DE102018108588A1 - Barrier layers and compositions for their preparation - Google Patents
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- C09D—COATING COMPOSITIONS, e.g. PAINTS, VARNISHES OR LACQUERS; FILLING PASTES; CHEMICAL PAINT OR INK REMOVERS; INKS; CORRECTING FLUIDS; WOODSTAINS; PASTES OR SOLIDS FOR COLOURING OR PRINTING; USE OF MATERIALS THEREFOR
- C09D7/00—Features of coating compositions, not provided for in group C09D5/00; Processes for incorporating ingredients in coating compositions
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Abstract
Es wird eine Zusammensetzung vorgeschlagen, mit der auch bei großen Stückzahlen kostengünstiger als bisher Barriereschichten oder Barrierebeschichtungen hergestellt werden können, wobei diese Zusammensetzung für die Herstellung einer Barriereschicht ein Polymermaterial, oberflächenmodifizierte Plättchen-förmige anorganische Partikel und einen Wasseranteil umfasst, wobei die Partikel an ihrer Oberfläche mit einer oder mehreren aminofunktionellen Komponenten modifiziert sind, wobei die Partikel eine nanoskalige Plättchendicke aufweisen und wobei das Polymermaterial Polyvinylidenchlorid, Cellulose-Derivate, Polyvinylalkohol, Ethylen-Vinylalkohol-Copolymere, Polyurethane, Polyacrylate und/oder deren Mischungen umfasst.A composition is proposed which can be used to produce barrier layers or barrier coatings more cost-effectively than in the past, this composition comprising a polymer material, surface-modified platelet-shaped inorganic particles and a water fraction for the production of a barrier layer, the particles on their surface modified with one or more amino-functional components, wherein the particles have a nanoscale platelet thickness and wherein the polymer material comprises polyvinylidene chloride, cellulose derivatives, polyvinyl alcohol, ethylene-vinyl alcohol copolymers, polyurethanes, polyacrylates and / or mixtures thereof.
Description
Die Erfindung betrifft eine Zusammensetzung für die Herstellung von Barriereschichten, die Verwendung der erfindungsgemäßen Zusammensetzungen zur Herstellung von Barriereschichten, Barriereschichten, die aus den erfindungsgemäßen Zusammensetzungen hergestellt sind, Substrate, die mit einer Barriereschicht versehen sind, sowie ein Verfahren zum Aufbringen einer Barriereschicht auf einem Substrat.The invention relates to a composition for the preparation of barrier layers, the use of the compositions according to the invention for the preparation of barrier layers, barrier layers made from the compositions according to the invention, substrates provided with a barrier layer and a method for applying a barrier layer to a substrate ,
Verpackungen und Gebinde aus unterschiedlichsten Materialien sind von allgemeiner Bedeutung, sowohl für den privaten als auch für den industriellen Gebrauch. Im einfachsten Fall stellen diese Verpackungen und Gebinde nur Behältnisse dar.Packaging and packaging made of various materials are of general importance, both for private and industrial use. In the simplest case, these packages and containers represent only containers.
Insbesondere bei der Lagerung von wertvollen, empfindlichen oder gefährlichen Gütern müssen diese vor Umwelteinflüssen oder generell vor äußeren Einflüssen geschützt werden. Dies kann insbesondere durch zusätzliche Schutzschichten oder Barriereschichten, welche auf den jeweiligen Verpackungen und Gebinden aufgebracht werden, realisiert werden. Ein zusätzlicher Schutz von wertvollen und empfindlichen Gütern, welcher häufig nicht ausschließlich durch ein herkömmliches Verpackungsmaterial geleistet werden kann, betrifft vor allem einen Schutz gegenüber Umwelteinflüssen wie Feuchte, Sauerstoff, Licht- und Temperatureinflüssen.In particular, when storing valuable, sensitive or dangerous goods they must be protected from environmental influences or generally against external influences. This can be realized in particular by additional protective layers or barrier layers, which are applied to the respective packaging and containers. An additional protection of valuable and sensitive goods, which often can not be done exclusively by a conventional packaging material, concerns above all a protection against environmental influences such as moisture, oxygen, light and temperature influences.
Vor allem für Materialien in der Pharma-, der Genussmittel-, der chemischen, der Computer- als auch in der Baustoffindustrie finden Verpackungen und Gebinde mit solchen zusätzlich aufgebrachten Barriereschichten umfangreiche Anwendung.Especially for materials in the pharmaceutical, semi-luxury, chemical, computer and building materials industries, packaging and containers are used extensively with such additionally applied barrier layers.
Resultierend aus den beschriebenen Aspekten besteht somit ein dringender und wachsender Bedarf an kostengünstig und einfach aufzubringenden Barrierebeschichtungen für Verpackungen und Gebinde, welche auf den gängigen Verpackungsmaterialien eine gute Haftung zeigen und bei welchen die elastischen Eigenschaften und die Härte einstellbar sind.As a result of the described aspects, there is thus an urgent and growing need for inexpensive and easy to apply barrier coatings for packaging and containers, which show good adhesion to the common packaging materials and in which the elastic properties and hardness are adjustable.
Jedoch nicht nur zur Anwendung als Barrierebeschichtung auf Verpackungen und Gebinden oder Folien besteht ein zunehmender Bedarf an verbesserten Barrierebeschichtungen, sondern auch zum Korrosionsschutz von Metallen sind insbesondere die Barriereeigenschaften der Beschichtung oder der aufgebrachten Konversionsschichten gegenüber Sauerstoff, Elektrolyten und Wasser von elementarer Bedeutung.However, not only for use as a barrier coating on packaging and containers or foils, there is an increasing demand for improved barrier coatings, but also for the corrosion protection of metals, the barrier properties of the coating or applied conversion layers to oxygen, electrolytes and water are of elementary importance.
Als Barriereschichten haben sich mittels Vakuumverfahren, beispielsweise mittels der sogenannten Physical Vapor Deposition (PVD), abgeschiedene Metallschichten, insbesondere PVD-Aluminiumschichten, bewährt, welche allerdings zum Schutz vor Oxidation und Korrosion oftmals selbst wiederum durch ein Aufbringen von organischen Beschichtungen geschützt werden müssen.As barrier layers, by means of vacuum methods, for example by means of the so-called Physical Vapor Deposition (PVD), deposited metal layers, in particular PVD aluminum layers, have proven useful, which, however, often have to be protected against oxidation and corrosion themselves by applying organic coatings.
Die Verwendung von PVD-beschichteten Folien als Verpackung und zum Schutz von empfindlichen Waren vor Sauerstoff und Wasserdampf ist vielfältig bekannt. Die Barrierewirkung einer aufgedampften dünnen metallischen Schicht ist sehr hoch.The use of PVD-coated films as packaging and for the protection of sensitive goods from oxygen and water vapor is widely known. The barrier effect of a vapor deposited thin metallic layer is very high.
Nachteilig sind jedoch die aufwändigen und teuren Produktionsverfahren im Hochvakuum und die teilweise starke Anfälligkeit dieser Schichten für Korrosionsprozesse. Es wurden deshalb im Stand der Technik für eine Reihe von Applikationen schon alternative Barriereschichten empfohlen.Disadvantages, however, are the complex and expensive production processes in a high vacuum and the sometimes pronounced susceptibility of these layers to corrosion processes. Therefore, alternative barrier layers have already been recommended in the prior art for a number of applications.
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Beschichtete Aluminiumfolien werden ebenfalls in der
Das U.S.-Patent
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Die
Auch Barriereschichten, bestehend aus organischen Filmbildnern wie Polyvinylidenchlorid (PVDC) oder Ethylen-Vinylalkohol-Copolymeren (EVOH), sind in Verwendung. Die Barrierewirkung dieser Polymerschichten ist jedoch für die meisten Anwendungen, bei denen es um eine Sauerstoff- und insbesondere auch eine Wasserbarriere geht, nicht ausreichend hoch. Meistens werden diese Barriereschichten deshalb mit anderen metallischen oder oxidischen Sperrschichten kombiniert.Barrier layers consisting of organic film formers such as polyvinylidene chloride (PVDC) or ethylene-vinyl alcohol copolymers (EVOH) are also in use. However, the barrier effect of these polymer layers is not sufficiently high for most applications involving an oxygen barrier, and especially a water barrier. For the most part, these barrier layers are therefore combined with other metallic or oxidic barrier layers.
Um die Barrierewirkung zu verbessern, wurden auch schon sogenannte Hybridmaterialien verwendet. In der
Um eine maximale Wirkung bei diesen Hybridmaterialschichten zu erzielen, ist deshalb oftmals ein Zwei-Schicht-Aufbau aus einer metallischen oder oxidischen Schicht und einer Schicht aus dem Hybridmaterial notwendig.To achieve maximum effect in these hybrid material layers, therefore, a two-layer structure of a metallic or oxidic layer and a layer of the hybrid material is often necessary.
In der
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Als wichtigste Eigenschaften von Barriereschichten neben der Sperrwirkung gegenüber den jeweiligen Umwelteinflüssen sind jedoch vor allem die Robustheit, Flexibilität und Kosten im Aufbringungsprozess sowie die Permanenz dieser Beschichtungen zu nennen.However, the most important properties of barrier layers in addition to the barrier effect against the respective environmental influences are, above all, the robustness, flexibility and costs in the application process and the permanence of these coatings.
Eine wesentliche Rolle für die Erfordernisse einer Barriereschicht spielen die immensen Stückzahlen der in den Industrienationen produzierten Verpackungen und Gebinde sowie der weltweit vorherrschende Druck zur Kostensenkung und Erhöhung der Produktivität.An essential role for the requirements of a barrier layer is played by the immense quantities of packaging and packaging produced in the industrialized nations as well as the worldwide pressure to reduce costs and increase productivity.
Wie schon erläutert, werden gemäß dem Stand der Technik Metallschichten, zumeist Aluminiummetallschichten, im Vakuum mittels PVD-Verfahren, als Barriereschichten auf unterschiedlichste Materialien aufgebracht. Diese Prozesse sind zum einen energie- und kostenintensiv und zum anderen durch die Verwendung eines Vakuumprozesses auch wenig flexibel.As already explained, according to the prior art, metal layers, mostly aluminum metal layers, are vacuum-deposited by means of PVD processes as barrier layers on a very wide variety of materials applied. These processes are on the one hand energy and cost intensive and on the other hand by the use of a vacuum process also not very flexible.
Es besteht deshalb ein Bedarf an Barriereschichten, welche sich einfacher und kostengünstiger aufbringen lassen, wobei trotzdem eine Barrierewirkung, beispielsweise gegenüber Sauerstoff- und Wasserdampf, in einer ähnlichen Größenordnung wie sie mit der Barrierewirkung einer PVD-Schicht aus Metall erzielbar ist, bereitgestellt werden kann.There is therefore a need for barrier layers which can be applied more simply and inexpensively, while still being able to provide a barrier effect, for example to oxygen and water vapor, of a similar order of magnitude as can be achieved with the barrier effect of a PVD layer of metal.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Zusammensetzung vorzuschlagen, mit der kostengünstiger auch bei großen Stückzahlen Barriereschichten oder Barrierebeschichtungen hergestellt werden können.The object of the present invention is to propose a composition with which barrier layers or barrier coatings can be produced more cost-effectively, even for large quantities.
Diese Aufgabe wird durch eine Zusammensetzung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.This object is achieved by a composition having the features of claim 1.
Produktionsbedingte Nachteile von Barrierebeschichtungen, welche aus PVD-Metallschichten bestehen, werden durch die vorliegende Erfindung vermieden. Der zeitaufwändige, energie- und letztlich kostenintensive Metallbeschichtungsprozess im etablierten Stand der Technik wird gemäß der vorliegenden Erfindung durch eine Applikation einer flüssigen, wasserbasierenden Zusammensetzung von Beschichtungskomponenten ersetzt.Production-related disadvantages of barrier coatings consisting of PVD metal layers are avoided by the present invention. The time-consuming, energy-consuming and ultimately expensive metal coating process in the established state of the art is replaced according to the present invention by an application of a liquid, water-based composition of coating components.
Die erfindungsgemäßen Zusammensetzungen können einfach auf die mit einer Barrierebeschichtung auszustattenden Substrate, insbesondere auch auf Folien, aufgetragen werden. Besonders vorteilhaft ist, dass sich die erfindungsgemäßen Zusammensetzungen auch so formulieren lassen, dass sie mittels Rakeln oder eines Druckers als Schicht auf das Substrat applizierbar sind.The compositions according to the invention can easily be applied to the substrates to be provided with a barrier coating, in particular also to films. It is particularly advantageous that the compositions according to the invention can also be formulated in such a way that they can be applied to the substrate as a layer by means of doctor blades or a printer.
Unter den Begriff Partikel mit „nanoskaliger Plättchendicke“ fallen im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere Plättchen-förmige Partikel mit einer mittleren Dicke von ca. 200 nm oder weniger, insbesondere ca. 100 nm oder weniger, weiter bevorzugt ca. 80 nm oder weniger und gegebenenfalls ca. 60 nm oder weniger.In the context of the present invention, the term particles having "nanoscale platelet thickness" particularly includes platelet-shaped particles having an average thickness of about 200 nm or less, in particular about 100 nm or less, more preferably about 80 nm or less, and optionally about 60 nm or less.
Die mittlere Dicke der Plättchen-förmigen Partikel lässt sich anhand von Elektronenmikroskopie-Aufnahmen händisch ermitteln.The average thickness of the platelet-shaped particles can be determined manually by means of electron microscopy images.
Erfindungsgemäß sind die Partikel mit nanoskaliger Plättchendicke an ihrer Oberfläche mit einer oder mehreren aminofunktionellen Komponenten modifiziert.According to the invention, the particles with nanoscale platelet thickness are modified on their surface with one or more amino-functional components.
Die erfindungsgemäße Zusammensetzung lässt sich - im Gegensatz zu den beschriebenen PVD-Verfahren im Stand der Technik - unter Verwendung von konventionellen und allgemein zugänglichen Lackieranlagen, durch Tauchen bzw. mittels Aufdrucken besonders Kosten-, Zeit-, und Energie-effizient auf einem Substrat aufbringen.In contrast to the described PVD methods in the prior art, the composition according to the invention can be applied on a substrate in a cost, time and energy efficient manner using conventional and generally accessible painting systems, by dipping or by printing.
Zu den genannten Aspekten kommt die universelle Einsetzbarkeit und Haftung der erfindungsgemäßen Zusammensetzung und der daraus gewonnenen Beschichtungen auf unterschiedlichen Substraten hinzu. Darüber hinaus können die Härte und die elastischen Eigenschaften der erfindungsgemäß resultierenden Barrierebeschichtung eingestellt werden.Among the aspects mentioned is the universal applicability and adhesion of the composition of the invention and the coatings obtained therefrom on different substrates added. In addition, the hardness and the elastic properties of the barrier coating resulting according to the invention can be adjusted.
Das Polymermaterial der erfindungsgemäßen wasserhaltigen Zusammensetzungen umfasst Polyvinylidenchloride, Cellulose-Derivate, Polyvinylalkohole, Ethylen-Vinylalkohol-Copolymere, Polyurethane, Polyacrylate oder deren Mischungen.The polymeric material of the hydrous compositions of this invention include polyvinylidene chlorides, cellulose derivatives, polyvinyl alcohols, ethylene-vinyl alcohol copolymers, polyurethanes, polyacrylates, or mixtures thereof.
Die Cellulose-Derivate sind bevorzugt partiell veresterte Cellulosematerialien, wobei der Substitutionsgrad (degree of substitution, DS), die durchschnittliche Zahl ersetzter Hydroxygruppen pro Glucoseeinheit, vorzugsweise ca. 1 bis ca. 3, insbesondere ca. 1 bis ca. 2 beträgt.The cellulose derivatives are preferably partially esterified cellulosic materials, wherein the degree of substitution (DS), the average number of replaced hydroxy groups per glucose unit, preferably about 1 to about 3, in particular about 1 to about 2.
Bevorzugt umfasst das Polymermaterial eine Polymer- und/oder Oligomerkomponente, welche radikalisch und/oder thermisch aushärtbar ist. Die zuvor genannten Polymermaterialien können bei einer entsprechenden Auswahl diese Funktionalität schon beinhalten. Für eine thermische Aushärtbarkeit sind Polymermaterialien bzw. -komponenten mit Isocyanatgruppen bevorzugt, für eine radikalische Aushärtbarkeit solche mit doppelbindungsfunktionellen Gruppen.The polymer material preferably comprises a polymer and / or oligomer component which is free-radically and / or thermally curable. The aforementioned polymeric materials may already include this functionality if selected. For thermal curability, polymeric materials or components having isocyanate groups are preferred, for free-radical curability those having double bond-functional groups are preferred.
Die nanoskaligen, Plättchen-förmigen anorganischen Partikel werden bevorzugt ausgewählt aus Metall-, Metalloxid-, Nitrid- und Silikat-basierenden Plättchen-förmigen Partikeln. The nanoscale, platelet-shaped inorganic particles are preferably selected from metal, metal oxide, nitride and silicate-based platelet-shaped particles.
Insbesondere werden die Plättchen-förmigen Partikel für die erfindungsgemäße Zusammensetzung aus Aluminium- und Aluminiumoxid-Partikeln, Glas-Partikeln, Aluminiumsilikat- und Silikat-Partikeln sowie aus Bornitrid-Partikeln ausgewählt. In particular, the platelet-shaped particles for the composition according to the invention are selected from aluminum and aluminum oxide particles, glass particles, aluminum silicate and silicate particles and also boron nitride particles.
Plättchen-förmige Metallpartikel-haltige erfindungsgemäße Beschichtungen erzeugen nicht nur eine Barrierewirkung gegenüber Gasen und Feuchtigkeit, sondern ergeben insbesondere auch eine Schutzwirkung gegenüber Wärme- und UV-Strahlung.Platelet-shaped metal particle-containing coatings of the invention not only produce a barrier effect against gases and moisture, but in particular also provide a protective effect against heat and UV radiation.
Es hat sich gezeigt, dass selbst stark vernetzte Zwei-Komponenten(2K)-Klarlacke allein keine ausreichende Barrierewirkung gegenüber Gasen bereitstellen können. Deshalb kommen erfindungsgemäß zur Erhöhung der Barrierewirkung Plättchen-förmige Füllstoffe zum Einsatz, beispielsweise werden den erfindungsgemäßen Zusammensetzungen Talkum- oder Glimmermaterialien zugesetzt.It has been found that even highly crosslinked two-component (2K) clearcoat materials alone can not provide sufficient barrier to gases. Therefore platelet-shaped fillers are used according to the invention to increase the barrier effect, for example talc or mica materials are added to the compositions according to the invention.
Aufgrund der Hydrophilie der verwendeten anorganischen Plättchen ist an sich ein erhöhtes Wasserspeichervermögen der Beschichtung zu erwarten, so dass der Einsatz dieser Materialien gewissen Einschränkungen unterliegen würde.Due to the hydrophilicity of the inorganic platelets used, an increased water storage capacity of the coating is to be expected per se, so that the use of these materials would be subject to certain restrictions.
Im Hinblick darauf wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass die Plättchen-förmigen Partikel an ihrer Oberfläche mit einer oder mehreren aminofunktionellen Komponente(n) und gegebenenfalls einer oder mehreren doppelbindungsfunktionellen reaktiven Silankomponenten modifiziert sind, so dass deren Hydrophilie für den jeweiligen Anwendungsfall optimiert wird.In view of this, the invention proposes that the platelet-shaped particles are modified on their surface with one or more amino-functional component (s) and optionally one or more double bond-functional reactive silane components, so that their hydrophilicity is optimized for the particular application.
Darüber hinaus entfalten diese Plättchen-förmigen Materialien eine optimale Wirkung, da sie aufgrund der Oberflächenmodifizierung mit der Beschichtungsmatrix kompatibel sind und weiterhin bevorzugt chemisch mit der Bindemittelmatrix vernetzbar sind.In addition, these platelet-shaped materials have an optimum effect because they are compatible with the coating matrix due to surface modification and, more preferably, are chemically crosslinkable with the binder matrix.
Weiter bevorzugt können die Plättchen-förmigen Partikel optional zusätzlich mit reaktiven epoxidfunktionalen Silankomponenten oberflächenmodifiziert sein, was insbesondere für Metall- und silikatische Partikel gilt.More preferably, the platelet-shaped particles may optionally be additionally surface-modified with reactive epoxide-functional silane components, which applies in particular to metal and silicate particles.
Bevorzugt werden die Plättchen-förmigen Partikel ausgewählt aus Metall-, Metalloxid-, Nitrid- und Silikat-basierenden Partikeln, und insbesondere ausgewählt aus Aluminium-Partikeln, Aluminiumoxid-Partikeln, Glas-Partikeln, Aluminiumsilikat-Partikeln, Silikat-Partikeln und Bornitrid-Partikeln.The platelet-shaped particles are preferably selected from metal, metal oxide, nitride and silicate-based particles, and in particular selected from aluminum particles, aluminum oxide particles, glass particles, aluminum silicate particles, silicate particles and boron nitride particles ,
Die aminofunktionelle Komponente zur Oberflächenmodifizierung der Plättchen-förmigen Partikel wird insbesondere ausgewählt aus mehrfachfunktionellen, niedermolekularen aliphatischen, aromatischen und heterocyclischen Komponenten, sowie aminofunktionellen Polyether-Komponenten, 2-Aminoethyl-3-aminopropyltrimethoxysilan und 3-Aminopropyltrimethoxysilan oder deren Mischungen.The amino-functional component for surface modification of the platelet-shaped particles is in particular selected from polyfunctional, low molecular weight aliphatic, aromatic and heterocyclic components, as well as amino-functional polyether components, 2-aminoethyl-3-aminopropyltrimethoxysilane and 3-aminopropyltrimethoxysilane or mixtures thereof.
Die mehrfachfunktionellen niedermolekularen aliphatischen, aromatischen oder heterocyclischen Komponenten weisen typischerweise ein Molekulargewicht von ca. 600 g/Mol oder weniger, insbesondere ca. 500 g/Mol oder weniger auf.The multifunctional low molecular weight aliphatic, aromatic or heterocyclic components typically have a molecular weight of about 600 g / mol or less, in particular about 500 g / mol or less.
Typischerweise beträgt das Molekulargewicht ca. 40 g/Mol oder mehr, wobei allerdings auch Komponenten mit geringeren Molekulargewichten erfindungsgemäß zum Einsatz kommen können.Typically, the molecular weight is about 40 g / mol or more, although components with lower molecular weights can also be used according to the invention.
Die optionale doppelbindungsfunktionelle reaktive Silankomponente zur Oberflächenmodifizierung der Plättchen-förmigen Partikel wird bevorzugt ausgewählt aus den Komponenten Vinyltrimethoxysilan und 3-Methacryloxypropyltrimethoxysilan oder deren Mischungen.The optional double-bond-functional reactive silane component for surface modification of the platelet-shaped particles is preferably selected from the components vinyltrimethoxysilane and 3-methacryloxypropyltrimethoxysilane or mixtures thereof.
Für die weitere optionale epoxidfunktionelle Komponente zur Oberflächenmodifizierung der Plättchen-förmigen Partikel wird bevorzugt 3-Glycidyloxypropyltrimethoxysilan verwendet.For the further optional epoxide-functional component for surface modification of the platelet-shaped particles, preference is given to the use of 3-glycidyloxypropyltrimethoxysilane.
Die Konzentration der erfindungsgemäß oberflächenmodifizierten Plättchen-förmigen Partikel in der Zusammensetzung beträgt vorzugsweise ca. 0,1 bis ca. 60 Gew.-%, insbesondere ca. 1 bis ca. 40 Gew.-% und weiterhin bevorzugt ca. 1 bis ca. 30 Gew.-%, bezogen auf den Farbstoffanteil des Polymermaterials.The concentration of the surface-modified platelet-shaped particles according to the invention in the composition is preferably about 0.1 to about 60% by weight, in particular about 1 to about 40% by weight and further preferably about 1 to about 30 Wt .-%, based on the dye content of the polymer material.
Dabei weisen die erfindungsgemäß oberflächenmodifizierten Plättchen-förmigen Partikel bevorzugt eine mittlere Plättchendicke von ca. 10 bis ca. 200 nm, insbesondere von ca. 20 bis ca. 100 nm und besonders bevorzugt von ca. 20 bis ca. 80 nm auf. In this case, the surface-modified platelet-shaped particles according to the invention preferably have an average platelet thickness of about 10 to about 200 nm, in particular from about 20 to about 100 nm and particularly preferably from about 20 to about 80 nm.
Eine gute Einbindung der oberflächenmodifizierten Partikel in die sie umgebende Matrix des Polymermaterials in einer fertigen Barrierebeschichtung verlangt nicht zwingend eine direkte chemische Verbindung zwischen den Plättchen bzw. deren modifizierter Oberfläche und der Polymermatrix. Eine gute Einbindung ist durchaus auch durch die Ausbildung starker und ausreichend vieler Wasserstoffbrückenbindungen zur Polymermatrix möglich, wie sich dies im Rahmen der Beispiele zeigt.Good incorporation of the surface-modified particles into the surrounding matrix of the polymer material in a finished barrier coating does not necessarily require a direct chemical bond between the platelets or their modified surface and the polymer matrix. A good integration is also possible by the formation of strong and sufficient hydrogen bonds to the polymer matrix, as shown in the examples.
Eine erfindungsgemäße aminofunktionelle Oberflächenmodifizierung der Partikel ergibt, wie in den folgenden Beispielen 1 und 2 gezeigt, bei den erfindungsgemäßen wässrigen Zusammensetzungen mit Bindemittelkomponenten mit Hydroxyl-, Amino- und Säurefunktionalitäten besonders gute Ergebnisse hinsichtlich der Barrierewirkung gegenüber Gasen, wie z.B. Sauerstoff.An aminofunctional surface modification of the particles according to the invention, as shown in the following Examples 1 and 2, gives particularly good results with respect to the barrier action against gases, such as, for example, in the aqueous compositions according to the invention with binder components having hydroxyl, amino and acid functionalities. Oxygen.
Diese Aspekte können nun bei der erfindungsgemäßen Barrierebeschichtung dadurch berücksichtigt werden, dass als Plättchen-förmige Partikel reaktiv anorganische, oberflächenmodifizierte nanoskalige Plättchen-förmige Partikel, insbesondere nanoskalige Schichtsilikat- und Aluminium-Plättchen verwendet werden, welche sich in das jeweilige Polymernetzwerk chemisch oder über Wasserstoffbrückenbindungen einbinden lassen. Die Einbindung erfolgt bei einer polaren Polymermatrix bevorzugt über aminofunktionelle Oberflächenmodifizierungen durch Ausbildung starker Wasserstoffbrückenbindungen, bei weniger stark polaren und eher hydrophoben Polymernetzwerken bevorzugt über ein doppelbindungsfunktionelle, insbesondere mittels olefinischen Gruppen, Oberflächenmodifizierung der Partikel.These aspects can now be taken into account in the barrier coating according to the invention by using as platelet-shaped particles reactive inorganic, surface-modified nanoscale platelet-shaped particles, in particular nanoscale layered silicate and aluminum platelets, which integrate chemically or via hydrogen bonds into the respective polymer network to let. In the case of a polar polymer matrix, incorporation preferably takes place via amino-functional surface modifications by forming strong hydrogen bonds, in the case of less polar and rather hydrophobic polymer networks preferably via a double bond-functional, in particular by means of olefinic groups, surface modification of the particles.
Aus Beispiel 2 ergibt sich ferner, dass der starken Wechselwirkung zwischen den Borsäure- und Borat-Komponenten mit der aminofunktionellen Oberflächenmodifizierung der Partikel eine Schlüsselrolle bei der Netzwerkbildung zukommen kann.It also emerges from Example 2 that the strong interaction between the boric acid and borate components with the amino-functional surface modification of the particles can play a key role in network formation.
Bei der Verwendung anderer aus dem Stand der Technik bekannten Vernetzungskomponenten, wie z.B. reaktiven Siloxanen und sogenannten geblockten Isocyanaten für sogenannte Hydrolacke, waren die erreichbaren Sauerstoff-Transfer-Raten (OTR-Werte) durchschnittlich um ca. den Faktor
Es ist deshalb bevorzugt, dass die erfindungsgemäßen Oberflächenmodifizierungen in Wasser-haltigen Formulierungen in Kombination mit Borsäure und deren Derivaten angewendet werden.It is therefore preferred that the surface modifications according to the invention are used in water-containing formulations in combination with boric acid and its derivatives.
Die erfindungsgemäßen Wasser-haltigen Zusammensetzungen, welche zusätzlich zu den oberflächenmodifizierten Barriere-Partikeln eine Hydroxid-funktionelle Polymerkomponente und insbesondere unterschiedliche Derivate der Borsäure, wie z.B. Borsäure und mit Aminen neutralisierte Borate, enthalten, sind als Barrierebeschichtungen deshalb weiterhin bevorzugt.The water-containing compositions according to the invention which, in addition to the surface-modified barrier particles, comprise a hydroxide-functional polymer component and in particular different derivatives of boric acid, e.g. Boric acid and amines neutralized with borates, are therefore still preferred as barrier coatings.
Die Borsäure-Derivate werden dabei bevorzugt in Mengen von ca. 1 bis ca. 10 Gew.-%, weiterhin bevorzugt ca. 3 Gew.-% bis ca. 8 Gew.-% und insbesondere bevorzugt ca. 4 Gew.-% bis ca. 6 Gew.-%, bezogen auf den Anteil der Hydroxid-funktionellen Polymerkomponente, in den erfindungsgemäßen Zusammensetzungen eingesetzt.The boric acid derivatives are preferably present in amounts of about 1 to about 10 wt .-%, more preferably about 3 wt .-% to about 8 wt .-% and particularly preferably about 4 wt .-% to about 6 wt .-%, based on the proportion of the hydroxide-functional polymer component, used in the compositions of the invention.
Für die erfindungsgemäßen Zusammensetzungen, welche eine polare Polymerkomponente enthalten, hat sich überraschenderweise ergeben, dass sich bevorzugt oberflächenmodifizierte Plättchen-förmige Partikel eignen, welche Oberflächenbeschichtungen mit hohen Anteilen aus aminofunktionellen Komponenten, bevorzugt ausgewählt aus einer reaktiven Amino-Silan-Komponente und/oder einer organischen niedermolekularen, oligomeren oder polymeren mehrfachfunktionellen Amino-Komponente, sowie optional eine reaktive Epoxid-Silan-Komponente aufweisen.For the compositions according to the invention which comprise a polar polymer component, it has surprisingly been found that surface-modified platelet-shaped particles are preferred which contain surface coatings with high proportions of amino-functional components, preferably selected from a reactive amino-silane component and / or an organic amine low molecular weight, oligomeric or polymeric polyfunctional amino component, and optionally have a reactive epoxy silane component.
Die erfindungsgemäß Wasser-haltige Barrierebeschichtungszusammensetzung umfasst weiterhin bevorzugt auch eine Hydroxyl-funktionelle Polymerkomponente und Derivate der Borsäure, wobei die letztere Komponente bevorzugt in Form von mit Aminen neutralisiertem Borat eingesetzt wird.The water-containing barrier coating composition according to the invention furthermore preferably also comprises a hydroxyl-functional polymer component and derivatives of boric acid, the latter component preferably being used in the form of amines neutralized with boron.
Die erfindungsgemäßen Zusammensetzungen zur Generierung einer Barriereschicht oder Barrierebeschichtung gegen die Permeation von Gasen, insbesondere Sauerstoff, umfassen bevorzugt weiterhin ca. 0,2 Gew.-% bis ca. 8 Gew.-%, bevorzugt ca. 0,8 Gew.-% bis ca. 6 Gew.-% und weiter bevorzugt ca. 1,5 Gew.-% bis ca. 5,5 Gew.-% an oberflächenmodifizierten nanoskalig dicken Aluminium- und/oder Silikat-Partikeln, bezogen auf den Anteil des Polymermaterials in der Zusammensetzung.The compositions according to the invention for generating a barrier layer or barrier coating against the permeation of gases, in particular oxygen, preferably furthermore comprise from about 0.2% by weight to about 8% by weight, preferably about 0.8% by weight about 6% by weight and more preferably about 1.5% by weight % to about 5.5 wt .-% of surface-modified nanoscale aluminum and / or silicate particles, based on the proportion of the polymer material in the composition.
Die aus den erfindungsgemäßen Zusammensetzungen letztlich erhaltene Barrierebeschichtung oder Barriereschicht weist bevorzugt eine Trockenschichtdicke von ca. 0,1 bis ca. 20 µm, insbesondere von ca. 0,5 bis ca. 10 µm und weiter bevorzugt von ca. 0,5 bis ca. 5 µm auf und umfasst eine Lage mit amino- und doppelbindungsfunktionell oberflächenmodifizierten Plättchen-förmigen Partikeln, eingebettet in einer vorzugsweise duroplastischen Polymermatrix.The barrier coating or barrier layer ultimately obtained from the compositions according to the invention preferably has a dry layer thickness of about 0.1 to about 20 μm, in particular of about 0.5 to about 10 μm and more preferably of about 0.5 to about 5 microns and comprises a layer with amino- and double bond-functionally surface-modified platelet-shaped particles embedded in a preferably thermoset polymer matrix.
Unter Trockenschichtdicke wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Schichtdicke einer erfindungsgemäßen Beschichtung nach deren Aushärtung verstanden, gemessen nach
Oftmals geht mit der Barrierewirkung gegenüber Gasen, wie z.B. Sauerstoff auch eine gewisse Barrierewirkung gegenüber Wasser bzw. Wasserdampf einher. Aufgrund des unterschiedlichen Verhaltens der aminofunktionell oberflächenmodifizierten nanoskaligen Plättchen-förmigen Aluminium- und Silikat(Talkum)-Partikel ist es oft zielführend zur Optimierung der Barriereeigenschaften beide Partikeltypen in Abmischung miteinander in einer Barrierebeschichtung vorzusehen, wie dies anhand von Beispiel 3 noch gezeigt werden wird.Often the barrier effect to gases, e.g. Oxygen also has a certain barrier effect with respect to water or water vapor. Owing to the different behavior of the amino-functional surface-modified nanoscale platelet-shaped aluminum and silicate (talc) particles, it is often expedient to provide both particle types in admixture with one another in a barrier coating in order to optimize the barrier properties, as will be demonstrated with reference to Example 3.
Die eigentliche Barrierebeschichtung oder Barriereschicht kann gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung mit einer oder mehreren, gegebenenfalls dickeren, partikelfreien, insbesondere ebenfalls duroplastischen, Beschichtungen überbeschichtet vorliegen.According to a further embodiment of the invention, the actual barrier coating or barrier layer can be overcoated with one or more, possibly thicker, particle-free, in particular likewise thermosetting, coatings.
Diese im Folgenden beschriebene Ausführungsform einer aus mehreren Lagen aufgebauten, erfindungsgemäßen Barrierebeschichtung oder Barriereschicht eignet sich insbesondere zur Verhinderung der Permeation von Wasser, wobei die Barrierebeschichtung oder Barriereschicht für diesen Anwendungszweck bevorzugt mit einer oberflächlichen Beschichtung mit einer Schichtdicke von ca. 10 µm bis ca. 40 µm, insbesondere von ca. 15 µm bis ca. 25 µm, einer insbesondere partikelfreien Klarlackschicht und einer darunterliegenden ca. 0,5 µm bis ca. 3 µm, insbesondere ca. 0,7 µm bis ca. 1 µm dicken, nanoskalig dicke Plättchen-förmige Partikel, insbesondere Aluminium-Partikel enthaltenden Schicht gebildet wird.This embodiment of a multi-layer barrier coating or barrier layer according to the invention is particularly suitable for preventing the permeation of water, the barrier coating or barrier layer preferably having a superficial coating with a layer thickness of about 10 .mu.m to about 40 μm, in particular from about 15 μm to about 25 μm, a particularly particle-free clearcoat layer and an underlying about 0.5 μm to about 3 μm, in particular about 0.7 μm to about 1 μm thick, nanoscale thick platelets shaped particles, in particular aluminum particles containing layer is formed.
Die untenliegende Schicht der Barrierebeschichtung oder Barriereschicht zur Verhinderung der Permeation von Wasser enthält bevorzugt ca. 0,1 Gew.-% bis ca. 10 Gew.-%, weiter bevorzugt ca. 0,5 Gew.-% bis ca. 5 Gew.-% und am meisten bevorzugt ca. 0,5 Gew.-% bis ca. 3 Gew.-% der erfindungsgemäß oberflächenmodifizierten nanoskalig dicken Plättchen-förmigen Partikel, bezogen auf den Anteil des Polymermaterials der Zusammensetzung.The underlying layer of the barrier coating or barrier layer for preventing the permeation of water preferably contains about 0.1 wt .-% to about 10 wt .-%, more preferably about 0.5 wt .-% to about 5 wt. -%, and most preferably about 0.5 wt .-% to about 3 wt .-% of the invention surface-modified nanoscale platelet-shaped particles, based on the proportion of the polymer material of the composition.
Weiterhin bevorzugt wird die Barrierebeschichtung oder Barriereschicht farbneutral, dunkel oder weiß formuliert und weist keine Metalliceffekte auf. Dies lässt sich durch die zusätzliche Verwendung von Weiß- oder Schwarzpigmenten erzielen, wobei dann die Barrierebeschichtung weitgehend farbneutral, dunkel oder weiß formuliert werden kann und weiterhin bevorzugt keine optisch auffälligen Metalliceffekte aufweist.Further preferably, the barrier coating or barrier layer is colorless, dark or white formulated and has no metallic effects. This can be achieved by the additional use of white or black pigments, in which case the barrier coating can be formulated substantially neutral in color, dark or white, and further preferably has no visually striking metallic effects.
Prinzipiell kann die erfindungsgemäße Barrierebeschichtung auf unterschiedlichen Substraten verwendet werden, wobei die Anwendung auf Kunststoffe für Verpackungen und Gebinde bevorzugt ist.In principle, the barrier coating according to the invention can be used on different substrates, the application to plastics for packaging and containers being preferred.
Die erfindungsgemäße Zusammensetzung kann zur Erzeugung von Barrierebeschichtungen oder Barriereschichten auf Substraten aller Art verwendet werden.The composition according to the invention can be used for the production of barrier coatings or barrier layers on substrates of all kinds.
Insbesondere wird sie zur Erzeugung von Barrierebeschichtungen oder Barriereschichten auf Metall-, Papier-, Kartonagen- und Kunststoffsubstraten aller Art und deren Kombinationen, insbesondere zur Erzeugung von Barrierebeschichtungen oder Barriereschichten auf Kunststoff-Verpackungen und Formkörpern aller Art, weiterhin bevorzugt auf Kunststoff-Kartuschen und Kunststoff-Kapseln, Kunststofffolien und Kunststoffflaschen, bestehend aus Polyamid (PA), Polyethylenen (HDPE, LDPE), Polypropylen (PP), Polystyrol (PS), Polyvinylchlorid (PVC), Polyacrylaten (insbesondere Polymethylmethacrylat PMMA), Polyestern (z.B. Polyethylenterephthalat PET), Polylactide (PLA) und Polycarbonat (PC) verwendet.In particular, it is used for the production of barrier coatings or barrier layers on metal, paper, cardboard and plastic substrates of all kinds and their combinations, in particular for the production of barrier coatings or barrier layers on plastic packaging and moldings of all kinds, further preferably on plastic cartridges and plastic Capsules, plastic films and plastic bottles, consisting of polyamide (PA), polyethylenes (HDPE, LDPE), polypropylene (PP), polystyrene (PS), polyvinyl chloride (PVC), polyacrylates (especially polymethyl methacrylate PMMA), polyesters (eg polyethylene terephthalate PET), Polylactides (PLA) and polycarbonate (PC) used.
Sie kann aber auch zum korrosiven Schutz von Metallsubstraten wie Aluminiumlegierungen oder Stählen und anderen Eisenwerkstoffen angewandt werden. However, it can also be used for corrosive protection of metal substrates such as aluminum alloys or steels and other ferrous materials.
Optional ist die erfindungsgemäße Barrierebeschichtung mit einer dickeren, relativ hochvernetzten duroplastischen organischen Metallpartikel-freien Beschichtung zusätzlich überbeschichtet oder ist Bestandteil einer Multischicht-Beschichtung, wie sie beispielsweise bei Industrie- und Automobilbeschichtungen an sich bekannt ist.Optionally, the barrier coating according to the invention is additionally overcoated with a thicker, relatively highly crosslinked thermosetting organic metal particle-free coating or is part of a multilayer coating, as is known per se in industrial and automotive coatings, for example.
Sie kann als Bestandteil eines Multischichtauftrags und/oder einer Mehrfachbeschichtung auf Metall- und Kunststoffoberflächen aufgebracht werden, und weiterhin bevorzugt wird sie auf zwei gegenüberliegenden Seiten aufgebracht, beispielsweise auf Innen- und Außenseiten von Formkörpern oder Folien.It may be applied to metal and plastic surfaces as part of a multi-coat application and / or multiple coating, and more preferably it is applied on two opposite sides, for example on inner and outer sides of moldings or films.
Die Erfindung betrifft des Weiteren durch die Verwendung und Applikation der erfindungsgemäßen Zusammensetzungen erhaltene beschichtete Probekörper, Hohlkörper, flächige Substrate und Folien mit einer an der Innenoberfläche und/oder Außenoberfläche aufgebrachten erfindungsgemäßen Barrierebeschichtung oder Barriereschicht.The invention further relates to coated specimens, hollow bodies, flat substrates and films obtained by the use and application of the compositions according to the invention with a barrier coating or barrier layer according to the invention applied to the inner surface and / or outer surface.
Die Erfindung wird anhand der folgenden Beispiele und Figuren noch näher beschrieben, ohne diese zu beschränken. Es zeigen:
-
1 : Vergleich der erhaltenen Sauerstoffbarriere (OTR-Werte), bezogen auf eine Schichtdicke von 10 µm der mit den Wasser-haltigen Barriere-Referenz-BeschichtungenP21 (ohne Partikel),T-P22 (mit nicht modifizierten Talkum-Partikeln) und den erfindungsgemäßen Wasser-haltigen Barriere-Beschichtungen (T-P23 undT-P24 ) beschichteten LDPE-Folien; -
2 : Vergleich der erhaltenen Sauerstoffbarriere (OTR-Werte), bezogen auf eine Schichtdicke von 10 µm der mit den Wasser-haltigen Barriere-Referenz-Beschichtungen,P21 (ohne Partikel),A-P22 (mit nicht modifizierten Aluminium-Partikeln) und den erfindungsgemäßen Wasser-haltigen Barriere-Beschichtungen (A-P23 undA-P24 ) beschichteten LDPE-Folie; und -
3 Vergleich der erhaltenen Sauerstoffbarriere (OTR-Werte) bezogen auf eine Schichtdicke von 10 µm der mit der Wasser-haltigen Barriere-Referenz-BeschichtungP21 mit den mit erfindungsgemäßen Barriere-Beschichtungen (T-P23 ,A-P23 und A-P23/T-P23) beschichteten LDPE-Folie.
-
1 : Comparison of the obtained oxygen barrier (OTR values), based on a layer thickness of 10 μm, with the water-containing barrier reference coatingsP21 (without particles),T-P22 (with unmodified talcum particles) and the water-containing barrier coatings according to the invention (T-P23 andT-P24 ) coated LDPE films; -
2 : Comparison of the obtained oxygen barrier (OTR values), based on a layer thickness of 10 μm, with the water-containing barrier reference coatings,P21 (without particles),A-P22 (with unmodified aluminum particles) and the water-containing barrier coatings according to the invention (A-P23 andA-P24 ) coated LDPE film; and -
3 Comparison of the obtained oxygen barrier (OTR values) based on a layer thickness of 10 μm with the water-containing barrier reference coatingP21 with the barrier coatings according to the invention (T-P23 .A-P23 and A-P23 / T-P23) coated LDPE film.
Beispiel 1: Oberflächenmodifizierung von Plättchen-förmigen Aluminium- und Talkum-Partikeln zur Anwendung in wässrigen erfindungsgemäßen ZusammensetzungenExample 1: Surface modification of platelet-shaped aluminum and talcum particles for use in aqueous compositions according to the invention
Es werden 100 g destilliertes Wasser bereitgestellt und darin, soweit in der jeweiligen Rezeptur vorgesehen, Polyetheramin (Jeffamine® D-400 der Fa. Huntsman Corp.) gelöst.There are provided 100 g of distilled water and, provided in the respective recipe, polyetheramine (Jeffamine® D-400 Fa. Huntsman Corp.) solved.
Unter Rühren bei 800 U/min (Dissolver der Fa. Getzmann) wird/werden zu dem bereitgestellten Wasser bzw. der daraus erhaltenen wässrigen Polyetheraminlösung innerhalb von 5 min
- a) eine wässrige Paste mit einem Gehalt von ca. 10 Gew.-% nanoskalig (im Mittel ca. 50 nm) dicken Aluminium-Partikeln (Decomet 1050/10, Fa. Schlenk Metallic Pigments GmbH) oder
- b) nanoskalig (im Mittel ca. 80 nm) dicke Silikat(Talkum)-Partikel (Talc LP30 der LITHOS Industrial Minerals GmbH),
- a) an aqueous paste with a content of about 10 wt .-% nanoscale (average about 50 nm) thick aluminum particles (Decomet 1050/10, Fa. Schlenk Metallic Pigments GmbH) or
- b) nanoscale (average about 80 nm) thick silicate (talc) particles (Talc LP30 from LITHOS Industrial Minerals GmbH),
Danach wird die Partikeldispersion während 30 min bei Raumtemperatur unter Beibehaltung der genannten Rührgeschwindigkeit homogenisiert.Thereafter, the particle dispersion is homogenized for 30 min at room temperature while maintaining the stirring speed mentioned.
Die im Folgenden mit X, Y und Z Gew.-% angegebenen Anteile für die jeweiligen Komponenten für die Oberflächenmodifizierung der Partikel sind in der Tabelle 1 für die verschiedenen Rezepturen der Beispiele M1 und M2 aufgelistet.The proportions given below for X, Y and Z% by weight of the respective components for the surface modification of the particles are listed in Table 1 for the various formulations of Examples M1 and M2.
Im Fall, dass Polyetheramin verwendet wird, wird dessen Menge so bemessen, dass in der Partikeldispersion ein Gehalt von X Gew.-% Polyetheramin, bezogen auf den Partikelgehalt erzielt wird (vgl. Tabelle 1).In the case that polyetheramine is used, its amount is such that a content of X wt .-% polyetheramine, based on the particle content is achieved in the particle dispersion (see Table 1).
Zu den homogenisierten Partikeldispersionen werden Y Gew.-% einer reaktiven aminofunktionellen Silankomponente A und gegebenenfalls Z Gew.-% einer reaktiven epoxidfunktionellen Silankomponente B zugegeben, jeweils bezogen auf den Partikelgehalt der Partikeldispersion. Die Silankomponente A und gegebenenfalls die Silankomponente B werden, jeweils in 2 ml destilliertem Wasser gelöst, langsam zugetropft, die erhaltene Mischung 15 min lang gerührt und schließlich auf 80 °C erhitzt. Y% by weight of a reactive amino-functional silane component A and optionally Z% by weight of a reactive epoxide-functional silane component B are added to the homogenized particle dispersions, in each case based on the particle content of the particle dispersion. The silane component A and optionally the silane component B are dissolved, each time dissolved in 2 ml of distilled water, slowly added dropwise, the resulting mixture was stirred for 15 minutes and finally heated to 80 ° C.
Nach dem Erreichen der Temperatur von 80 °C wird die Mischung zum Vernetzen der reaktiven Silankomponente A und gegebenenfalls der Silankomponente B für 30 min auf der Temperatur auf 80 °C unter Rühren gehalten.After reaching the temperature of 80 ° C, the mixture for crosslinking the reactive silane component A and optionally the silane component B is kept at the temperature of 80 ° C for 30 min with stirring.
Die Partikeldispersion wird danach unter Rühren auf Raumtemperatur abgekühlt, zentrifugiert und der Partikelgehalt der Dispersion unter Zugabe von destilliertem Wasser wieder auf 10 Gew.-% eingestellt.The particle dispersion is then cooled to room temperature while stirring, centrifuged and the particle content of the dispersion is adjusted again to 10% by weight with the addition of distilled water.
Die so erhaltenen Partikeldispersionen liegen in Pastenform vor und werden nachfolgend in den erfindungsgemäßen wässrigen Zusammensetzungen für die Herstellung von erfindungsgemäßen Barriereschichten eingesetzt (Beispiele 2 und 3).
Tabelle 1 Anteile der Komponenten für die Oberflächenmodifizierung der nanoskaligen Partikel gemäß den Beispielen M1 und M2
Beispiel 2: Barrierewirkung einer Barriereschicht gegenüber Sauerstoff, erhalten aus einer erfindungsgemäßen ZusammensetzungExample 2: Barrier effect of a barrier layer against oxygen, obtained from a composition according to the invention
Als Referenzsysteme zur Bewertung der erfindungsgemäßen Zusammensetzungen und daraus hergestellten Barriereschichten wurden Zusammensetzungen mit nicht modifizierten Aluminium- und Talkum-Partikeln (Referenzbeispiele
Für die Herstellung der erfindungsgemäßen Zusammensetzungen wurde zunächst zur Bereitstellung eines Polymermaterials ein Ethylen-Vinylalkohol-Copolymer (EVOH) (EXCEVAL AQ-4104; erhältlich von Kuraray Europe GmbH) in destilliertem Wasser für 4 Stunden auf 90 °C erhitzt. Die Menge an EVOH wird so bemessen, dass eine 15 Gew.-%ige EVOH-Lösung erhalten wird, in die die angegebenen Mengen der jeweiligen Partikeldispersionen in Pastenform zugemischt werden.For the preparation of the compositions of the present invention, an ethylene-vinyl alcohol copolymer (EVOH) (EXCEVAL AQ-4104, available from Kuraray Europe GmbH) in distilled water was first heated to 90 ° C. for 4 hours to provide a polymeric material. The amount of EVOH is calculated to give a 15% by weight EVOH solution into which the indicated amounts of the respective particulate dispersions in paste form are blended.
Kurz vor der Applikation auf dem Substrat (handelsübliche LDPE-Folie, siehe unten) wurden zu diesen Mischungen - wie in den untenstehenden Tabellen 2 und 3 angegeben - bezogen auf 5,0 g der wässrigen 15 Gew.-%igen EVOH-Lösung 1,40 g einer 2 Gew.-%igen Triethanolaminborat-Lösung (97 %; Aldrich) in destilliertem Wasser sowie 0,5 g einer 2 Gew.-%igen Borsäure-Lösung (99,97 %, Aldrich), ebenfalls in destilliertem Wasser, zugegeben.Shortly before application to the substrate (commercially available LDPE film, see below), to these mixtures, as indicated in Tables 2 and 3 below, based on 5.0 g of the aqueous 15% strength by weight EVOH solution 1, 40 g of a 2% strength by weight triethanolamine borate solution (97%, Aldrich) in distilled water and 0.5 g of a 2% strength by weight boric acid solution (99.97%, Aldrich), likewise in distilled water, added.
Die so erhaltenen erfindungsgemäßen wässrigen Zusammensetzungen wurden danach auf eine 34 µm dicke Low Density Polyethylen LDPE-Folie mittels einer Rakelapplikation homogen appliziert, 10 min bei Raumtemperatur getrocknet und anschließend für 20 min in einem Umluftofen bei 80 °C gehärtet. Die so auf der LDPE-Folie erhaltenen Barriereschichten wiesen eine Trockenschichtdicke von ca. 10 µm auf.The resulting aqueous compositions according to the invention were then applied homogeneously to a 34 μm thick low density polyethylene LDPE film by means of a doctor blade application, dried for 10 minutes at room temperature and then cured for 20 min in a circulating air oven at 80 ° C. The barrier layers thus obtained on the LDPE film had a dry film thickness of about 10 μm.
Die an diesen beschichteten LDPE-Folien gemessenen OTR-Werte sind jeweils als OTR/23 °C/10 µm in der Einheit ml/m2/day in den
In den folgenden Tabellen 2 und 3 ist die jeweilige Zusammensetzung der Wasser-haltigen erfindungsgemäßen Zusammensetzungen mit den erfindungsgemäß (M1, M2) modifizierten Talkum-Partikeln (
Der gegenüber den Rezepturen mit Talkum-Partikeln niedrigere Gehalt an Aluminium-Partikeln wurde aufgrund der geringeren Gasungsstabilität der hier verwendeten Aluminium-Partikel in der erfindungsgemäßen wässrigen Zusammensetzung gewählt. The lower content of aluminum particles compared to the formulations with talcum particles was chosen because of the lower gassing stability of the aluminum particles used here in the aqueous composition according to the invention.
Eine entsprechende auftretende Gasung der Aluminium-Partikel unter Wasserstoffentwicklung würde die Kompaktheit der Polymerschicht und somit die Barrierewirkung beeinträchtigen. Speziell korrosionsstabilisierte Aluminium-Barriere-Partikel sind deshalb für erfindungsgemäß Wasser-haltige Zusammensetzungen bevorzugt und können mit höheren Gehalten in der Zusammensetzung eingesetzt werden.A corresponding occurring gassing of the aluminum particles with evolution of hydrogen would affect the compactness of the polymer layer and thus the barrier effect. Specially corrosion-stabilized aluminum barrier particles are therefore preferred for water-containing compositions according to the invention and can be used at higher levels in the composition.
In
Die Ergebnisse in den
Es konnte ferner festgestellt werden, dass hierbei der starken Wechselwirkung zwischen den Borsäure und Borat-Komponenten mit der aminofunktionellen Oberflächenmodifizierung der Partikel eine besondere Bedeutung zukommt.It has also been found that the strong interaction between the boric acid and borate components with the amino-functional surface modification of the particles is of particular importance.
Unter Verwendung anderer Vernetzungskomponenten, wie z.B. reaktiven Siloxanen und geblockten Isocyanaten für Wasser-basierende Lacke, waren die erreichbaren OTR-Werte durchschnittlich um ca. den Faktor
Es ist deshalb bevorzugt, dass die erfindungsgemäßen Oberflächenmodifizierungen in Wasser-haltigen Formulierungen in Kombination mit Borsäure und deren Derivaten angewendet werden.It is therefore preferred that the surface modifications according to the invention are used in water-containing formulations in combination with boric acid and its derivatives.
Es zeigt sich, dass sich schon bei relativ niedrigen Anteilen der erfindungsgemäß oberflächenmodifizierten Talkum-Partikel (
Für die Sauerstoff-Barrierewirkung in
Für die Sauerstoff-Barrierewirkung in
Aus den
Die Referenz-Barrierebeschichtungen auf den LDPE-Folien, welche ohne Partikel formuliert wurden, ergeben nur eine geringe Wirkung als Sauerstoffbarriere.The reference barrier coatings on the LDPE films formulated without particles give little effect as an oxygen barrier.
Die LDPE-Folien in den
Obwohl die Referenzbeispiele
Die gegebenenfalls geringfügig höheren OTR-Werte mancher erfindungsgemäßer Beispiele werden bereits durch die Vorteile in der Verarbeitung der erfindungsgemäßen Rezepturen mehr als ausgeglichen. Dies ist insbesondere bei den wichtigen Anwendungsgebieten von Verpackungen und Gebinden von großer Bedeutung.The possibly slightly higher OTR values of some examples according to the invention are already more than compensated by the advantages in the processing of the formulations according to the invention. This is particularly important in the important application areas of packaging and containers of great importance.
Außerdem wird durch die erfindungsgemäße Modifikation der Partikel erreicht, dass deren Wasserspeichervermögen reduziert wird, was in einer Vielzahl von Applikationen von erheblicher Bedeutung für die resultierenden Gasbarriere-Wirkung ist, wenn diese sehr stark humiden Bedingungen, z.B. einer Umgebung mit einer relativen Luftfeuchtigkeit (RH) von ca. 60 % RH bis 100 % RH.In addition, the modification of the particles according to the invention achieves a reduction in their water storage capacity, which in a large number of applications is of considerable importance for the resulting gas barrier effect, if these very strongly humid conditions, e.g. an environment with a relative humidity (RH) of approx. 60% RH to 100% RH.
Beispiel 3: Barrierewirkung einer Barriereschicht gegenüber Sauerstoff, erhalten aus einer weiteren erfindungsgemäßen ZusammensetzungExample 3: Barrier effect of a barrier layer against oxygen, obtained from a further composition according to the invention
Oftmals korreliert eine Barrierewirkung gegenüber Gasen, wie z.B. Sauerstoff, nicht vollständig mit einer Barrierewirkung gegenüber Wasser oder Wasserdampf, insbesondere bei sehr hoher Luftfeuchtigkeit. Aufgrund des unterschiedlichen Verhaltens von aminofunktionell oberflächenmodifizierten nanoskaligen Plättchen-förmigen Aluminium- und Silikat(Talkum)-Partikeln ist es für manche Anwendungen von Vorteil beide Partikeltypen in Form einer Mischung in der erfindungsgemäßen Barrierebeschichtung einzusetzen. Dies hat zudem den Vorteil, dass schon bei geringen Anteilen von Plättchen-förmigen Aluminiumpartikeln die Barrierewirkung erheblich verbessert werden kann, ohne dass eine - oftmals erwünschte - Transparenz und Farbneutralität der Barriereschicht nennenswert beeinträchtigt wird.Often, a barrier effect to gases, e.g. Oxygen, not complete with a barrier to water or water vapor, especially at very high humidity. Due to the different behavior of amino-functional surface-modified nanoscale platelet-shaped aluminum and silicate (talc) particles, it is advantageous for some applications to use both types of particles in the form of a mixture in the barrier coating according to the invention. This also has the advantage that even at low levels of platelet-shaped aluminum particles, the barrier effect can be significantly improved without a - often desirable - transparency and color neutrality of the barrier layer is significantly impaired.
Dies wird im Rahmen des Beispiels 3 verdeutlicht. Hier kommen - bei einer ansonsten gegenüber Beispiel 2 unveränderten Beschichtungszusammensetzung - gleichzeitig erfindungsgemäß beschichtete Plättchen-förmige Aluminium-Partikel als auch Talkum-Partikel zum Einsatz wie dies aus Tabelle 4 ersichtlich ist. Das Testergebnis bezüglich des OTR-Werts ist in
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