei die Beschichtung Polymerketten enthält, wobei die Polymerketten die Oberfläche des Pigments umgeben und an die Oberfläche des Pigments geheftet sind, und wobei die Polymerketten der mehreren beschichteten Pigmente in einer ausreichenden Menge vorhanden sind, um einen Film zu bilden und den Film an ein Substrat anzuheften, wenn das Beschichtungssystem auf dem Substrat aufgetragen wird.
2. Beschichtungssystem gemäß Ziffer 1, wobei das System keine zusätzlichen Dispergiermittel und/oder Harze außer jenen enthält, die an die Oberfläche des Pigments geheftet sind.
3. Beschichtungssystem gemäß Ziffer 1 oder 2, wobei die Beschichtung mindestens eine Lage hat und wobei die mindestens eine Lage Polymerketten enthält und die Polymerketten im wesentlichen eine gleichförmige Struktur haben.
4. Beschichtungssystem gemäß einer der vorstehenden Ziffern, wobei die Beschichtung mehrere Lagen aufweist, wobei jede Lage die Polymerketten enthält, wobei die Polymerketten in jeder Lage im wesentlichen eine gleichförmige Struktur haben.
5. Beschichtungssystem gemäß einer der vorstehenden Ziffern, wobei die Pigmente mindestens eines enthalten, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Metallloxiden, Metalloxid-eingekapselten Materialien, Siliziumdioxid, Borsilikat, Siliziumdioxid-beschichteten Materialien, Glimmer, Glas, Eisen oder Aluminium.
6. Beschichtungssystem gemäß einer der vorstehenden Ziffern, wobei die Beschichtung eine innere Passivierungslage und eine äußere Dispersionslage enthält.
7. Beschichtungssystem gemäß einer der vorstehenden Ziffern, wobei die Beschichtung anorganische oder organische Färbemittel enthält.
8. Beschichtungssystem gemäß einer der vorstehenden Ziffern, wobei die Beschichtung Zwischenkettenvernetzungen enthält.
9. Beschichtungssystem gemäß einer der vorstehenden Ziffern, wobei das Lösungsmittel aus der aus Wasser, niederen Alkoholen und Gemischen davon bestehenden Gruppe gewählt ist.
10. Beschichtungssystem gemäß einer der vorstehenden Ziffern, wobei das Beschichtungssystem ein Tinten- oder Farbensystem ist.
11. Beschichtungssystem gemäß einer der vorstehenden Ziffern, wobei das Pigment/Bindemittel-Verhältnis zwischen 1 und 10 liegt.
12. Beschichtungssystem gemäß einer der vorstehenden Ziffern, wobei das Substrat Kunststoff oder Metall ist.
13. Beschichtungssystem gemäß einer der vorstehenden Ziffern, wobei das gefärbte System keine Alkyd-, Polyester-, Polyamid-, Polyimid-, Silikon-, Phenol-, Harnstoff-, Melamin-, Epoxy-, Polyurethan-, Polyolefin-, Polyvinyl- und Polyacrylharze enthält.
14. Beschichtungssystem gemäß einer der vorstehenden Ziffern, wobei jedes der beschichteten Pigmente ein Pigment mit einer Dicke im Bereich von 0,5 nm bis 500 Mikron enthält.
15. Beschichtungssystem gemäß einer der vorstehenden Ziffern, wobei jedes der beschichteten Pigmente ein Pigment mit einer Dicke im Bereich von 20 nm bis 100 Mikron enthält.
16. Beschichtungssystem gemäß einer der vorstehenden Ziffern, wobei jedes der beschichteten Pigmente ein Pigment mit einer Dicke im Bereich von 50 nm bis 1 Mikron enthält.
17. Beschichtungssystem gemäß einer der vorstehenden Ziffern, wobei jedes der beschichteten Pigmente ein Pigment mit einer Größe im Bereich von 100 nm bis 5000 Mikron enthält.
18. Beschichtungssystem gemäß einer der vorstehenden Ziffern, wobei jedes der beschichteten Pigmente ein Pigment mit einer Größe im Bereich von 500 nm bis 100 Mikron enthält.
19. Beschichtungssystem gemäß einer der vorstehenden Ziffern, wobei jedes der beschichteten Pigmente ein Pigment mit einer Größe im Bereich von 1 Mikron bis 50 Mikron enthält.
20. Beschichtungssystem gemäß einer der vorstehenden Ziffern, wobei die Polymere der beschichteten Pigmente eine Robustheit und Stabilität des Films bereitstellen.
21. Beschichtungssystem gemäß einer der vorstehenden Ziffern, wobei die Oberfläche jedes der beschichteten Pigmente glatt ist.
22. Beschichtungssystem wie unter einer der vorstehenden Ziffern, wobei das Beschichtungssystem so gestaltet ist, daß, wenn das Beschichtungssystem auf dem Substrat aufgetragen wird, der gebildet Film eine Dicke von 1 bis 10 Mikron aufweist.
23. Beschichtungssystem gemäß einer der vorstehenden Ziffern, wobei das Beschichtungssystem so gestaltet ist, daß, wenn das Beschichtungssystem auf dem Substrat aufgetragen wird, der gebildete Film eine Dicke von 2,5 bis 3 Mikron aufweist.
24. Beschichtungssystem gemäß einer der vorstehenden Ziffern, wobei das Beschichtungssystem so gestaltet ist, daß, wenn das Beschichtungssystem auf dem Substrat aufgetragen wird, der gebildete Film eine Dicke von 2,5 Mikron aufweist.
25. Beschichtungssystem gemäß einer der vorstehenden Ziffern, wobei eine Beschichtungssystemsdicke jedes der beschichteten Pigmente von einigen Nanometern bis zu mehr als 100 nm reicht.
26. Beschichtungssystem gemäß einer der vorstehenden Ziffern, wobei jedes der beschichteten Pigmente durch Modifizieren der Oberfläche jedes der Substrate erhalten wird, so daß ein Initiator an der Oberfläche jedes der Substrate immobilisiert ist.
27. Beschichtungssystem gemäß einer der vorstehenden Ziffern, wobei der immobilisierte Initiator eine oberflächenaktive Gruppe, einen Abstandshalter und eine Initiatorgruppe enthält.
28. Beschichtungssystem gemäß einer der vorstehenden Ziffern, wobei die oberflächenaktive Gruppe ausgewählt ist aus Mono-, Di-, Trialkoxylsilanen, Mono-, Di-, Trichlorsilanen, Carbonsäure, Organophosphorverbindungen und anderen chemischen Gruppen, die eine starke Affinität zu Metall-, Metalloxid- oder Siliziumdioxidoberflächen haben.
29. Beschichtungssystem gemäß einer der vorstehenden Ziffern, wobei die Initiatorgruppe ausgewählt ist aus Halogenatom, Alkoxyamin, Dithioester, Dithiocarbamaten, Thrithiocarbonaten, Xanthaten, organischen Peroxiden und Azoverbindungen.
30. Beschichtungssystem gemäß einer der vorstehenden Ziffern, wobei jedes der Pigmente durch Siliziumdoxid- oder Metalloxideinkapselung funktionalisiert ist.
31. Beschichtungssystem gemäß einer der vorstehenden Ziffern, wobei eine Beschichtungsdicke jeder der beschichteten Pigmente im wesentlichen gleichförmig ist, so daß, wenn eine durchschnittliche und Standardabweichung der Beschichtungsdicke aus Transmissionselektronenmikroskopiebildern von mehr als 10 verschiedenen beschichteten Pigmenten bei einer Vergrößerung zwischen × 20.000 und × 100.000 berechnet wird, die Standardabweichung der Beschichtungsdicke auf den Substraten um weniger als 15% der durchschnittlichen Beschichtungsdicke bei einem Skalierungsbalken von 100 nm variiert.
32. Beschichtungssystem gemäß einer der vorstehenden Ziffern, wobei ein Pigment/Bindemittel-Verhältnis des Beschichtungssystems 5 oder höher ist.
33. Beschichtungssystem gemäß einer der vorstehenden Ziffern, wobei ein Pigment/Bindemittel-Verhältnis des Beschichtungssystems 5 bis 10 ist.
34. Beschichtungssystem gemäß einer der vorstehenden Ziffern, wobei die Polymere eine derartige Flexibilität aufweisen, daß sich die Polymerketten sofort in ihrer Konfiguration neu ordnen können, so daß Kontaktflächen zwischen den Beschichtungsoberflächen vergrößert werden können.
35. Beschichtungssystem gemäß einer der vorstehenden Ziffern, wobei das Beschichtungssystem die beschichteten Pigmente in einer Menge von 10 bis 70 Gewichtsprozent enthält.
36. Beschichtungssystem gemäß einer der vorstehenden Ziffern, wobei das Beschichtungssystem die beschichteten Pigmente in einer Menge von 25 bis 85 Gewichtsprozent enthält.
37. Beschichtungssystem gemäß einer der vorstehenden Ziffern, wobei das Lösungsmittel ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Wasser, niederen Alkoholen, Ethern, Estern, Ketonen, Glycolethern, Pyrrolidonen, Sulfoxiden und Gemischen davon.
38. Beschichtungssystem gemäß einer der vorstehenden Ziffern, wobei das Lösungsmittel ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Butanol, Ethylacetat, Butylacetat, Xylol, Toluol, Propylenglycolmonomethylether, Propylenglycolmonomethyletheracetat und N-Methylpyrrolidon und Methylethylketon.
39. Beschichtungssystem gemäß r einer der vorstehenden Ziffern, wobei das Beschichtungssystem keine Viskositätskriterien erfordert.
40. Artikel, umfassend: eine Beschichtung, die das Beschichtungssystem gemäß einer der Ziffern 1 bis 39 umfaßt.
41. Artikel gemäß Ziffer 40, wobei die Beschichtung eine Dicke von 1 bis 10 Mikron aufweist.
42. Artikel gemäß Ziffer 40, wobei die Beschichtung eine Dicke von 2,5 bis 3 Mikron aufweist.
43. Artikel gemäß Ziffer 40, wobei die Beschichtung eine Dicke von 2,5 Mikron aufweist.
44. Verfahren zur Herstellung des Beschichtungssystems gemäß einer der Ziffern 1 bis 39, bestehend aus: Mischen der mehreren beschichteten Pigmente mit dem Lösungsmittel oder Lösungsmittelgemisch.
45. Verfahren zum Auftragen einer Beschichtungszusammensetzung, umfassend: Auftragen des Beschichtungssystems wie in einer der Ziffern 1 bis 39 auf ein Substrat.

Obwohl die offenbarten beschichteten Pigmente und Verfahren in Verbindung mit bevorzugten Ausführungsformen beschrieben wurden, ist für einen Fachmann auf dem hier betroffenen Gebiet offensichtlich, daß andere Abwandlungen und Verfeinerungen der offenbarten beschichteten Pigmente und Verfahren im Rahmen und Umfang der Offenbarung vorgenommen werden können.
Die Offenbarung ist in ihren verschiedenen Aspekten und offenbarten Formen an das Erreichen der genannten Zielsetzungen und Vorteile angepaßt. Die offenbarten Einzelheiten sind jedoch nicht als Einschränkungen der Ansprüche zu verstehen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 5763548 [0029]
US 6353107 [0029]
US 7205362 [0029]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

”Organic coatings: science and technology”, dritte Auflage (New York: John Wiley & Sons, 2007), Seiten 440 und 446 [0019]
ASTM D3359 Standards [0063]

Claims

Beschichtungssystem, umfassend: – mehrere beschichtete Pigmente, und – ein Lösungsmittel oder Lösungsmittelgemisch, – wobei jedes der beschichteten Pigmente ein Pigment mit einer Oberfläche und eine Beschichtung umfaßt, die das Pigment umgibt, – wobei die Beschichtung Polymerketten enthält, wobei die Polymerketten die Oberfläche des Pigments umgeben und an der Oberfläche des Pigments haften, und – wobei die Polymerketten der mehreren beschichteten Pigmente in einer ausreichenden Menge vorhanden sind, um einen Film zu bilden und den Film an ein Substrat anzuheften, wenn das Beschichtungssystem auf dem Substrat aufgetragen wird.
Beschichtungssystem nach Anspruch 1, wobei das System keine zusätzlichen Dispergiermittel und/oder Harze außer jenen enthält, die an der Oberfläche des Pigments haften.
Beschichtungssystem nach einem der Ansprüche 1 und 2, wobei die Beschichtung mindestens eine Lage hat und wobei die mindestens eine Lage Polymerketten enthält und die Polymerketten im wesentlichen eine gleichförmige Struktur haben.
Beschichtungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Beschichtung mehrere Lagen aufweist, wobei jede Lage die Polymerketten enthält, wobei die Polymerketten in jeder Lage im wesentlichen eine gleichförmige Struktur haben.
Beschichtungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Pigmente mindestens eines enthalten, das aus der aus Metallloxiden, Metalloxideingekapselten Materialien, Siliziumdioxid, Borsilikat, Siliziumdioxid-beschichteten Materialien, Glimmer, Glas, Eisen oder Aluminium bestehenden Gruppe gewählt ist.
Beschichtungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Beschichtung eine innere Passivierungslage und eine äußere Dispersionslage enthält.
Beschichtungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Beschichtung anorganische oder organische Färbemittel enthält.
Beschichtungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Beschichtung Zwischenkettenvernetzungen enthält.
Beschichtungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Lösungsmittel aus der aus Wasser, niederen Alkoholen und Gemischen davon bestehenden Gruppe gewählt ist.
Beschichtungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Beschichtungssystem ein Tinten- oder Farbensystem ist.
Beschichtungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Pigment/Bindemittel-Verhältnis zwischen 1 und 10 liegt.
Beschichtungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei das Substrat Kunststoff oder Metall ist.
Verfahren zur Herstellung des Beschichtungssystems nach einem der Ansprüche 1 bis 12, umfassend: Mischen der mehreren beschichteten Pigmente mit dem Lösungsmittel oder Lösungsmittelgemisch.
Artikel, umfassend: eine Beschichtung, die das Beschichtungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 12 umfaßt.
Verfahren zum Auftragen einer Beschichtungszusammensetzung, umfassend: Auftragen des Beschichtungssystems nach einem der Ansprüche 1 bis 12 auf ein Substrat.