DE19647368A1 - Verbundwerkstoffe - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft Verbundwerkstoffe, die gekennzeichnet
sind durch ein Substrat und ein damit in funktionellem Kon
takt stehendes Nanokomposit, das erhältlich ist durch Ober
flächenmodifizierung von
- a) kolloidalen anorganischen Partikeln mit
- b) einem oder mehreren Silanen der allgemeinen Formel (I)
Rx-Si-A4-x (I)
worin die Reste A gleich oder verschieden sind und Hydroxylgruppen oder hydrolytisch abspaltbare Gruppen darstellen, ausgenommen Methoxy, die Reste R gleich oder verschieden sind und hydrolytisch nicht abspalt bare Gruppen darstellen und x den Wert 0, 1, 2 oder 3 hat, wobei bei mindestens 50 Stoffmengen-% der Silane x ≧ 1 ist;
unter den Bedingungen des Sol-Gel-Prozesses mit einer unter
stöchiometrischen Wassermenge, bezogen auf die vorhandenen
hydrolysierbaren Gruppen, unter Bildung eines Nanokomposit-
Sols, gegebenenfalls weitere Hydrolyse und Kondensation des
Nanokomposit-Sols vor dem Inkontaktbringen mit dem Substrat
und anschließende Härtung.
Das Substrat kann die verschiedensten physikalischen Formen
aufweisen und z. B. teilchen-, flocken-, faser-, band-, blatt
folien-, platten- oder blockförmig sein, eine Schichtstruktur
aufweisen oder einen Formkörper von beliebiger Gestalt dar
stellen. Der Ausdruck "Substrat" umfaßt jedoch keine Glas
fasern, Mineralfasern und Holzwerkstoffe.
Der obige Ausdruck "teilchenförmig" soll Pulver, Mehle,
Granulate, Späne, Schnitzel, Kügelchen, Perlen und allgemein
alle Teilchen mit regelmäßiger oder unregelmäßiger Gestalt
umfassen.
Auch das Nanokomposit kann in unterschiedlichen Verteilungs
formen vorliegen. Beispielsweise kann das Nanokomposit als
kontinuierliche Beschichtung oder Überzug das Substrat ganz
oder teilweise bedecken oder laminatartig zwischen mehreren
Substraten vorliegen. Spezielle Beispiele für Verbundwerk
stoffe dieser Art sind Faserverbundwerkstoffe auf Basis von
Aramiden oder Kohlenstoffasern, Gießereikerne, die das Nano
komposit als Kernsandbindemittel enthalten, mit Hochtempera
tur-Korrosionsschutzschichten versehene Metallsubstrate, mit
einer temperaturbeständigen Imprägnierung versehene Fasern,
Zwirne, Garne und Halbzeuge wie Gewebe, Gewirke, Gestricke,
Geflechte, Vliese und Filze, oder Formkörper aus Glas oder
Keramik, die über das Nanokomposit mit einer Metall- (z. B.
Aluminium-) Folie verbunden (kaschiert) sind. Das Nanokom
posit kann auch als Appretur bzw. Versteifung, Diffusions
sperrschicht, Auslaugsperrschicht, Oxidationsschutzschicht,
Elektroisolationsschicht oder zur Planarisierung eingesetzt
sein.
Alternativ kann das Nanokomposit diskontinuierliche oder auch
punktförmige Kontaktstellen zwischen mehreren Substraten
bilden und z. B. matrixartig ein teilchen-, flocken- oder
faserförmiges Substrat verbinden, wie dies z. B. bei Dämm
stoffen der Fall ist.
Als Substratmaterialien für die erfindungsgemäßen Verbund
werkstoffe eignen sich die verschiedensten anorganischen oder
organischen, natürlichen oder synthetischen Materialien.
Beispiele für geeignete Substratmaterialien sind Nichtmetalle
wie Bor und Silicium sowie Metalle wie Eisen, Chrom, Kupfer,
Nickel, Aluminium, Titan, Zinn, Zink und Silber und entspre
chende Legierungen (z. B. Messing Stahl, Bronze) in Form von
Pulvern, Fasern, Folien, Geweben, Blechen und Formstücken;
Glasmaterialien in Form von Pulvern, Flocken, Platten oder
Formstücken; Keramikmaterialien in Form von Pulvern, Fasern,
Geweben, Vliesstoffen, Flocken, Platten und Formstücken;
Kohlenstoff (Ruß, Graphit, Fullerene) in Form von Pulvern,
Fasern, Schichten, Platten und Formstücken; Oxide wie SiO2,
Al2O3, Fe2O3, Fe3O4, Cr2O3, CuO, Cu2O, In2O3, Mn2O3, PbO, PdO,
SnO2, TiO2, ZnO und ZrO2, Nitride wie BN, Si3N4 und TiN,
Carbide wie SiC, TiC und B4C, Silicide, nicht-stöchiometri
sche Verbindungen (z. B. SiOxCyNz), Komposite und Hybride in
Form von Pulvern und Fasern; vorzugsweise temperaturbestän
dige Kunststoffe wie Polyolefine, Fluorpolymere wie Teflon,
Homo- und Copolymerisate von Vinylhalogeniden oder Vinyl
estern, Polycarbonate, Polyester, Polyurethane, Aramide,
Polyamide, Acrylharze, Silicone und Ormocere in Form von
Fasern, Granulat, Folien, Filzen, Geweben, Vliesstoffen,
Platten und Formstücken; Naturfasern und -stoffe wie Baum
wolle, Hanf, Jute, Sisal und Stroh; und Mineralien wie Mont
morillonite, Bentonite, Glimmer, Vermiculit, Perlit, Ferrit,
Spinelle, z. B. Magnetit oder Kupferchromspinell, Schwerspat,
Flußspat, Asbest, Talkum, Aerogele, Sande und Tone.
Unter faserförmigen Substraten werden sowohl Einzelfasern,
einschließlich Hohlfasern und Whisker, als auch entsprechen
de Faserbündel, Schnüre, Taue, Zwirne und Garne sowie Halb
zeuge wie Gewebe, Gewirke, Gestricke, Geflechte, Textilien,
Vliesstoffe, Filze, Bahnen und Matten verstanden. Konkrete
Beispiele hierfür sind Kohlenstoffasern, Gewebe aus Baum
wolle und Kunststoffen, Metallfasern und Metallgewebe.
Das erfindungsgemäß eingesetzte Nanokomposit wird hergestellt
durch Oberflächenmodifizierung von kolloidalen anorganischen
Partikeln (a) mit einem oder mehreren Silanen (b) gegebenen
falls in Gegenwart von anderen Zusatzstoffen (c) unter den
Bedingungen des Sol-Gel-Prozesses.
Einzelheiten des Sol-Gel-Prozesses sind bei C.J. Brinker,
G.W. Scherer: "Sol-Gel Science - The Physics and Chemistry of
Sol-Gel-Processing", Academic Press, Boston, San Diego,
New York, Sydney (1990) und in den DE 19 41 191, DE 37 19 339,
DE 40 20 316 und DE 42 17 432 beschrieben.
Dort sind auch spezielle Beispiele für die erfindungsgemäß
einsetzbaren Silane (b) sowie deren hydrolytisch abspaltbare
Reste A und hydrolytisch nicht abspaltbare Reste R angegeben.
Bevorzugte Beispiele für hydrolytisch abspaltbare Gruppen A
sind Wasserstoff, Halogen (F, Cl, Br und I, insbesondere Cl
und Br), Alkoxy (insbesondere C2-4-Alkoxy, wie z. B. Ethoxy,
n-Propoxy, i-Propoxy und Butoxy), Aryloxy (insbesondere
C6-10-Aryloxy, z. B. Phenoxy), Alkaryloxy (z. B. Benzyloxy),
Acyloxy (insbesondere C1-4-Acyloxy, wie z. B. Acetoxy und
Propionyloxy) und Alkylcarbonyl (z. B. Acetyl). Ebenfalls
geeignete Reste A sind Aminogruppen (z. B. Mono- oder Di
alkyl-, -aryl- und -aralkylamingruppen mit den oben genannten
Alkyl-, Aryl- und Aralkylresten), Amidgruppen (z. B. Benz
amido) und Aldoxim- oder Ketoximgruppen. Zwei oder drei Reste
A können zusammen auch eine das Si-Atom komplexierende Grup
pierung bilden, wie dies z. B. bei Si-Polyolkomplexen der Fall
ist, die sich von Glykol, Glycerin oder Brenzkatechin ablei
ten. Besonders bevorzugte Reste A sind C2-4-Alkoxygruppen,
insbesondere Ethoxy. Methoxygruppen sind für die Zwecke der
Erfindung weniger geeignet, da sie zu hohe Reaktivität auf
weisen (kurze Verarbeitungszeit des Nanokomposit-Sols) und zu
Nanokompositen bzw. Verbundmaterialien mit ungenügender
Flexibilität führen können.
Die genannten hydrolysierbaren Gruppen A können gegebenen
falls einen oder mehrere übliche Substituenten tragen, z. B.
Halogenatome oder Alkoxygruppen.
Die hydrolytisch nicht abspaltbaren Reste R sind vorzugs
weise ausgewählt aus Alkyl (insbesondere C1-4-Alkyl, wie
Methyl, Ethyl, Propyl und Butyl), Alkenyl (insbesondere
C2-4-Alkenyl, wie z. B. Vinyl, 1-Propenyl, 2-Propenyl und
Butenyl), Alkinyl (insbesondere C2-4Alkinyl, wie Acetylenyl
und Propargyl), Aryl (insbesondere C6-10-Aryl, wie z. B.
Phenyl und Naphthyl) und den entsprechenden Alkaryl- und
Arylalkylgruppen. Auch diese Gruppen können gegebenenfalls
einen oder mehrere übliche Substituenten, z. B. Halogen-,
Alkoxy-, Hydroxy-, Amino- oder Epoxidgruppen, aufweisen.
Die oben genannten Alkyl-, Alkenyl- und Alkinylgruppen
schließen die entsprechenden cyclischen Reste, wie z. B.
Cyclopropyl, Cyclopentyl und Cyclohexyl, ein.
Besonders bevorzugte Reste R sind gegebenenfalls substitu
ierte C1-4-Alkylgruppen, insbesondere Methyl und Ethyl, und
gegebenenfalls substituierte C6-10-Alkylgruppen, insbeson
dere Phenyl.
Weiter ist es bevorzugt, daß in der obigen Formel (I) x den
Wert 0, 1 oder 2, und besonders bevorzugt 0 oder 1, auf
weist. Ferner weisen vorzugsweise mindestens 60 und ins
besondere mindestens 70 Stoffmengen-% der Silane der For
mel (1) den Wert x = 1 auf. In bestimmten Fällen kann es
noch günstiger sein, wenn mehr als 80 oder sogar mehr als
90 Stoffmengen-% (z. B. 100%) der Silane der Formel (I) den
Wert x = 1 aufweisen.
Die erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffe können z. B. aus
reinem Methyltriethoxysilan (MTEOS) oder aus Mischungen von
MTEOS und Tetraethoxysilan (TEOS) als Komponente (b) herge
stellt werden.
Die Verwendung von Silanen mit einer oder mehreren Gruppen R,
die substituiert sind, empfiehlt sich insbesondere dann, wenn
dem Verbundmaterial besondere Eigenschaften verliehen werden
soll. Beispielsweise kann durch Einführung von Fluoratomen
(z. B. in Form von substituierten aliphatischen (insbesondere
Alkyl-) Resten) ein Verbundwerkstoff erhalten werden, der
Wasser-, Schmutz-, Staub- und Öl-abweisende Eigenschaften
aufweist.
Konkrete Beispiele für Silane der allgemeinen Formel (I) sind
Verbindungen der folgenden Formeln:
Si(OC2H5)4, Si(O-n- oder i-C3H7)4-Si(OC4H9)4, SiCl4, Si(OOCCH3)4, CH3-SiCl3, CH3-Si(OC2H5)3, C2H5-SiCl3, C2H5-Si(OC2H5)3, C3H7-Si(OC2H5)3, C6H5-Si-(OC2H5)3, C6H5-Si(OC2H5)3, (C2H5O)3-Si-C3H6-Cl, (CH3)2SiCl2, (CH3)2Si(OC2H5)2, (CH3)2Si-(OC2H5)2, (CH3)2Si(OH)2, (C6H5)2SiCl2, (C6H5)2Si(OC2H5)2, (C6H5)2Si(OC2H5)2, (i-C3H7)3SiOH, CH2=CH-Si(OOCCH3)3, CH2=CH-SiCl3, CH2=CH-Si(OC2H5)3, CH2=CHSi(OC2H5)3, HSiCl3, CH2=CH-Si(OC2H4OCH3)3, CH2=CH-CH2-Si(OC2H5)3, CH2=CH-CH2-Si(OC2H5)3, CH2=CH-CH2-Si(OOCCH3)3, CH2=C(CH3)COO-C3H7-Si-(OC2H5)3, CH2=C(CH3)-COO-C3H7-Si(OC2H5)3, n-C6H13-CH2-CH2-Si(OC2H5)3, n-C8H17-CH2-CH2-Si(OC2H5)3,
Si(OC2H5)4, Si(O-n- oder i-C3H7)4-Si(OC4H9)4, SiCl4, Si(OOCCH3)4, CH3-SiCl3, CH3-Si(OC2H5)3, C2H5-SiCl3, C2H5-Si(OC2H5)3, C3H7-Si(OC2H5)3, C6H5-Si-(OC2H5)3, C6H5-Si(OC2H5)3, (C2H5O)3-Si-C3H6-Cl, (CH3)2SiCl2, (CH3)2Si(OC2H5)2, (CH3)2Si-(OC2H5)2, (CH3)2Si(OH)2, (C6H5)2SiCl2, (C6H5)2Si(OC2H5)2, (C6H5)2Si(OC2H5)2, (i-C3H7)3SiOH, CH2=CH-Si(OOCCH3)3, CH2=CH-SiCl3, CH2=CH-Si(OC2H5)3, CH2=CHSi(OC2H5)3, HSiCl3, CH2=CH-Si(OC2H4OCH3)3, CH2=CH-CH2-Si(OC2H5)3, CH2=CH-CH2-Si(OC2H5)3, CH2=CH-CH2-Si(OOCCH3)3, CH2=C(CH3)COO-C3H7-Si-(OC2H5)3, CH2=C(CH3)-COO-C3H7-Si(OC2H5)3, n-C6H13-CH2-CH2-Si(OC2H5)3, n-C8H17-CH2-CH2-Si(OC2H5)3,
Diese Silane lassen sich nach bekannten Methoden herstellen;
vgl. W. Noll, "Chemie und Technologie der Silicone", Verlag
Chemie GmbH, Weinheim/Bergstraße (1968).
Bezogen auf die oben genannten Komponenten (a), (b) und (c)
beträgt der Anteil der Komponente (b) gewöhnlich 20 bis 95,
vorzugsweise 40 bis 90 und besonders bevorzugt 70 bis 90 Mas
se-%, ausgedrückt als Polysiloxan der Formel: RxSiO(2-0,5x),
welches bei der Kondensation entsteht.
Die erfindungsgemäß verwendeten Silane der allgemeinen Formel
(I) können ganz oder teilweise in Form von Vorkondensaten
eingesetzt werden, d. h. Verbindungen, die durch teilweise
Hydrolyse der Silane der Formel (I), entweder allein oder im
Gemisch mit anderen hydrolysierbaren Verbindungen, entstanden
sind. Derartige, im Reaktionsmedium vorzugsweise lösliche
Oligomere können geradkettige oder cyclische niedermolekulare
Teilkondensate (Polyorganosiloxane) mit einem Kondensations
grad von z. B. etwa 2 bis 100, insbesondere etwa 2 bis 6,
sein.
Die zur Hydrolyse und Kondensation der Silane der Formel (I)
eingesetzte Wassermenge beträgt vorzugsweise 0,1 bis 0,9, und
besonders bevorzugt 0,25 bis 0,75 Mol Wasser pro Mol der
vorhandenen hydrolysierbaren Gruppen. Oft werden besonders
gute Ergebnisse mit 0,35 bis 0,45 Mol Wasser pro Mol der
vorhandenen hydrolysierbaren Gruppen erzielt.
Spezielle Beispiele für kolloidale anorganische Partikel (a)
sind Sole und nanoskalige dispergierbare Pulver (Teilchen
größe vorzugsweise bis zu 300, insbesondere bis zu 100 nm und
besonders bevorzugt bis zu 50 nm) von SiO2, TiO2, ZrO2,
Al2O3, Y2O3, CeO2, SnO2, ZnO, Eisenoxiden oder Kohlenstoff
(Ruß und Graphit), insbesondere von SiO2.
Der Anteil der Komponente (a), bezogen auf die Komponenten
(a), (b) und (c), beträgt gewöhnlich 5 bis 60, vorzugsweise
10 bis 40 und besonders bevorzugt 10 bis 20 Masse-%.
Zur Herstellung des Nanokomposits können als Eventualkompo
nenten (c) andere Zusatzstoffe in Mengen von bis zu 20 Masse-%,
vorzugsweise bis zu 10 und insbesondere bis zu 5 Masse-%
eingesetzt werden, z. B. Härtungskatalysatoren wie Metallsalze
und Metallalkoxide (z. B. Aluminium-, Titan-, Zirkonalkoxide),
organische Bindemittel wie Polyvinylalkohol, Polyvinylacetat,
Stärke, Polyethylenglykol und Gummi arabicum, Pigmente,
Farbstoffe, flammhemmende Zusätze, Verbindungen glasbildender
Elemente (z. B. Borsäure, Borsäureester, Natriummethylat,
Kaliumacetat, Aluminium-sek-butylat, etc.), Korrosions
schutzmittel und Beschichtungshilfsmittel. Die Verwendung von
Bindemitteln ist erfindungsgemäß weniger bevorzugt.
Die Hydrolyse und Kondensation wird unter Sol-Gel-Bedingun
gen in Gegenwart saurer Kondensationskatalysatoren (z. B.
Salzsäure) bei einem pH-Wert von vorzugsweise 1 bis 2 durch
geführt, bis ein viskoses Sol entsteht.
Vorzugsweise wird neben dem Lösungsmittel, das bei der Hydro
lyse der Alkoxygruppen entsteht, kein zusätzliches Lösungs
mittel angewandt. Falls gewünscht, können jedoch z. B. alkoho
lische Lösungsmittel, wie Ethanol, oder andere polare, proti
sche oder aprotische Lösungsmittel, wie Tetrahydrofuran,
Dioxan, Dimethylformamid oder Butylglykol, eingesetzt werden.
Um eine günstige Solpartikel-Morphologie und Sol-Viskosität
einzustellen, unterwirft man das erhaltene Nanokomposit-Sol
vorzugsweise einem gezielten Nachreaktionsschritt, bei dem
die Reaktionsmischung mehrere Stunden bis mehrere Tage auf
Temperaturen von 40 bis 120°C erwärmt wird. Besonders be
vorzugt ist eine eintägige Lagerung bei Raumtemperatur oder
eine mehrstündige Erwärmung auf 60-80°C. Hierbei entsteht ein
Nanokomposit-Sol mit einer Viskosität von vorzugsweise 5 bis
500 mPas, besonders bevorzugt 10 bis 50 mPas. Selbstver
ständlich kann die Viskosität des Sols auch durch Zusatz von
Lösungsmitteln oder Entfernung von Reaktions-Nebenprodukten
(z. B. Alkoholen) auf für den speziellen Anwendungszweck
geeignete Werte eingestellt werden. Der Nachreaktionsschritt
kann auch vorzugsweise mit einer Reduktion des Lösungsmittel
anteils gekoppelt werden.
Der Masseanteil des Nanokomposits am Verbundwerkstoff be
trägt vorzugsweise 0,1 bis 80, insbesondere 1 bis 40 und
besonders bevorzugt 1 bis 20 Masse-%.
Die Vereinigung von Substrat und Nanokomposit bzw. Nanokom
posit-Sol erfolgt nach einer zumindest anfänglichen Hydrolyse
der Komponente (b) und auf jeden Fall vor der abschließenden
Härtung. Vorzugsweise wird das Nanokomposit-Sol vor dem
Inkontaktbringen mit dem Substrat durch Zufuhr einer weiteren
Wassermenge aktiviert.
Das Inkontaktbringen kann auf jede dem Fachmann bekannte und
für den gegebenen Fall als sinnvoll erachtete Art und Weise
erfolgen, z. B. durch einfaches Vermischen von Substrat und
Nanokomposit-Sol, Tauchen, Sprühen, Rakeln, Spritzen, Schleu
dern, Gießen, Streichen, Bürsten usw. in das bzw. mit dem
Nanokomposit-Sol. Um die Haftung zwischen Substrat und Nano
komposit zu verbessern, kann es sich in manchen Fällen als
vorteilhaft erweisen, das Substrat vor dem Kontaktieren mit
dem Nanokomposit bzw. dessen Vorstufe einer üblichen Ober
flächen-Vorbehandlung zu unterziehen, z. B. Korona-Entladung,
Entfetten, Behandlung mit Primern wie Aminosilanen, Epoxy
silanen, Schlichten aus Stärke oder Siliconen, Komplexbild
nern, Tensiden etc.
Der abschließenden Härtung kann eine Trocknungsstufe bei
Raumtemperatur oder leicht erhöhter Temperatur (z. B. bis zu
ca. 50°C) vorangehen.
Die eigentliche Härtung bzw. eine Vorhärtung kann bei Raum
temperatur durchgeführt werden, erfolgt jedoch vorzugsweise
durch Wärmebehandlung bei Temperaturen über 50°C, vorzugs
weise über 100°C und besonders bevorzugt bei 150°C oder
darüber. Die maximale Härtungstemperatur hängt u. a. vom
Schmelzpunkt bzw. der Temperaturbeständigkeit des Substrats
ab, liegt aber in der Regel bei 250 bis 300°C. Bei metalli
schen oder mineralischen Substraten sind aber auch wesentlich
höhere Härtungstemperaturen möglich, z. B. 400 bis 500°C und
darüber. Die Härtung kann gegebenenfalls in einer Schutzgas
atmosphäre (z. B. N2, Argon) durchgeführt werden, insbesondere
wenn das Substrat oxidationsempfindlich ist. Übliche Här
tungszeiten liegen im Bereich von Minuten bis Stunden, z. B.
2 bis 30 Minuten.
Neben der konventionellen thermischen Härtung (z. B. im Um
luftofen) kommen als weitere Härtungsmethoden z. B. die photo
chemische Härtung (UV-VIS), die Elektronenstrahl-Härtung,
Rapid Annealing und die Härtung mit IR- und Laserstrahlen in
Frage.
Vor der Härtung kann der hergestellte Verbund gegebenen
falls auch noch einer Formgebung unterzogen werden.
Gegenstand der Erfindung ist auch die Verwendung des obigen
Nanokomposits für die Beschichtung und/oder Konsolidierung
der obigen Substrate. Der Begriff "Konsolidierung" soll hier
alle Maßnahmen einschließen, die geeignet sind, das Substrat
in verfestigter bzw. kompaktierter Form bereitzustellen und
umfaßt somit z. B. eine Imprägnierung des Substrats mit Nano
komposit, eine Einlagerung des Substrats in eine Matrix aus
Nanokomposit oder eine Verklebung bzw. Verbindung von Sub
straten bzw. Substratteilen mit Nanokomposit. Unter "Be
schichtung" wird insbesondere eine teilweise oder vollstän
dige Umhüllung eines Substrats mit einem Nanokomposit ver
standen, um diesem Substrat oder Teilen davon besondere
Eigenschaften zu verleihen, wie z. B. Oxidationsbeständigkeit,
Flammverzögerung, Hydrophobie, Oleophobie, Härte, Undurch
lässigkeit, elektrische oder thermische Isolation.
Die folgenden Beispiele sollen die vorliegende Erfindung
weiter erläutern.
In den folgenden Beispielen handelt es sich bei dem darin
eingesetzten Kieselsol um ein wäßriges Kieselsol der Firma
BAYER ("Levasil 300/30") mit einem Feststoffgehalt von 30
Masse-% und einer Teilchengröße von 7 bis 10 nm. Weiter
werden in den Beispielen die folgenden Abkürzungen verwen
det:
MTEOS = Methyltriethoxysilan
TEOS = Tetraethoxysilan
PTEOS = Phenyltriethoxysilan
ETEOS = Ethyltriethoxysilan
TEOS = Tetraethoxysilan
PTEOS = Phenyltriethoxysilan
ETEOS = Ethyltriethoxysilan
51,3 ml MTEOS (entsprechend 60 Stoffmengen-%), 19,1 ml TEOS
(entsprechend 20 Stoffmengen-%) und 15,0 ml PTEOS (entspre
chend 20 Stoffmengen-%) werden gemischt und die Hälfte dieser
Mischung wird mit 11,7 ml Kieselsol (entsprechend 14,3 Masse-%
Kieselsolanteil) und 0,386 ml konzentrierter Salzsäure
stark gerührt. Nach 5 Minuten wird die zweite Hälfte des
Alkoxid-Gemisches zu dem Ansatz gegeben, worauf noch 5 Minu
ten weiter gerührt wird. Anschließend wird das entstandene
Sol einem Nachreaktionsschritt (12stündiges Stehenlassen bei
60°C) unterzogen.
Vor der Anwendung werden dem Sol ca. 2,5 ml Wasser zuge
setzt, um auf einen Wassergehalt von 0,5 Mol Wasser pro Mol
hydrolysierbarer Gruppe zu kommen. Das resultierende Sol wird
mit einer solchen Menge Sand einer Korngröße von ca.
1 mm vermischt, daß ca. 84% der Gesamtmasse aus dem Sand
bestehen. Die Masse wird in einer Form festgestampft und bei
100°C 20 Minuten lang verfestigt. Man erhält einen mecha
nisch stabilen Formkörper, der auch bei einer 1-stündigen
Temperaturbelastung bei 500°C nicht die Form verliert.
Entsprechend Beispiel 1 wird ein Kernsandbindemittel herge
stellt aus 184 ml MTEOS, 51,4 ml TEOS, 62,8 ml Kieselsol und
1,71 ml 37% Salzsäure. Nach 15 Minuten Nachreaktion bei
Raumtemperatur ist das Bindemittel einsatzbereit. Der Fest
stoffgehalt beträgt 327 g/l.
Trockener Kernsand wird mit dem Bindemittel in einer Menge
vermischt, daß 1,5 Masse-% festes Bindemittel enthalten sind.
Die feuchte Masse wird in einem Preßstempel 30 Minuten mit
100 kN Druck gepreßt und anschließend im Preßbesteck eine
Stunde bei 140°C gehärtet. Es resultiert ein anorganisch
gebundener Gußkern, der beim Erhitzen auf 500°C keine gifti
gen Gase freisetzt und durch Ultraschalleinwirkung wieder
definiert zerlegt werden kann.
Mit dem Bindemittel aus Beispiel 2 werden Kohlefasergewebe
durch Foulardieren getränkt und anschließend in mehreren
Lagen in einer Heißpresse 20 Minuten bei 140°C unter einem
Druck von 100 kN gehärtet.
Man erhält ein festes, elastisches Kohlefaser-Verbund
material, das aufgrund des anorganischen Bindemittels auch
temperaturstabil ist. So kann ein 10 × 1 cm großer Streifen
aus diesem Material mit zwei Bunsenbrennern mehr als 30
Minuten erhitzt werden, ohne daß die Kohlefasern verglühen.
Im Vergleich dazu brennt ein Epoxidharz-gebundener Gewebe
streifen bei Beflammung und reißt nach 10 Minuten ab.
Mit dem Bindemittel aus Beispiel 2 werden Aramid-Gewebe durch
Foulardieren getränkt und anschließend in mehreren Lagen in
einer Heißpresse 20 Minuten bei 140°C unter einem Druck von
100 kN gehärtet.
Man erhält ein festes, elastisches Faserverbundmaterial, das
gegenüber organisch gebundenen Aramidgeweben erhöhte thermi
sche Beständigkeit aufweist.
22 g Aluminiumpulver werden mit dem Bindemittel aus Beispiel
2 versetzt, so daß 15 Masse-% des Gesamt-Feststoffgehalts aus
Bindemittel besteht. Anschließend wird die feuchte Masse in
ein Preßbesteck (Durchmesser 4 cm) eingefüllt und 30 Minuten
bei 50 kN Druck verpreßt. Die Aushärtung erfolgt im Preßbe
steck 1 Stunde bei 80°C.
Man erhält einen Preßling aus einem Metall-Glas-Komposit, der
bis zu Temperaturen von 550°C thermisch nachgehärtet werden
kann und dann glasartige Härte bei hoher thermischer Leitfä
higkeit aufweist.
Entsprechend Beispiel 1 wird ein Bindemittel dadurch herge
stellt, daß man 670 ml MTEOS und 186 ml TEOS mischt und im
Verhältnis 1 : 1 aufteilt. Die Hälfte der Mischung wird mit
192 g Kieselsol (SNOWTEX 50 von Nissan Chemicals) intensiv
gerührt und mit 4,4 g konzentrierter Salzsäure versetzt. Nach
5 Minuten wird die zweite Hälfte der Silanmischung zugegeben.
Nach einer Nachreaktionsphase von 12 Stunden wird das Nano
komposit-Sol mit 10 Vol-% Wasser intensiv vermischt und noch
weitere 5 Minuten gerührt. Hierauf mischt man Flammruß in
einer Menge zu, daß das Bindemittel 20% des Feststoffgehaltes
ausmacht. Die Masse wird in ein beheiztes Preßwerkzeug (4 cm
Durchmesser) gegeben und 30 Minuten bei 140°C unter einem
Druck von 20 kN gehärtet.
Man erhält einen festen Formkörper aus einem SiO2-Kohlen
stoff-Komposit, der bis zu Temperaturen von 1000°C mecha
nisch stabil ist.
Mit dem Bindemittel aus Beispiel 6 werden Aramid-Gewebe durch
Foulardieren getränkt und anschließend in mehreren Lagen in
einer Heißpresse 20 Minuten bei 140°C unter einem Druck von
100 kN gehärtet.
Man erhält ein im Vergleich zu dem Material aus Beispiel 4
flexibleres Faserverbundmaterial, das gegenüber organisch
gebundenen Aramid-Geweben erhöhte thermische Beständigkeit
aufweist.
803 ml MTEOS und 223 ml TEOS werden gemischt und im Verhält
nis 1 : 1 aufgetrennt. Eine Hälfte der Silanmischung wird mit
165 g ZrO2-Sol (NZS-30A von Nissan Chemicals) und 4,4 g
konzentrierter Salzsäure intensiv gerührt und nach 5 Minuten
mit der zweiten Hälfte der Silanmischung vermischt.
Nach einer Nachreaktionsphase von 12 Stunden wird das Binde
mittel mit 10 Vol-% Wasser intensiv vermischt und noch weite
re 5 Minuten gerührt. Zu der erhaltenen Mischung wird Bor
nitrid einer mittleren Korngröße von 1 µm in einer solchen
Menge gegeben, daß 85% der Gesamtmasse aus Bornitrid beste
hen. Die resultierende Masse wird in einer Dicke von ca. 0,5
mm auf eine Glasplatte aufgestrichen. Nach 12-stündigem
Trocknen bei Raumtemperatur wird die Schicht entfernt und als
freistehender Formkörper bei 500°C gesintert. Man erhält
einen festen Formkörper.
Zu einer Mischung von 65,4 ml MTEOS und 18,3 ml TEOS
werden unter starkem Rühren 16,7 ml Kieselsol und 0,49 ml
konzentrierte Salzsäure gegeben. Nach der Umsetzung der
Silane wird das Sol in einem Eisbad gekühlt und mit einem
Glasfaserfilter (Firma Schleicher und Schüll, Rezist 40 GF)
filtriert.
100 g Glasschaumperlen werden mit 20 ml des obigen Sols
vermischt und bei einem Druck von 4,4 MPa in einer Preßform
mit einem Durchmesser von 12 cm 5 Minuten lang verpreßt.
Anschließend wird der Preßling in einem Umluft-Trocken
schrank 8 Stunden lang einer Temperatur von 80°C ausgesetzt.
Man erhält einen Formkörper, der bei einer Temperatur un
terhalb des Schmelzpunktes des Rohmaterials formstabil bleibt
(Anteil der Glasperlen im Formkörper 6 Masse-%).
Ein aus 47,9 ml MTEOS, 17,9 ml TEOS, 15,4 ml ETEOS sowie 16,4
ml Kieselsol und 0,48 ml konzentrierter Salzsäure hergestell
tes Sol wird 15 Minuten nach seiner Herstellung mit Ethanol
auf einen Feststoffgehalt von 3 Masse-% verdünnt.
Daraufhin tränkt man mit diesem Produkt Baumwollgewebe mit
einem Flächengewicht von 50 g/m2, das anschließend zwischen
zwei Gummiwalzen ausgepreßt wird. Nach 20-minütiger Trock
nung bei 100°C erhält man ein imprägniertes Gewebe mit festem
Griff. Die Imprägnierung wird auch bei mehrmaligem Waschen
nicht entfernt.
Man verfährt wie in Beispiel 10 mit der Ausnahme, daß 5
Minuten vor der Verdünnung 1% ein Fluorsilan (Tridecafluoro-
1,1,2,2-tetrahydrooctyl-1-triethoxysilan) zugesetzt wird und
daß durch die Verdünnung ein Feststoffgehalt von 1,5 Masse-%
erhalten wird. Das Baumwollgewebe wird dadurch Schmutz- und
Wasser/Öl-abweisend mit weichem Griff. Die Imprägnierung wird
auch durch mehrmaliges Waschen des Gewebes nicht entfernt.
Ein gereinigtes Edelstahlblech (1.4301) wird mit einem wie in
Beispiel 9 hergestellten Sol mit einer Ziehgeschwindigkeit
von 2 mm/s tauchbeschichtet. Das Substrat wird 5 Minuten an
Luft getrocknet und anschließend in einer N2-Atmosphäre mit
einer Heizrate von 1 K/Minute auf 600°C erhitzt. Hierbei wird
ein glasartiger Überzug mit einer Dicke von 3 µm auf dem
Edelstahlblech erhalten. Das beschichtete Edelstahlblech kann
an Luft bis zu einer Temperatur von 500°C thermisch belastet
werden, ohne daß eine Verfärbung des Bleches auftritt.
Ein gereinigtes Aluminiumblech wird wie in Beispiel 12 be
schrieben beschichtet und nach dem Trocknen 1 Stunde lang an
Luft bei einer Temperatur von 500°C gehalten. Hierdurch wird
eine glasartige Schicht mit einer Dicke von 3 µm erhalten.
Das so beschichtete Blech zeigt in konzentrierter Salzsäure
keine Gasentwicklung, während sich ein unbeschichtetes Blech
unter starker Gasentwicklung auflöst.
Ein gereinigtes Edelstahlblech (1.4301) wird mit einer Mi
schung aus 2,5 ml Natriumwasserglas (37/40) und 47,5 ml
Wasser tauchbeschichtet (Primer) und bei 80°C getrocknet.
Anschließend wird das Edelstahlblech wie in Beispiel 12
beschrieben beschichtet und nach dem Trocknen mit einer
Heizrate von 1 K/Min. 1 Stunde in Luft bei 550°C erhitzt. Das
so beschichtete Edelstahlblech kann an Luft bis zu einer
Temperatur von 500°C thermisch belastet werden, ohne daß eine
Verfärbung des Bleches auftritt.
Claims (18)
1. Verbundwerkstoff, gekennzeichnet durch ein Substrat und
ein damit in funktionellem Kontakt stehendes Nanokompo
sit, das erhältlich ist durch Oberflächenmodifizierung
von
- a) kolloidalen anorganischen Partikeln mit
- b) einem oder mehreren Silanen der allgemeinen Formel
(I)
Rx-Si-A4-x (I)
worin die Reste A gleich oder verschieden sind und Hydroxylgruppen oder hydrolytisch abspaltbare Gruppen darstellen, ausgenommen Methoxy, die Reste R gleich oder verschieden sind und hydrolytisch nicht abspaltbare Gruppen darstellen und x den Wert 0, 1, 2 oder 3 hat, wobei bei minde stens 50 Stoffmengen-% der Silane x ≧ 1 ist;
2. Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß die Oberflächenmodifizierung in Gegenwart
eines sauren Kondensationskatalysators bei einem
pH-Wert von 1 bis 2 durchgeführt worden ist.
3. Verbundwerkstoff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge
kennzeichnet, daß das Nanokomposit-Sol einer mehrstün
digen bis mehrtägigen Nachreaktion bei Temperaturen von
Raumtemperatur bis 120°C unterzogen worden ist.
4. Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die kolloidalen anorgani
schen Partikel (a) ausgewählt sind aus Solen und nano
skaligen, dispergierbaren Pulvern von SiO2, TiO2, ZrO2,
Al2O3, Y2O3, CeO2, SnO2, ZnO, Eisenoxiden oder Kohlen
stoff.
5. Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung des Nano
komposit-Sols andere Zusatzstoffe (c) verwendet worden
sind, z. B. Härtungskatalysatoren, organische Bindemit
tel, Pigmente, Farbstoffe, flammhemmende Zusätze,
Verbindungen glasbildender Elemente, Korrosionsschutz
mittel und/oder Beschichtungshilfsmittel.
6. Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß 5 bis 60, vorzugsweise 10
bis 40 und besonders bevorzugt 10 bis 20 Masse-% der
Komponente (a) zur Herstellung des Nanokomposits ein
gesetzt worden sind.
7. Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß 20 bis 95, vorzugsweise 40
bis 90 und besonders bevorzugt 70 bis 90 Masse-% der
Komponente (b), ausgedrückt als Polysiloxan der Formel:
RxSiO(2-0,5x), zur Herstellung des Nanokomposits ein gesetzt worden sind.
RxSiO(2-0,5x), zur Herstellung des Nanokomposits ein gesetzt worden sind.
8. Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 5 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß nicht mehr als 20, vor
zugsweise nicht mehr als 10 und besonders bevorzugt
nicht mehr als 5 Masse-% der anderen Zusatzstoffe (c)
zur Herstellung des Nanokomposits eingesetzt worden
sind.
9. Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß die Reste A in Formel (I)
C2-4-Alkoxygruppen, vorzugsweise Ethoxygruppen, sind.
10. Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, daß R in Formel (I) für eine
gegebenenfalls substituierte C1-4-Alkylgruppe und/oder
eine gegebenenfalls substituierte C6-10-Arylgruppe,
vorzugsweise eine Methyl-, Ethyl- und/oder Phenyl
gruppe, steht.
11. Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, daß x in Formel (I) den Wert 0,
1 oder 2, vorzugsweise 0 oder 1, hat.
12. Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, daß mindestens 60 und vorzugs
weise mindestens 70 Stoffmengen-% der Komponente (b)
Silane der Formel (I) mit x ≧ 1, und bevorzugt x = 1,
sind.
13. Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenmodifizie
rung mit 0,1 bis 0,9, vorzugsweise 0,25 bis 0,75 Mol
Wasser pro Mol der vorhandenen hydrolysierbaren Gruppen
durchgeführt worden ist.
14. Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, daß der Masseanteil des Nano
komposits 0,1 bis 80, vorzugsweise 1 bis 40 und beson
ders bevorzugt 1 bis 20 Masse-%, beträgt.
15. Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 14,
dadurch gekennzeichnet, daß das Substratmaterial aus
gewählt ist aus Metallen, Nichtmetallen, Glas, Keramik,
Kohlenstoff, Oxiden, Nitriden, Carbiden, Boriden,
Kunststoffen, Holz, Naturfasern und Mineralien, ausge
nommen Glasfasern, Mineralfasern und Holzwerkstoffe.
16. Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 15,
dadurch gekennzeichnet, daß die Härtung thermisch,
vorzugsweise bei Temperaturen zwischen 50°C und 300°C,
erfolgt.
17. Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 16 in
Form eines mit dem Nanokomposit beschichteten Sub
strats, eines mit dem Nanokomposit imprägnierten
Gewebes oder eines ein mit dem Nanokomposit konsoli
diertes Substratmaterial umfassenden Formkörpers.
18. Verwendung eines wie in den Ansprüchen 1 bis 13 defi
nierten Nanokomposits zur Beschichtung und/oder Kon
solidierung von teilchen-, flocken-, faser-, band-,
blatt-, folien-, platten-, block- oder schichtförmigen
Substraten.
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