DE19700064A1 - Gele mit thermotropen Eigenschaften - Google Patents
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- C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
- C08F—MACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED BY REACTIONS ONLY INVOLVING CARBON-TO-CARBON UNSATURATED BONDS
- C08F271/00—Macromolecular compounds obtained by polymerising monomers on to polymers of nitrogen-containing monomers as defined in group C08F26/00
- C08F271/02—Macromolecular compounds obtained by polymerising monomers on to polymers of nitrogen-containing monomers as defined in group C08F26/00 on to polymers of monomers containing heterocyclic nitrogen
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
- C08F—MACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED BY REACTIONS ONLY INVOLVING CARBON-TO-CARBON UNSATURATED BONDS
- C08F2/00—Processes of polymerisation
- C08F2/46—Polymerisation initiated by wave energy or particle radiation
- C08F2/48—Polymerisation initiated by wave energy or particle radiation by ultraviolet or visible light
- C08F2/50—Polymerisation initiated by wave energy or particle radiation by ultraviolet or visible light with sensitising agents
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
- C08F—MACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED BY REACTIONS ONLY INVOLVING CARBON-TO-CARBON UNSATURATED BONDS
- C08F261/00—Macromolecular compounds obtained by polymerising monomers on to polymers of oxygen-containing monomers as defined in group C08F16/00
- C08F261/06—Macromolecular compounds obtained by polymerising monomers on to polymers of oxygen-containing monomers as defined in group C08F16/00 on to polymers of unsaturated ethers
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Description
Gele für thermotrope Schichten, erhältlich durch Bestrahlen einer
Mischung, enthaltend
- a) ein unvernetztes Polymer,
- b) radikalisch polymerisierbare Monomere,
- c) Wasser oder ein organisches Lösungsmittel oder deren Gemi sche,
- d) mindestens einen Photoinitiator der allgemeinen Formel wobei es sich bei R¹ und R² unabhängig voneinander um eine C₁-C₁₀-Alkylgruppe handelt und R³ bis R⁷ unabhängig voneinan der für ein Wasserstoffatom, eine C₁-C₁₀-Alkylgruppe oder eine C₅-C₁₀-Arylgruppe stehen können, mit der Maßgabe, daß minde stens einer der Reste R³ bis R⁷ für einen hydrophilen Rest steht, wobei es sich um eine Carbonsäure- bzw. Carboxylat gruppe, eine Sulfonsäure- bzw. Sulfonatgruppe, eine Hydroxyl gruppe, eine Polyalkylenoxidgruppe oder einen organischen Rest mit bis 30 C-Atomen, der mindestens eine der vorstehen den hydrophilen Gruppen enthält, handelt,
mit energiereichem Licht.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung
der Gele sowie ihre Verwendung zur Herstellung von thermotropen
Schichten.
Die Notwendigkeit zur rationellen Energieverwendung und auch die
Nutzung der Sonnenenergie zum Heizen von Gebäuden setzt hochef
fektive und intelligente Systeme voraus, die die solenenergeti
schen Systeme (Fenster, Kollektoren, Hausfassaden) optimal an die
Witterungsbedingungen und Benutzeranforderungen anpassen. Ein
qualitativ hochwertiges Fenster in einer Bürofassade sorgt für
angenehme Temperaturen im Winter und führt damit zur Energieein
sparung. Spätestens im Frühjahr wird das gleiche Fenster zur
Überhitzung und damit auftretenden Kühllasten führen und die
Energieeinsparung des Winters zunichte machen. Daher ist es of
fensichtlich, daß in optimierten Systemen Steuerungsmechanismen
zur Regelung des Strahlungs- oder Wärmeflusses notwendig sind.
Diese Steuerung kann teils passiv geschehen, wie zum Beispiel die
Abschattung durch Überdachungen oder Balkone oder aktiv mecha
nisch durch Rolle- oder Markisensysteme. Vieler dieser Systeme
sind jedoch nicht effektiv genug, zu teuer oder in ihrer Lang
zeitbeständigkeit nicht ausreichend, was wiederum zu Mehrkosten
führt.
Die Idee elektro- oder thermooptische Systeme zur Steuerung ein
zusetzen, taucht immer wieder auf, führte jedoch bisher aufgrund
materialmäßiger oder systemtechnischer Probleme noch nicht zum
entscheidenden Durchbruch.
Eine effektive und kostengünstige Methode zur Regelung des Strah
lungs- und Wärmeflusses besteht in der Verwendung von thermo
tropen Schichten. Diese Schichten sind im ungeschalteten Zustand
transparent und trüben sich erst oberhalb einer bestimmten
Schalttemperatur ein. Die Eintrübung ist vollkommen reversibel,
d. h. bei Abkühlung auf Temperaturen unterhalb der Schalt
temperatur werden die thermotropen Schichten wieder vollkommen
transparent.
In der EP-A 0 678 534 sind Gele für thermotrope Schichten be
schrieben, bei denen Mischungen aus Monomeren, einem thermotropen
Polymeren und Lösemittel, im allgemeinen Wasser, mit energierei
chem Licht bestrahlt werden und so aus den Monomeren ein dreidi
mensionales Netzwerk gebildet werden soll. Bei Verglasungssyste
men, welche thermotrope Schichten enthalten, erfolgt die Bestrah
lung üblicherweise nach Einfüllen der Mischung in das Vergla
sungssystem. Photoinitiatoren, welche in der zu bestrahlenden
Mischung enthalten sind, müssen eine gute Wasserlöslichkeit auf
weisen und auch bei hohen Schichtdicken der Glaswände noch aus
reichend wirksam sein. Andernfalls wird das thermotrope Gel nicht
oder nur ungenügend ausgebildet.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung waren daher Gele für thermo
trope Schichten, welche auch bei Bestrahlen der Ausgangsmischun
gen mit energiereichem Licht durch Gläser mit hohen Schichtdicken
ausgebildet werden.
Demgemäß wurde das eingangs definierte Gel, ein Verfahren zu sei
ner Herstellung und seine Verwendung zur Herstellung von thermo
tropen Schichten gefunden.
Erfindungsgemäße Gele sind erhältlich durch Bestrahlen einer
Mischung, enthaltend die Komponenten a), b), c) und d) mit ener
giereichem Licht.
Als Komponente a) eignen sich insbesondere unvernetzte Polymere,
welche thermotrope Eigenschaften in der Weise aufweisen, daß eine
10gew.-%ige Lösung dieses Polymeren in dem gewählten Lösungs
mittel c), d. h. in Wasser oder einem organischen Lösungsmittel
bzw. deren Gemische in einem Schaltbereich umfassend weniger als
20°C eine Änderung der Transmission von Licht bei einer Wellen
länge von 600 nm und einer Schichtdicke von 10 mm aufweist, so
daß oberhalb des Schaltbereichs weniger als 50% des einfallenden
Lichts und unterhalb des Schaltbereichs mindestens 70% des ein
fallenden Lichts transmittiert werden. (Bei Messungen mit stei
gender oder fallender Temperatur zur Bestimmung der Transmission
wird jeweils gewartet bis das Polymer bzw. das Gel die neu einge
stellte Temperatur angenommen hat.)
Der Schaltbereich bzw. die Schalttemperatur liegt vorzugsweise im
Bereich von 20 bis 90 besonders bevorzugt zwischen 20 und 50°C
und ganz besonders bevorzugt im Falle von Verglasungssystemen im
Bereich von 20 bis 40°C.
Der Schaltbereich sollte vorzugsweise weniger als 100, besonders
bevorzugt weniger als 5°C und ganz besonders bevorzugt nur 1°C
oder weniger betragen.
Unterhalb des Schaltbereichs beträgt die Transmission vorzugs
weise mindestens 90%; oberhalb vorzugsweise weniger als 30%.
Zur Bestimmung dem Transmission wurden die Proben mit einem
Lichtdurchlässigkeitsgerät vermessen. Das Gerät besteht im we
sentlichen aus einer punktförmigen Lichtquelle und einer ebensol
chen Photozelle, die den direkten Strahlengang der Lichtquelle
erfaßt (direkt-direkt-Messung). Der von der Photozelle abgegebene
Photostrom dient-als Maß für die Intensität des hindurchtretenden
Lichtes. In den Strahlengang zwischen Lichtquelle und Photozelle
befindet sich eine beheizbare Probenhalterung. Eine mit destil
liertem Wasser gefüllte Küvette diente als Referenz.
Die thermotropen Eigenschaften des Polymeren werden vorzugsweise
durch eine begrenzte Löslichkeit des Polymeren in dem gewählten
Lösungsmittel oder -gemisch verursacht.
Die Temperatur oberhalb der die Polymere nur eine begrenzte Lös
lichkeit haben, bezeichnet man als im üblichen Sprachgebrauch als
"lower critical solution temperature" (LCST) oder als Trübungs
temperatur. Unterhalb der LCST sind die Polymeren in dem Lösungs
mittel in der gewählten Menge weitgehend löslich, oberhalb der
LCST bilden Lösungen aus diesem Polymeren ein mehrphasiges
System, das aus mindestens einer polymerreichen Phase besteht und
einer polymerarmen Phase. Dabei enthält das Lösungsmittel der
polymerarmen Phase weniger als 50% des ursprünglich im Lösungs
mittel gelösten Polymeren. Die polymerreiche Phase enthält über
wiegend Polymer, kann aber auch noch in dem Polymer eingeschlos
senes Lösungsmittel oder an das Polymer angelagertes Lösungs
mittel (z. B. Hydratwasser) enthalten.
Als Polymere a) kommen z. B. radikalische Polymerisate, Poly
kondensate oder Polyaddukte, z. B. Polyoxymethylen, in Betracht.
Das Polymer a) ist vorzugsweise ein radikalisches Polymerisat und
besteht vorzugsweise z. B. aus folgenden Monomeren:
60-100 insbesondere 90-100 Gew.-% Monomere A
0-20 insbesondere 0 bis 10 Gew.-% vernetzend wirkende Monomere B
0-20% sonstige Monomere C.
60-100 insbesondere 90-100 Gew.-% Monomere A
0-20 insbesondere 0 bis 10 Gew.-% vernetzend wirkende Monomere B
0-20% sonstige Monomere C.
Wird Wasser als Lösungsmittel c) oder Hauptbestandteil des
Lösungsmittels (mehr als 50 Gew.-% des Lösungsmittelgemischs)
verwendet, so sind geeignete Monomere A, z. B. N-substituierte,
ethylenisch ungesättigten Lactame (substituierte und unsubsti
tuierte N-Vinylcaprolactame, N-Vinylpyrrolidone, N-Vinyloxa
zolidinone, N-Vinylpiperidone, N-Vinylsuccinimide, N-Vinyl
morpholinone, N-Vinylbutyrolactam, N-Vinylvalerolactam, N-Vinyl
capryllactam, N-Vinylhexahydrophtalimid, N-Vinylmethyloxalodidon,
N-Vinylethyloxazolidon, N-Vinyloxazidinon). Besonders bevorzugt
sind N-Vinyl-2-caprolactam und N-Vinyl-2-pyrrolidon.
Ferner geeignet sind N,N′-Divinylimidazolidon, N-Vinylsuccinimid.
Gleichfalls geeignet sind unsubstituierte oder N-substituierte
Acrylamide oder Methacrylamide.
Geeignet sind auch Hydroxyalkylester von ungesättigten Carbon
säuren wie Acrylsäure, Methacrylsäure, Itaconsäure. Die Hydroxy
alkylgruppe hat bevorzugterweise 2-5 C-Atome. Beispiele für
geeignete Monomere sind Hydroxyethylacrylat, Hydroxyethylmeth
acrylat, Hydroxypropylacrylat, Hydroxypropylmethacrylat, Hydroxy
butylacrylat.
Ferner sind unsubstituierte oder N-substituierte Acrylamide oder
Methacrylamide geeignet. Beispiele dafür sind N-(2-Hydroxy
ethyl)acrylamid, N-Metholylacrylamid, Acrylamidoglycolsäure,
N-Butoxymethylacrylamid, N-Methoxymethylacrylamid, N-Methoxy
methylmethacrylkamid; N,N-Dialkylacrylamide mit Alkylgruppen von
C₁-C₃ wie N,N-Diethylacrylamid, N,N-Dimethylacrylamid, N-Alkyl
acrylamide mit Alkylgruppen von C₁-C₆, wie N-Ethylacrylamid,
N-isopropylacrylamid, N-Propylacrylamid.
Als Monomere A kommen weiterhin Vinylether der Formel I
H₂C=CH-OR I
oder hydrophile Vinylether der Formel II
H₂C=CH-OR¹ II,
in Betracht worin
R für eine C₁-C₂₀-Alkylgruppe steht und R¹ für einen aliphatischen oder cycloaliphatischen Rest steht, der durch Hydroxylgruppen substituiert sein kann oder durch nicht benachbarte Gruppen -Y- unterbrochen sein kann, Y die Bedeutung eines Sauerstoffatoms, eines Schwefelatoms, einer Gruppe NR² oder N⁺N²R³X- hat, worin R² und R³ unabhängig voneinander für ein Wasserstoffatom oder eine C₁-C₄-Alkylgruppe stehen sowie X⁻ für ein Gegenanion steht und das molare Verhältnis von Kohlenstoffatomen zur Summe aus Gruppen Y und Hydroxylgruppen in dem aliphatischen oder cycloaliphatischen Rest R¹ 1,01 : 1 bis 6,5 : 1 beträgt.
R für eine C₁-C₂₀-Alkylgruppe steht und R¹ für einen aliphatischen oder cycloaliphatischen Rest steht, der durch Hydroxylgruppen substituiert sein kann oder durch nicht benachbarte Gruppen -Y- unterbrochen sein kann, Y die Bedeutung eines Sauerstoffatoms, eines Schwefelatoms, einer Gruppe NR² oder N⁺N²R³X- hat, worin R² und R³ unabhängig voneinander für ein Wasserstoffatom oder eine C₁-C₄-Alkylgruppe stehen sowie X⁻ für ein Gegenanion steht und das molare Verhältnis von Kohlenstoffatomen zur Summe aus Gruppen Y und Hydroxylgruppen in dem aliphatischen oder cycloaliphatischen Rest R¹ 1,01 : 1 bis 6,5 : 1 beträgt.
Als Vinylether der Formel I zu nennen sind insbesondere
C₁-C₄-Alkylvinylether z. B. Methylvinylether, Ethylvinylether,
Propylvinylether, Isopropylvinylether, n-Butylvinylether, iso-
Butylvinylether und z. B. Dodecylvinylether.
Besonders bevorzugt ist Methylvinylether.
In Vinylethern der Formel II ist -Y- bevorzugt ein Sauerstoff
atom.
Vinylether der Formel I oder II können z. B. für sich alleine oder
in einem Gemisch miteinander, bevorzugt aus 40 bis 100 Gew.-% der
Vinylether I und 0 bis 60 Gew.-% der Vinylether II als Monomere A
eingesetzt werden.
Wenn Polymer a) auch vernetzbar sein soll, können auch Monomere B
copolymerisiert werden, die eine kovalente Vernetzung der
Polymerketten während oder nach der Polymerisation bewirken
können.
Derartige Monomere B können zwei- oder mehrfach ethylenisch unge
sättigte Verbindungen sein, wie z. B. Methylenbisacrylamid,
Poly(ethylenoxid)-diacrylate und -dimethacrylate; Poly(propylen
oxid)diacrylate, etc.
Geeignete Monomere B können auch ethylenisch ungesättigte
Verbindungen sein, die durch Einwirkung von Strahlung wie z. B.
UV-Strahlung, Additionsreaktionen mit sich selbst oder anderen
vorhandenen Gruppen eingehen können. Derartige Monomere sind z. B.
Zimtsäureglycidylmethacrylat, Furylacrylsäureglycidylmethacrylat;
Zimtsäure(4-acryloxybutyl)ester; Zimtsäure(2-acryloxyethyl)ester;
Zimtsäure(2-acryloxy-1-hydroxyethyl)ester, Furylacryl
säure(4-acryloxybutyl)ester; Furylacrylsäure(2-acryloxy
ethyl)ester; Furylacrylsäure(2-acryloxy-1-hydroxyethyl)ester etc.
Geeignet sind auch Coumarinderivate wie sie z. B. in Macro
molecules, 23; S. 2693-2697 (1990) beschrieben sind oder p-For
mylstyrolderivate wie sie in J. Polym. Sci. Polym. Chem. Ed. 20;
S. 1419-1432 (1982) beschrieben sind.
Die Anwesenheit von Monomeren C ist im allgemeinen nicht erfor
derlich und daher nicht bevorzugt.
Besonders bevorzugt besteht Polymer a) im wesentlichen nur aus
Monomeren A und enthält auch keine vernetzend wirkenden Mono
meren B.
Das Polymer a) ist daher vorzugsweise vor und nach der Bestrah
lung mit energiereichem Licht unvernetzt.
Ganz besonderes bevorzugte Polymere a) sind Poly-N-Vinylcaprolac
tam, Copolymere von N-Vinylcaprolactam mit mindestens 20 Gew.-%,
N-Vinylcaprolactam und Polyvinyletherhomo- oder copolymerisate.
Das Molekulargewicht Mn des Polymeren a) beträgt vorzugsweise von
1000 bis 30 000, besonders bevorzugt 5000 bis 28 000 und ganz be
sonders bevorzugt 10 000 bis 25 000. Das gewichtsmittlere Moleku
largewicht Mw beträgt vorzugsweise 5000 bis 350 000 und bevorzugt
10 000 bis 100 000.
Die Bestimmung des Molekulargewichts Mn erfolgt ebenso wie die von
Mw durch Gelpermeationschromatographie mit einem Polystyrol
standard und Dimethylformamid als Elutionsmittel.
Die Herstellung von Polymeren mit geringem Molekulargewicht ist
allgemein bekannt. Das Molekulargewicht kann z. B. durch Mit
verwendung von Reglern bei der radikalischen Polymerisation ver
mindert werden.
Neben den Polymeren a) enthält die Mischung radikalisch polymeri
sierbare Monomere b).
Die Monomeren b) bilden nach Bestrahlung mit energiereichem Licht
ein dreidimensionales Netzwerk, d. h. ein Gel welches in dem ge
wählten Lösungsmittel oder Lösungsmittelgemisch nicht bzw. kaum
löslich ist. Das aus Monomeren b) gebildete Netzwerk hat vorzugs
weise keine thermotropen Eigenschaften oder weist allenfalls
einen Schaltbereich auf, der mindestens 20°C oberhalb des Schalt
bereichs des Polymeren a) liegt. Vorzugsweise liegt ein gegebe
nenfalls vorhandener Schaltbereich oberhalb des Siedepunkts des
gewählten Lösungsmittels oder Lösungsmittelgemischs bei Normal
druck (1 bar).
Bei den Monomeren b) handelt es sich vorzugsweise um radikalisch
polymerisierbare Monomere. Geeignet ist zum Beispiel ein
Monomerengemisch aus
70 bis 99,9 Gew.-% vorzugsweise 85 bis 96 radikalisch polymeri sierbaren, nicht vernetzbaren Monomeren D und
0,1 bis 30 Gew.-% vorzugsweise 4 bis 15 Gew.-% vernetzbarer Monomere E.
70 bis 99,9 Gew.-% vorzugsweise 85 bis 96 radikalisch polymeri sierbaren, nicht vernetzbaren Monomeren D und
0,1 bis 30 Gew.-% vorzugsweise 4 bis 15 Gew.-% vernetzbarer Monomere E.
Als Monomere D geeignet sind z. B. Vinylester von 1 bis 20 C-Ato
men enthaltenden Carbonsäuren, welche teilweise oder vorzugsweise
ganz zu Vinylalkoholen verseift sein können, (Meth)acrylamid,
(Meth)acrylsäure, N-substituierte(meth)acrylamide, hydrophile
Vinylether der Formel II. Des weiteren kommen Hydroxygruppen ent
haltende (Meth)acrylate, wie C₁-C₁₀-Hydroxyalkyl(meth)acrylate,
oder N-Methylolmethacrylamid in Betracht.
Als vernetzend wirkende Monomere E sind solche geeignet, welche
mindestens 2 copolymerisierbare, ethylenisch ungesättigte Gruppen
oder mindestens eine ethylenisch ungesättigte Gruppe und minde
stens eine weitere reaktive, z. B. zu Kondensationsreaktionen
befähigte Gruppe enthalten.
Zu nennen sind z. B. Monomere mit 2 oder mehr Acrylgruppen wie
Polyethylenoxiddiacrylat, Methylenbisacrylamid.
Geeignete Lösungsmittel c) als Bestandteil der Mischung sind z. B.
Glykole wie Ethylenglykol, Propylenglykol, Diethylenglykol,
Dipropylenglykol, Glykolether wie Glykolmethylether, Diethylen
glykolmono- und -diether sowie Wasser.
Bevorzugt ist Wasser als Lösungsmittel oder ein Lösungsmittel
gemisch, welches mindestens 60 Gew.-%, vorzugsweise 90 Gew.-
Wasser, bezogen auf das Lösungsmittelgemisch, enthält.
Die Kombination von Wasser mit einen der o.g. Lösungsmitteln hat
den Vorteil, daß die Froststabilität der Gele erhöht wird. Die
thermotropen Schichten sollen auch im Winter in den Anwendungen
verbleiben. Dabei sollen sie die gleiche Funktion erfüllen wie im
Sommer. Daher ist es notwendig, die Gele gegen Einfrieren zu sta
bilisieren. Dies ist notwendig, da das gefrierende Wasser zu dau
erhaften Schäden an dem Gel oder an dem gesamten System (d. h. Gel
und Trägerkonstruktion) verursachen kann. Eine Herabsetzung des
Gefrierpunktes des Gels wird durch Zusatz von Glykolen, Glykol
ethern oder Alkoholen mit niedrigen Alkylketten erreicht. Den
gleichen Effekt kann man auch erhalten, wenn das Lösungsmittel
lösliche Salze enthält. Bei den Salzen ist jedoch darauf zu ach
ten, daß sie mit dem Polymersystem verträglich sind und anderer
seits die Schalttemperatur nicht negativ beeinflußt wird. Die
Menge an Mittel die zur Herabsetzung des Gefrierpunktes benötigt
wird, hängt von der Umgebungstemperatur ab, in der die thermo
trope Schicht angewandt wird.
Die Mischung enthält weiterhin den eingangs definierten Photo
initiator d).
In der Formel I stehen R¹ und R² vorzugsweise für eine
C₁-C₄-Alkylgruppe, besonders bevorzugt stehen sie für eine Methyl
gruppe. R³ bis R⁷ stehen bevorzugt für eine C₁-C₄-Alkylgruppe oder
besonders bevorzugt für ein H-Atom. Mindestens einer, bevorzugt
ein bis drei, besonders bevorzugt einer der Reste R³ bis R⁷ steht
für einen der angegebenen hydrophilen Reste.
Im Falle der Polyalkylenoxidgruppe als hydrophiler Gruppe handelt
es sich bevorzugt um eine Polyethylenoxid-, Polypropylenoxid-
oder gemischte Polyethylen-propylenoxidgruppe mit bevorzugt 2
bis 20 Alkylenoxideinheiten.
Bei dem hydrophilen Rest handelt es sich bevorzugt um einen ali
phatischen Rest, z. B. einen Alkylrest oder Alkoxyrest, mit 1 bis
10 Kohlenstoffatomen, welcher gegebenenfalls Ethergruppen (-O-)
enthalten kann und durch mindestens eine Hydroxylgruppe substi
tuiert ist.
Besonders bevorzugt handelt es sich um einen Photoinitiator der
Formel
welcher als Darocure® 2959 von Ciba Geigy erhältlich ist.
Die Menge des Photoinitiators beträgt im allgemeinen 0,01 bis
5 Gew.-%, bevorzugt 0,03 bis 3 Gew.-%, bezogen auf Monomere b).
Die eingangs definierten Mischungen können neben den Komponenten
a), b), c) und d) noch weitere Bestandteile enthalten.
Um eine hohe Dauergebrauchsfähigkeit der thermotropen Schichten
aus Gelen zu erhalten, können diese gegen Bakterienbefall stabi
lisiert werden. Daher ist es sinnvoll den Mischungen Biozide
zuzusetzen. Dies kann entweder durch organische Verbindungen
geschehen, wie z. B. durch Formaldehyd oder 1,2-Benzisothiazolon
oder anorganischer Verbindungen wie Natriumfluorid. Die Menge an
Biozid richtet sich nach der Applikation (Zugänglichkeit durch
Mikroorganismen) und der Aktivität des Biozids. Grundlagen zur
Biozidstabilisierung sind z. B. in Farbe und Lack; 82; S. 108 ff
(1976); Farbe und Lacke; 99; S. 105 ff (1993) oder im "Lehrbuch
der pharmazeutischen Chemie" (W. Schmack, K. Mayer, M. Haake;
Verlag Vieweg und Sohn, Braunschweig 1983; z. B. S. 537 ff)
beschrieben.
Die eingangs definierte Mischung enthält vorzugsweise
0,1 bis 40 Gew.-%, besonders bevorzugt 0,5 bis 10 Gew.-% und ganz besonders bevorzugt 0,5 bis unter 5 (insbesondere 4,5 Gew.-%) des unvernetzten Polymeren a),
1 bis 30 Gew.-%, besonders bevorzugt 3 bis 27 Gew.-% radikalisch polymerisierbare Monomere b) und
30 bis 98,9 Gew.-%, besonders bevorzugt 70 bis 96,5 Gew.-% Wasser, organische Lösungsmittel oder deren Gemische.
0,1 bis 40 Gew.-%, besonders bevorzugt 0,5 bis 10 Gew.-% und ganz besonders bevorzugt 0,5 bis unter 5 (insbesondere 4,5 Gew.-%) des unvernetzten Polymeren a),
1 bis 30 Gew.-%, besonders bevorzugt 3 bis 27 Gew.-% radikalisch polymerisierbare Monomere b) und
30 bis 98,9 Gew.-%, besonders bevorzugt 70 bis 96,5 Gew.-% Wasser, organische Lösungsmittel oder deren Gemische.
Die Mischung kann in einfacher Weise durch Zusammengeben der
Komponenten und Homogenisieren, z. B. durch Rühren, hergestellt
werden.
Die Herstellung des Gels kann dann vorzugsweise direkt in der für
die thermotrope Schicht vorgesehenen Vorrichtung erfolgen.
Dazu wird die Mischung in diese Vorrichtung, z. B. ein Vergla
sungssystem, eingefüllt und mit energiereichem Licht bestrahlt.
Die Bestrahlung kann jedoch auch vorab erfolgen und das erhaltene
Gel anschließend in die entsprechende Vorrichtung eingefüllt
werden.
Bei der Bestrahlung polymerisieren und vernetzen die Monomeren b)
so, daß sie ein dreidimensionales Netzwerk, bzw. ein Gel, bilden,
welches das vorzugsweise unvernetzte Polymer a), das Lösungs
mittel c) und gegebenenfalls weitere Zusatzstoffe enthält.
Vorzugsweise erfolgt die Bestrahlung mit UV-Licht oder Elektro
nenstrahlen.
Die Dauer der UV-Belichtung für vollständige Vergelung ist dann
ausreichend, wenn bei einer dynamisch-mechanischen Analyse der
Hydrogele bei 25°C der Speichermodul G′ [Pa] größer als der Ver
lustmodul G′′ [Pa] bei einer Meßfrequenz von ω = 1 [rad/s] war.
Die Daten wurden mit einem schwergeschwindigkeitskontrollierten
Rotationsviskosimeter, (RFS) Rheometrics, mit einer Kegel-Platte-
Geometrie (Durchmesser = 25 mm, Kegel = 0.04 rad) bei 25°C mit
einer Kreisfrequenz von 0.1 s-1 < ω < 100 s-1 gemessen.
Dynamisch-mechanische Messungen (DMA) unterwerfen die Hydro
gelproben einer zeitlich sinusförmigen Deformation mit bestimmter
Amplitute und Frequenz und messen die resultierende mechanische
Spannung. Aus Deformation und Spannung läßt sich der komplexe dy
namische Modul des Probenmaterials bestimmen. Er besteht aus zwei
Komponenten, dem Speichermodul als Maß für die reversibel gespei
cherte Deformationsenergie und dem Verlustmodul, der die irrever
sibel in Wärme umgewandelte Energie charakterisiert.
Die Methode ist allgemein bekannt und z. B. in A. Zosel, Farbe und
Lack, 94 (1988) 809, beschrieben.
Die Bestrahlung erfolgt bevorzugt bei einer Temperatur von min
destens 5°C, besonders bevorzugt mindestens 10°C, ganz besonders
bevorzugt mindestens 20°C unterhalb des Schaltbereichs bzw. unter
halb des Trübungspunkts als unterer Temperaturgrenze des Schalt
bereichs.
Die erfindungsgemäßen Gele eignen sich zur Herstellung von
thermotropen Schichten, welche die eingangs beim Polymer a) be
schriebenen Bedingungen bezüglich Schaltbereich und Transparenz
änderung erfüllen.
Gleichzeitig zeigen die Gele eine hohe Transparenz im homogenen
Zustand, d. h. unterhalb des Schaltbereichs. Auch nach vielen
Wiederholungen des Schaltvorgangs bleibt der Transparenzunter
schied groß und der Schaltbereich eng. Vorteilhaft ist auch die
geringe Schaltzeit.
Die erfindungsgemäße Gele eignen sich daher besonders zur Her
stellung von Verglasungssystemen mit thermotropen Eigenschaften
und von Bauteilen für die Wärmeisolierung.
Eine Mischung aus 2,67 g einer 30gew.-%igen Lösung von Poly-N-
vinylcaprolactam in Wasser (thermotropes Polymer, Mn = 10500,
2 Gew.-% bezogen auf alle Bestandteile des Gels), 32,49 g Wasser,
2,72 g wäßrige Acrylamidlösung (50%ig), 2,10 g wäßrige Methylen
bisacrylamidlösung (2%ig), (Gewichtsverhältnis Acrylamid:Me
thylenbisacrylamid 97 : 3), 0,02 g Photoinitiator Darocure® 2959
(fest, entspricht 2 Gew.-%, bezogen auf alle Bestandteile des
Gels), wurde entgast und zwischen zwei Floatglasscheiben (Dicke
der Scheiben 4 mm, Abstand der Scheiben 1 mm) eingefüllt. An
schließend wurde die befüllte Verglasung 15 min bei 10°C unter
einer UV-Lampe (λmax = 367 nm) bestrahlt. Die Probe vernetzte zu
einem Gel.
Statt Darocure® 2959 wurde Quantacure QXT der Firma Octel
Chemicals mit der Formel
als Photoinitator in der gleichen Gewichtsmenge verwendet. Nach
der Bestrahlung wie im Beispiel blieb die Probe dünnflüssig. Es
wurde kein Gel erhalten.
Claims (12)
1. Gele für thermotrope Schichten, erhältlich durch Bestrahlen
einer Mischung, enthaltend
- a) ein unvernetztes Polymer,
- b) radikalisch polymerisierbare Monomere,
- c) Wasser oder ein organisches Lösungsmittel oder deren Ge mische,
- d) mindestens einen Photoinitiator der allgemeinen Formel
wobei es sich bei R¹ und R² unabhängig voneinander um
eine C₁-C₁₀-Alkylgruppe handelt und R³ bis R⁷ unabhängig
voneinander für ein Wasserstoffatom, eine C₁-C₁₀-Alkyl
gruppe oder eine C₅-C₁₀-Arylgruppe stehen können, mit der
Maßgabe, daß mindestens einer der Reste R³ bis R⁷ für
einen hydrophilen Rest steht, wobei es sich um eine
Carbonsäure- bzw. Carboxylatgruppe, eine Sulfonsäure-
bzw. Sulfonatgruppe, eine Hydroxylgruppe, eine Polyalky
lenoxidgruppe oder einen organischen Rest mit bis zu 30
C-Atomen, der mindestens eine der vorstehenden hydrophi
len Gruppen enthält, handelt,
mit energiereichem Licht.
2. Gele gemäß Anspruch 1, wobei es sich um eine Mischung, ent
haltend
- a) 0,1 bis 40 Gew.-% eines unvernetzten Polymeren,
- b) 1 bis 30 Gew.-% radikalisch polymerisierbare Monomere und
- c) 30 bis 98,9 Gew.-% Wasser oder ein organisches
Lösungsmittel oder deren Gemische
handelt.
3. Gele gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei es sich bei Komponente c)
um Wasser handelt.
4. Gele gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das unvernetzte
Polmyer a) thermotrope Eigenschaften in der Weise aufweist,
daß eine 10gew.-%ige Lösung dieses Polymeren in Wasser oder
einem organischen Lösungsmittel oder deren Gemische in einem
Schaltbereich umfassend weniger als 20°C eine Änderung der
Transmission von Licht bei einer Wellenlänge von 600 nm und
einer Schichtdicke von 10 mm bewirkt, so daß bei Temperaturen
oberhalb des Schaltbereichs weniger als 50% des einfallenden
Lichts und unterhalb des Schaltbereichs mindestens 70% des
einfallenden Lichts transmittiert werden.
5. Gele gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei es sich bei dem
Polymeren a) um Poly-N-Vinylcaprolactam, Copolymere von N-Vi
nylcaprolactam mit mindestens 20 Gew.-% N-Vinylcaprolactam
oder Polyvinylether handelt.
6. Gele gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Monomeren
bzw. das Monomerengemisch b) nach Bestrahlung mit energierei
chem Licht ein dreidimensionales Netzwerk bildet, welches
keine thermotrope Eigenschaft, wie in Anspruch 4 definiert,
aufweist oder welches einen Schaltbereich mindestens 20°C
oberhalb des Schaltbereichs des Polymeren a) hat.
7. Gele gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Mischung
die Verbindung
als Photoinitiator enthält.
8. Gele gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Photo
initiator in Mengen von 0,01 bis 5 Gew.-%, bezogen auf die
Monomeren b) verwendet wird.
9. Verfahren zur Herstellung von Gelen mit thermotropen Eigen
schaften gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn
zeichnet, daß eine Mischung, enthaltend
- a) ein unvernetztes Polymer,
- b) radikalisch polymerisierbare Monomere,
- c) Wasser oder ein organisches Lösungsmittel oder deren Ge mische und
- d) mindestens einen Photoinitiator der Formel I
mit energiereichem Licht bestrahlt wird.
10. Verwendung von Gelen gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 zur
Herstellung von thermotropen Schichten, welche in einem
Schaltbereich umfassend weniger als 20°C ihre Transparenz in
der Weise ändern, daß oberhalb des Schaltbereichs weniger als
50% des einfallenden Lichts bei einer Wellenlänge von 600 nm
bei einer Schichtdicke von 10 mm transmittiert werden und un
terhalb des Schaltbereichs mindestens 70% des einfallenden
Lichts transmittiert werden.
11. Verglasungssysteme mit thermotropen Eigenschaften, erhältlich
unter Verwendung eines Gels gemäß einem der Ansprüche 1 bis
8.
12. Bauteile zur Wärmeisolierung, erhältlich unter Verwendung
eines Gels gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8.
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