DE19854486A1 - Verfahren zur Herstellugn eines Verbundwerkstoffes aus organischen und anorganischen Verbindungen - Google Patents
Verfahren zur Herstellugn eines Verbundwerkstoffes aus organischen und anorganischen VerbindungenInfo
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Description
Die vorliegende Anmeldung beruht auf der Anmeldung Nr. 98-3274,
die am 5. Februar 1998 beim Koreanischen Amt für
Gewerblichen Rechtsschutz eingereicht wurde, deren Inhalt durch
Bezugnahme hiermit in die vorliegende Anmeldung aufgenommen
wird.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur
Herstellung eines Verbundwerkstoffes aus organischen und
anorganischen Verbindungen, und insbesondere betrifft sie ein
Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes aus
organischen und anorganischen Verbindungen, der sowohl die
Eigenschaften von reinen organischen als auch von anorganischen
Verbindungen aufweist, indem organische und anorganische
Verbindungen vermischt werden, die chemisch nicht miteinander
reagieren.
Für die Herstellung anorganischer Verbindungen, die
Metalloxide oder komplexe Metalloxide umfassen, sind Sol-Gel-
Verfahren weithin bekannt. Das Sol-Gel-Verfahren beruht auf der
Theorie, daß die Bestandteile in einer Lösung einheitlich
verteilt sind. Allgemein wird bei dem Verfahren eine
Metallalkoxidverbindung als Reagenz in einem alkoholischen
Lösungsmittel aufgelöst. Die Lösung wird dann durch die Zugabe
von Wasser hydrolisiert und kondensiert, um so eine Sol-Phase zu
erhalten, in der die Partikel einheitlich dispergiert sind.
Danach wird die Sol-Phase stehen lassen, wobei man als
gewünschtes Produkt eine Gel-Phase erhält. Wenn man die
Reaktionsbedingungen geeignet einstellt, kann das resultierende
Produkt in Nano-Größenordnung vorliegen, die von mehreren zehn
bis hin zu mehreren hundert Nanometern reicht. Das Gel-
Phasenprodukt weist eine dreidimensionale Gitterstruktur auf,
worin die anorganischen Bestandteile fest miteinander
kreuzvernetzt sind.
Das Sol-Gel-Verfahren ist insofern vorteilhaft, als daß
verschiedene Produkttypen, wie etwa Linsen, dünne Filme,
Partikel und Fasern mittels der anorganischen Polymerisation
erhalten werden können. Jedoch weist das Sol-Gel-Verfahren
ebenfalls schwerwiegende Nachteile auf, die seine Anwendung bei
der praktischen Anwendung erschweren. Beispielsweise ist es
schwierig, eine gewünschte Form mittels des Sol-Gelverfahrens zu
erhalten, da während dieses Verfahrens leicht Schrumpfung, Bruch
oder Verzerrung eintreten können. Des weiteren weist das
Endprodukt nur eine geringe mechanische Festigkeit auf, was zum
Bruch führt, und auch eine schlechte Lösungsmittelbeständigkeit,
was Denaturierung bedingt. Insbesondere können aufgrund der
schwachen Struktur des Produkts keine mechanischen
Verarbeitungsschritte wie etwa Schleifen, Schneiden und Formen
durchgeführt werden. Daher wird das Sol-Gel-Verfahren im
allgemeinen nur zu dem Zweck angewandt, Vorläufer zum Erhalt
kristalliner Pulver durch Hitzebehandlung herzustellen. Das
Verfahren ist zur Herstellung amorpher Produkte für optische
Zwecke nicht geeignet. Insbesondere treten diese Nachteile noch
stärker bei einem Material auf, das außer Silica (SiO2) noch
wenigstens zwei Zusammensetzungen aufweist, so daß es praktisch
unmöglich ist, mittels des Sol-Gel-Verfahrens eine brauchbare
optische Linse herzustellen. Infolge dessen ist es für die
mechanischen Eigenschaften wünschenswert, eine solche optische
Linse durch die Polymerisierung organischer Verbindungen anstatt
durch das Sol-Gel-Verfahren unter Verarbeitung anorganischer
Verbindungen herzustellen.
Bei einem beispielhaften organischen
Polymerisationsverfahren wird Peroxid als Initiator zu
Methylmethacrylat (MMA) als Monomerem zugesetzt, um die
Polymerisation zwischen den Doppelbindungen des Monomeren
auszulösen, und um organische Polymere des Kettentyps,
Polymethylmethacrylat (PMMA) zu synthetisieren. MMA liegt bei
Raumtemperatur unter Atmosphärendruck als flüssige Phase vor, so
daß das MMA gleichzeitig als Monomer und als Lösungsmittel für
die Polymerisation dient. Jedoch ist das organische Polymer ein
Homopolymer, das aus nur einem Material besteht, so lange das
Polymer nicht durch Copolymerisation synthetisiert wird. Daher
ist es schwierig, ein Fremdmaterial zu dem organischen Polymer
zuzusetzen, und die mechanischen Eigenschaften des organischen
Polymeren zu steuern. Insbesondere dann, wenn optische
Eigenschaften aufweisende Ionen oder Makromoleküle zu dem
organischen Polymeren zugesetzt werden, wird nur ein Teil der
Struktur des organischen Polymeren, der zum Fremdmaterial
unmittelbar benachbart ist, wirklich verändert, jedoch bleibt
der übrige Teil der umgebenden Polymerstruktur unverändert.
Solche Nachteile können überwunden werden, indem neue
Materialien hergestellt werden, die sowohl die Eigenschaften
reiner anorganischer als auch organischer Verbindungen
aufweisen. Um solche neuen Materialien herzustellen, ist auf dem
Gebiet der Herstellung von Verbundmaterialien aus organischen
und anorganischen Verbindungen, die ein komplexes Material aus
anorganischem Polymer gemäß dem Sol-Gel-Verfahren und aus
organischem Polymer darstellen, eifrig geforscht worden. Der
Verbundwerkstoff aus organischen und anorganischen Verbindungen,
der komplexe Bestandteile aus organischen und anorganischen
Polymeren umfaßt, wird als ORMOCER oder GERAMER bezeichnet.
Im allgemeinen wird der Verbundwerkstoff aus organischen
und anorganischen Verbindungen dadurch hergestellt, daß
anorganische Anteile mit organischen Anteilen unter Umwandlung
der anorganischen Bestandteile chemisch umgesetzt werden. Zuerst
wird eine funktionelle Alkoxidgruppe des Metallalkoxids, das ein
Reaktant bei der anorganischen Polymerisation ist, anteilig
durch anorganische Monomere substituiert. Anschließend reagieren
die anorganischen Anteile mit den organischen Anteilen über die
substituierten funktionellen Gruppen.
Als Alternative sind Nachforschungen angestellt worden, wie
man einen Verbundwerkstoff aus organischen und anorganischen
Verbindungen ohne die oben genannte chemische Behandlung
herstellen könnte. Ein Alkogel aus dem Sol-Gel-Verfahren wird
erst eine lange Zeit unter Erhalt eines getrockneten Gels
getrocknet, und dann wird das organische Monomer auf eine
anorganische Gitterstruktur im getrockneten Gel imprägniert, um
darin die organische Polymerisation auszulösen. Bei diesem
Verfahren bezeichnet Alkogel ein mit Alkohol imprägniertes Gel.
Jedoch weist dieses Verfahren, das Alkogel verwendet insofern
Nachteile auf, als daß das Alkogel vor dem Erhalt eines
nützlichen Gels mehrere Monate getrocknet werden muß. Im übrigen
ist die Gelausbeute extrem niedrig.
Um solche Nachteile zu umgehen und um gleichzeitig die
Trocknungszeit zu vermindern, wird im Zusammenhang mit dem Sol-
Gel-Verfahren ein kritischer Trocknungsschritt durchgeführt, um
in einer kurzen Zeit einen Verbundwerkstoff aus organischen und
anorganischen Verbindungen erhalten. Es ist jedoch bekannt, daß
dieses Verfahren nicht auf organische Polymere wie etwa PMMA
angewendet werden kann, die nicht chemisch an das Gitter aus
anorganischen Verbindungen gebunden sind.
Desweiteren ist eine Untersuchung durchgeführt worden, wie
man ein organisches Polymer mit einer anorganischen
Gitterstruktur kombinieren könnte. Da jedoch das Polymer eine
lange Kette aufweist, ist es nicht einfach, einen
Verbundwerkstoff aus organischen und anorganischen Verbindungen
herzustellen.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein
Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes aus
organischen und anorganischen Verbindungen ohne
Trocknungsschritt, jedoch mit erhöhter Verbundwerkstoffausbeute
bereitzustellen.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein
Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes aus
organischen und anorganischen Verbindungen mittels einem
einfachen Verfahren ohne Umwandlung eines Reaktanten, d. h. ohne
die Notwendigkeit einer chemischen Reaktion zwischen den
organischen und anorganischen Verbindungen bereitzustellen, und
zwar insbesondere unter Verwendung organischer Polymere, wie
etwa PMMA, die nicht mit den anorganischen Verbindungen
reagieren.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein
Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes aus
organischen und anorganischen Verbindungen bereit zustellen, um
die Lichtdiffusion aufgrund von Partikeln aus anorganischer
Verbindung, die eine große Größe aufweisen, zu verhindern, indem
die Partikelgröße auf mehrere zehn Nanometer eingestellt wird,
und indem die optischen Eigenschaften funktioneller Ionen oder
Makromoleküle, die als Fremdmaterialien zugesetzt werden,
gesteuert werden.
Es ist noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines
Verbundwerkstoffes aus organischen und anorganischen
Verbindungen bereit zustellen, das sowohl die Eigenschaften von
organischen als auch von anorganischen Verbindungen aufweist,
wobei eine verbesserte optische Durchlässigkeit und Transparenz
sichergestellt sind, die zur Verwendung als Linse ausreichen.
Um diese und weitere Aufgaben zu lösen, umfaßt das
Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes aus
organischen und anorganischen Verbindungen den Schritt der
Umsetzung einer gemischten Lösung aus Metallalkoxid und einer
siliciumhaltigen Verbindung mit einem Katalysator unter
Erzeugung eines Alkogels aus Metall oder aus komplexem
Metalloxid. Das Metallalkoxid wird durch die Umsetzung
wenigstens eines Metalls mit Alkohol hergestellt, und die
gemischte Lösung wird durch Vermischung des Metallalkoxids mit
der siliciumhaltigen Verbindung hergestellt. Beim Alkogel, das
aus dem Reaktionsschritt erhalten wird, wird Alkohol in eine
anorganische Gitterstruktur imprägniert.
Des weiteren umfaßt das Verfahren zur Herstellung eines
Verbundwerkstoffes aus organischen und anorganischen
Verbindungen die Schritte der Zentrifugierung des Alkogels, um
den Alkohol aus der anorganischen Gitterstruktur unter
Ausbildung eines Gels abzutrennen, die Zugabe eines organischen
Monomeren zur anorganischen Gitterstruktur, und die
Polymerisierung des organischen Monomeren unter Ausbildung es
organischen Polymeren.
Eine bessere Wahrnehmung der Erfindung und vieler der durch
sie erzielten Vorteile wird ersichtlich, wenn man die Erfindung
unter Bezugnahme auf die folgende eingehende Beschreibung im
Zusammenhang mit den begleitenden Zeichnungen versteht, worin:
Fig. 1 eine anteilige Querschnittsansicht ist, die eine
Zentrifuge zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes aus
organischen und anorganischen Verbindungen gemäß der
vorliegenden Erfindung zeigt; worin
Fig. 2 eine graphische Darstellung ist, die die
Lichtdurchlässigkeit eines Verbundwerkstoffes aus organischen
und anorganischen Verbindungen gemäß der vorliegenden Erfindung
und von reinem PMMA im Ultraviolettspektrum zeigt; worin
Fig. 3a ein Lumineszenz-Emissionsspektrum des Eu3+ Ions
ist, das zu einem Verbundwerkstoff aus organischen und
anorganischen Verbindungen von Forsterit-PMMA gemäß der
vorliegenden Erfindung zugesetzt wurde; und worin
Fig. 3b ein Lumineszenz-Emissionspektrum des Eu3+-Ions ist,
das zu reinem PMMA Polymer zugesetzt wurde.
Die vorliegende Erfindung dient der Bereitstellung eines
Verfahrens zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes aus
organischen und anorganischen Verbindungen. Bei dem Verfahren
reagiert Alkohol mit wenigstens einem Metall unter Herstellung
eines Metallalkoxids, und das Metallalkoxid wird mit einer
siliziumhaltigen Verbindung gemischt. Die Mischung reagiert dann
mit einem Katalysator unter Herstellung eines Alkogels. Beim so
erhaltenen Alkogel, ist Alkohol in eine anorganische
Gitterstruktur imprägniert. Das Alkogel wird zentrifugiert, um
den Alkohol aus der anorganischen Struktur unter Ausbildung
eines Gels abzutrennen. Danach wird organisches Monomer zu der
anorganischen Gitterstruktur zugesetzt und unter Ausbildung
eines organischen Polymeren polymerisiert.
Das Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes aus
organischen und anorganischen Verbindungen wird nun eingehender
dargelegt.
Der resultierende Verbundwerkstoff aus organischen und
anorganischen Verbindungen sollte eine Gittergröße von mehreren
zehn Nanometern aufweisen, um eine ausgezeichnete optische
Durchlässigkeit zu ergeben.
Um einen solchen Verbundwerkstoff aus organischen und
anorganischen Verbindungen herzustellen, wird ein Sol-Gel-
Verfahren durchgeführt, indem eine Verbindung verwendet wird,
die aus Wasserstoffperoxid (30%, H2O2) oder aus Peroxiden von
Magnesium, Natrium und Lithium als Katalysator gewählt ist, um
einen Gelvorläufer herzustellen, der aus komplexem Metalloxid
besteht.
Bei dem Verfahren zur Herstellung des Gelvorläufers wird
ein Metall, wie etwa Magnesium, Natrium und Lithium mit Alkohol
wie etwa Methanol in vorbestimmter Menge unter Ausbildung eines
Metallalkoxids umgesetzt. Eine siliciumhaltige Verbindung, wie
etwa Siliciumalkoxid, das Tetraethylorthosilicat (TEOS) oder
Tetramethylorthosilicat (TMOS) gewählt ist, wird dann mit dem
Metallalkoxid vermischt. Danach werden Peroxid wie etwa
Wasserstoffperoxid als Katalysator und destilliertes Wasser
langsam zu der gemischten Lösung zugesetzt. Nach der Zugabe
tritt in der vermischten Lösung eine Sol-Gel-Reaktion unter
Ausbildung des Gelvorläufers des. Metalloxids ein. Das Metall ist
vorzugsweise Magnesium (Mg). Wenn Mg als Metall verwendet wird,
kann Forsterite (Mg2SiO4) oder Enstatit (MgSiO3) als Gelvorläufer
ausgebildet werden.
Alkohol ist im Gelvorläufer imprägniert, und das mit
Alkohol imprägnierte Gel wird allgemein als "Alkogel"
bezeichnet. Das Metall, das zur Reaktion mit dem Alkohol
eingesetzt wurde, ist sehr hydrolyseempfindlich. Wenn daher
Säure oder Base wie beim herkömmlichen Sol-Gel-Verfahren direkt
als Katalysator verwendet wird, kann man ein instabiles Gel
erhalten. Wenn jedoch wie bei dem vorliegenden Verfahren
Peroxid, wie etwa Wasserstoffperoxid, als Katalysator verwendet
wird, erhält man ein sehr stabiles Alkogel, mit einem
Durchmesser von mehreren zehn Nanometern. Die Größe des Alkogels
kann angezeigt werden, indem die Durchlässigkeit des Alkogels im
sichtbaren Bereich gemessen wird. Wenn nämlich die
Durchlässigkeit des Alkogels derjenigen von Luft im sichtbaren
Bereich ähnelt, ist dies dadurch bedingt, daß die Partikelgröße
des hergestellten Alkogels unterhalb mehreren zehn Nanometern
liegt.
Wenn das Alkogel, das unter Verwendung des Peroxids als
Katalysator hergestellt wurde, getrocknet wird, um das
alkoholische Lösungsmittel aus dessen Gitterstruktur zu
entfernen, treten während des Trocknungsschrittes des Alkogels
Probleme, wie etwa Schrumpfung, Bruch und Verzerrung auf.
Darüber hinaus werden die Partikel mit einer Größe im
Nanometerbereich miteinander verzahnt, was die Partikelgröße auf
Mikrometer oder gar Millimeter erhöht, so daß die Partikel ihre
optische Durchlässigkeit verlieren.
Um solche Nachteile zu vermeiden, wird der Alkohol von der
anorganischen Gitterstruktur durch Zentrifugierung des Alkogels
unter Gelausbildung abgetrennt. Ein organisches Monomer wird
dann zur Herstellung eines organischen Polymers zum Gel
zugesetzt. Das organische Monomer kann wenigstens ein Monomer
sein, das aus Monomeren gewählt ist, die polymerisierbare
Doppelbindungen aufweisen, wie etwa MMA (Methylmethacrylat), MA
(Methacrylat). Das bevorzugte organische Monomer ist MMA.
Um den verbleibenden Alkohol vollständig durch das Monomer
zu ersetzen, wird bevorzugt, daß die Zentrifugierungs- und
Monomerzugabeschritte wiederholt werden. Das Monomer wird dann
durch die Zugabe von Benzylperoxid als Initiator zur Herstellung
eines Verbundwerkstoffes aus organischen und anorganischen
Verbindungen ohne Trocknungsschritt polymerisiert.
Wenn die organische Polymerisation im Gel durchgeführt
wird, bei dem das Lösungsmittel durch das Monomer ersetzt wurde,
erhält man einen Verbundwerkstoffkörper ohne chemisches
Verbinden der anorganischen und organischen Verbindungen
miteinander. So kann ein Nanoverbundwerkstoff eines
anorganischen Polymeren und eines organischen Polymeren, wie
etwa PMMA ohne chemische Bindungsstärke hergestellt werden. Die
Lösungsmittelersatz- und Polymerisationsschritte werden
vorzugsweise im Zentrifugenbad durchgeführt, um das Auftreten
von Blasen und den Bruch der anorganischen Titerstruktur zu
vermeiden, die durch die Überführung des Gels aus einem
Reaktionsgefäß oder Zentrifugenglas in ein anderes
Reaktionsgefäß hervorgerufen werden.
Der Verbundwerkstoff aus organischen und anorganischen
Verbindungen, der gemäß dem obigen Verfahren hergestellt wurde,
weist Strukturen aus organischen Polymerketten auf, die mit
anorganischen Gitterstrukturen derart verzahnt sind, daß die
Eigenschaften der anorganischen Gitterstruktur mit Nanogröße
erhalten bleiben, und daß der Verbundwerkstoffkörper eine gute
optische Durchlässigkeit aufweist. Der Verbundwerkstoffkörper
ist am meisten durch die organischen Bestandteile erfüllt, bei
extrem geringen Mengen anorganischer Bestandteile. Im
allgemeinen liegt das Gewichtsverhältnis der anorganischen
Bestandteile zum Gesamtverbundwerkstoff bei etwa 4 bis 8%. Wenn
eine Linse, die durch Zuschneiden des Verbundwerkstoffes auf
eine vorbestimmte Größe hergestellt wird, abbrennt, wird ein
Formkörper, der nur aus anorganischen Bestandteil mit eigener
Form besteht, erhalten. D.h., daß die anorganische
Gitterstruktur einheitlich über den Verbundwerkstoff verteilt
ist.
Wie oben beschrieben, sind die anorganischen Bestandteile
der Gitterstruktur einheitlich über den Verbundwerkstoff
verteilt und dienen der wesentlichen Veränderung der optischen
Eigenschaften des zugesetzten optischen funktionellen
Fremdmaterials, ohne die optische Durchlässigkeit des
Verbundwerkstoffes zu beeinträchtigen. Das funktionelle
Fremdmaterial kann zu dem Verbundwerkstoff aus organischen und
anorganischen Verbindungen zugesetzt werden, indem eine
Verbindung, die das funktionelle Fremdmaterial umfaßt, zu der
gemischten Lösung zur Herstellung des Gelvorläufers (Alkogel)
zugesetzt wird. Wenn beispielsweise ein Verbundwerkstoff aus
organischen und anorganischen Verbindungen unter Verwendung des
Metallalkoxids hergestellt wird, das mit Eu(NO3)3.5H2O vermischt
ist, so wird das Eu3+-Ion einheitlich über den Verbundwerkstoff
aus organischen und anorganischen Verbindungen verteilt. Der
Leuchtstoff, das Eu3+ Ion, ist das Fremdmaterial, das dem
Nanoverbundwerkstoff aus organischen und anorganischen
Verbindungen die optischen Eigenschaften erteilt.
Gemäß diesem Verfahren hat das vom Eu3+ Ion, das zum
Verbundwerkstoff aus organischen und anorganischen Verbindungen
zugesetzt wurde, gezeigte Emissionsspektrum die optischen
Eigenschaften, die mehr von der anorganischen Gitterstruktur als
vom organischen Polymeren abhängen. Das funktionelle
Fremdmaterial ist nicht auf Leuchtstoffe beschränkt und umfaßt
alle Materialien, die zur Veränderung, des Verbundwerkstoffes
durch deren einheitliche Vermischung mit dem Verbundwerkstoff
aus organischen und anorganischen Verbindungen befähigt sind.
Da die anorganische Gitterstruktur über den
Verbundwerkstoff selbst in einer geringen Menge verteilt ist,
weist der Verbundwerkstoff komplexe mechanische Eigenschaften
sowohl seiner organischen als auch seiner anorganischen
Bestandteile auf. Mit anderen Worten, der Verbundwerkstoff weist
ausgezeichnete mechanische Eigenschaften, verglichen mit einem
Verbundwerkstoff aus anorganischen Verbindungen auf, der nach
dem Sol-Gel-Verfahren hergestellt wurde. Darüberhinaus ist es
einfach, den Verbundwerkstoff mechanisch zu formen, zu schleifen
oder zu schneiden, und der Verbundwerkstoff weist eine
ausgezeichnete Lösungsmittelbeständigkeit auf. Darüber hinaus
hat der Verbundwerkstoff bessere thermische Eigenschaften,
verglichen mit einem Verbundwerkstoff aus nur organischen
Verbindungen.
Die vorliegende Erfindung wird unter Bezugnahme auf die
nachfolgenden Beispiele eingehender beschrieben. Die Beispiele
dienen nicht der Einschränkung der vorliegenden Erfindung.
Magnesium in einem der doppelten Siliciummenge in TEOS
(Tetraethylorthosilicat) entsprechenden Molverhältnis wird mit
trockenem Methanol unter Ausbildung von Mg(OMe)2 umgesetzt.
Mg(OMe)2 wurde dann mit TEOS unter Herstellung einer gemischten
Lösung vermischt.
Wasserstoffperoxid und bidestilliertes Wasser entsprechend
der vierfachen Menge des Siliciums in TEOS gemäß dem
Molverhältnis wurden abgewogen und jeweils mit Methanol
verdünnt.
Jede der verdünnten Lösungen wurde langsam zu der
gemischten Lösung aus TEOS und Mg(OMe)2 zugesetzt, wobei eine
Sol-Gel-Reaktion der Mg- und Si-Bestandteile darin eintrat,
unter Herstellung eines Alkogels aus Forsterit (MgSiO4), der eine
anorganische Verbindung ist. Das hergestellte Alkogel zeichnete
sich durch eine hohe Durchlässigkeit im sichtbaren Bereich aus.
Das bedeutete, daß die Partikelgröße des Alkogels mehrere zehn
Nanometer betrug.
Das Alkogel wurde bei Raumtemperatur für einen
vorbestimmten Zeitraum stehen lassen um die anorganische
Gitterstruktur darin zu stärken. Der anfängliche
Herstellungsprozeß für das Alkogel und der Schritt des
Ruhenlassens wurden alle unter Inertgasatmosphäre ausgeführt.
Das Alkogel, das einen vorbestimmten Zeitraum lang stehen
gelassen worden war, wurde der Luft ausgesetzt, und gleiche
Volumina an Base und Toluol wurden zugesetzt. Die Mischung wurde
einen vorbestimmten Zeitraum lang gerührt, um die anorganische
Gitterstruktur weiter zu stärken.
Danach wurde das Alkogel 20, wie in Fig. 1 gezeigt, in ein
Reaktionsgefäß 10 einer Zentrifuge überführt, und mit einer
Geschwindigkeit von 2000 Umdrehungen pro Minute 2 Stunden lang
zentrifugiert, um den Alkohol von der anorganischen
Gitterstruktur abzutrennen. Bei der Zentrifuge, die in Fig. 1
gezeigt ist, bezeichnen die Bezugszeichen 30, 40 und 50 jeweils
einen Adapter, einen Zentrifugenrotor und ein
Zentrifugengehäuse.
Der abgetrennte Alkohol wurde abdekantiert und MMA als
Monomer für ein organisches Polymer wurde zu der anorganischen
Gitterstruktur hinzugefügt, um den Alkohol durch MMA zu
ersetzen. Die zuvor genannten Abtrennungs-, Dekantierungs- und
Zugabeschritte bezeichnen einen Waschschritt. Der Waschschritt
wurde wiederholt durchgeführt, um die MMA Konzentration zu
steigern, so daß der Alkohol vollständig durch MMA ersetzt wird.
Während des letzten Waschschrittes wird eine vorbestimmte Menge
an Benzylperoxid als Polymerisationsinitiator für das MMA zu dem
resultierenden Produkt zugesetzt.
Als das Gel, bei dem das alkoholische Lösungsmittel durch
MMA substituiert worden war, in einem Ofen bei 45°C
wärmebehandelt wurde, ohne das Gel aus dem Reaktionsgefäß zu
überführen, wurde das MMA, das in die anorganische
Gitterstruktur imprägniert war, unter Ausbildung organischer
Polymerketten aus PMMA innerhalb der anorganischen
Gitterstruktur polymerisiert.
Da bei diesem Verfahren das Reaktionsgefäß 10, das bei dem
Lösungsmittelsubstitutionsschritt verwendet wird, erneut für die
Polymerisation verwendet wird, wird der Schritt der Überführung
des Gels aus dem Reaktionsgefäß 10 in eine neues Reaktionsgefäß
unterlassen, und der Bruch der anorganischen Gitterstruktur und
das Auftreten von Blasen kann verhindert werden. Die
Polymerisationsreaktion dauert von einem bis hin zu mehreren
Tagen. Als die Polymerisationsreaktion abgeschlossen war,
erhielt man einen harten und durchsichtigen Verbundwerkstoff aus
organischen und anorganischen Verbindungen.
Der Nanoverbundwerkstoff aus organischen und anorganischen
Verbindungen aus Forsterit und PMMA, der durch die
Polymerisation des organischen Monomeren innerhalb der
anorganischen Gitterstruktur in-situ erhalten worden war, wurde
geschnitten oder geschliffen, um ein Produkt einer vorbestimmten
Form herzustellen.
Fig. 2 zeigt ein UV-vis-Spektrum der Durchlässigkeit eines
Linsenkörpers, der mittels Schneiden und Schleifen des
Nanoverbundwerkstoffes aus organischen und anorganischen
Verbindungen von Forsterit-PMMA erhalten wurde. Wie in Fig. 2
gezeigt, liegt die Durchlässigkeit des Verbundwerkstoffes (Kurve
B) etwa bei 88%, wenn man für die Durchlässigkeit von Luft 100%
einsetzt. Darüberhinaus stimmt sie fast mit der Durchlässigkeit
eines reinen PMMA Körpers überein. Das bedeutet, daß, wenn man
den Vergleich fit einem Spektrum eines reinen PMMA Körpers
anstellt, der dieselbe Größe hat, dann die Durchlässigkeit des
Verbundwerkstoffes nach Beispiel 1 (Kurve A) etwa 98% beträgt.
Als Ergebnis erhält man, daß die anorganische Gitterstruktur
keinen wesentlichen Einfluß auf die Durchlässigkeit des
Verbundwerkstoffes gemäß der Erfindung hat.
Die mechanischen und thermischen Eigenschaften des
Verbundwerkstoffes aus Forsterit-PMMA, des getrockneten Gels,
das nur Forsterit umfaßt, und des organischen Polymers, das nur
reines PMMA umfaßt, wurden bewertet, und die Ergebnisse sind in
Tabelle 1 gezeigt.
Wie in Tabelle 1 gezeigt, ähnelt die Oberflächenhärte des
Verbundwerkstoffes dem PMMA, wohingegen dessen Bruchfestigkeit
wesentlich höher als diejenige des getrockneten Gels ist, jedoch
geringer als die von PMMA, das eine hohe Elastizität aufweist.
Mit anderen Worten, der Verbundwerkstoff gemäß der vorliegenden
Erfindung hat sowohl die Eigenschaften der organischen als auch
die der anorganischen. Verbindungen. Darüberhinaus steigt
aufgrund der anorganischen Bestandteile Tg (die
Glasübergangstemperatur) des Verbundwerkstoffes um etwa 20°C
verglichen mit reinem PMMA, und Tm (die Schmelztemperatur)
steigt um etwa 50°C verglichen mit reinem PMMA.
Magnesium in einer Menge, die dem zweifachen Molverhältnis
des Siliciums in TEOS entspricht, wurde mit trockenem Methanol
umgesetzt, um Mg(OMe)2 herzustellen. Das Mg(OMe)2 wurde dann mit
TEOS vermischt und Eu(NO3)2.5H2O in 0,05facher Menge bezogen auf
das Silicium-Molverhältnis wurde dazu unter Herstellung einer
gemischten Lösung hinzugefügt. Das Eu(NO3)2.5H2O ist ein
Fremdmaterial, das dem Verbundwerkstoff aus organischen und
anorganischen Verbindungen gewisse optische Eigenschaften
erteilt.
Danach wurden Wasserstoffperoxid und bidestilliertes Wasser
in einer Menge, die dem Vierfachen des Siliciums im TEOS im
Molverhältnis entspricht, abgewogen und jeweils mit Methanol
verdünnt.
Jede der verdünnten Lösungen wurde langsam zu der
vermischten Lösung aus TEOS und Mg(OMe)2 hinzugesetzt, wobei eine
Sol-Gel-Reaktion der Mg- und Si-Bestandteile unter Herstellung
eines Alkogels aus Forsterit (Mg2SiO4) mit Eu3+ Ion eintrat.
Das hergestellte Alkogel mit dem Eu3+ Ion wurde bei
Raumtemperatur für einen vorbestimmten Zeitraum stehen lassen,
um die anorganische Gitterstruktur darin zu stärken. Das
anfängliche Alkogelherstellungsverfahren und das Stehenlassen
wurden alle unter Inertgasatmosphäre durchgeführt.
Das Alkogel, das für einen vorbestimmten Zeitraum stehen
gelassen worden war, wurde der Luft ausgesetzt, und gleiche
Volumina ans Base und Toluol wurden zugesetzt und einen
vorbestimmten Zeitraum lang stehen gelassen, um die anorganische
Gitterstruktur noch weiter zu stärken, während geschüttelt
wurde.
Danach wurde, wie in Fig. 1 gezeigt, das Alkogel 20 in ein
Reaktionsgefäß 10 einer Zentrifuge überführt und mit der
Geschwindigkeit von 2000 Umdrehungen pro Minute 2 Stunden lang
zentrifugiert, um den Alkohol von der anorganischen
Gitterstruktur abzutrennen.
Der abgetrennte Alkohol wurde dekantiert und MMA als
organisches Monomer wurde zu der anorganischen Gitterstruktur
zugesetzt, um den Alkohol durch MMA zu ersetzen. Die oben
genannten Abtrennungs-, Dekantations- und Zusatzschritte werden
als Waschschritt bezeichnet. Der Waschschritt wurde wiederholt
durchgeführt, um die Konzentration des MMA in der anorganischen
Gitterstruktur zu erhöhen, so daß der Alkohol völlig durch das
MMA ersetzt wird. Während des Endwaschschrittes wurde eine
vorbestimmte Menge an Benzylperoxid als Polymerisationsinitiator
für MMA zu dem resultierenden Produkt zugesetzt. Als das Gel, in
dem das alkoholische Lösungsmittel durch MMA ersetzt worden war,
in einem Ofen bei 45°C wärmebehandelt wurde, polymerisierte das
in der anorganischen Gitterstruktur imprägnierte MMA unter
Ausbildung organischer Polymerketten aus PMMA innerhalb der
anorganischen Gitterstruktur.
Der Verbundwerkstoff aus organischen und anorganischen
Verbindungen von Forsterit und PMMA, zu dem Eu3+ Ion zugesetzt
worden war, und das mittels in-situ Polymerisation des
organischen Monomeren innerhalb der anorganischen Gitterstruktur
hergestellt worden war, wurde geschnitten oder geschliffen, um
ein Produkt mit einer vorbestimmten Form herzustellen.
Fig. 3a zeigt ein Lumineszenz-Emissionsspektrum des Eu3+
Ions aus einem Körper der Platte, die mittels Schneiden und
Schleifen des Nanoverbundwerkstoffes aus organischen und
anorganischen Verbindungen von Forsterit-PMMA mit Eu3+ Ion Zusatz
hergestellt worden war. Fig. 3b zeigt das Lumineszenz-
Emissionsspektrum des Eu3+ Ions eines Körpers der Platte, die
durch Schneiden und Schleifen reinen PMMA's unter Eu3+
Ionenzusatz hergestellt worden war.
Wie aus den Fig. 3a und 3b ersichtlich, ergibt sich, daß
die Struktur um das Eu3+ Ion herum, verglichen mit einem reinen
PMMA-Körper, der die gleiche Größe wie der Verbundwerkstoff nach
Beispiel 2 aufweist, durch die Vermischung von PMMA mit 4 bis 8
Gewichtsprozent an anorganischer Gitterstruktur partiell
umgeformt (reformiert) ist, und daß das Eu3+ Ion im
Verbundwerkstoff nach Beispiel 2 ein Spektrum aufweist, das sich
völlig von demjenigen des Eu3+ Ions im reinen PMMA unterscheidet.
Das bedeutet, daß wenn ein Fremdmaterial mit optischen
Eigenschaften rum Nanoverbundwerkstoff aus organischen und
anorganischen Verbindungen zugesetzt wird, die
Umgebungsbedingungen um das Fremdmaterial wahlweise verändert
werden können.
Gemäß der Polymerisation des organischen Monomeren, das in
situ in die anorganische Gitterstruktur einimprägniert ist, kann
der Nanoverbundwerkstoff aus organischen und anorganischen
Verbindungen gemäß einem einfachen Verfahren ohne Neuordnung
(Reformierung) des anorganischen Gitters ausgebildet werden,
d. h. ohne daß eine chemische Bindung zwischen der organischen
Verbindung und der anorganischen Verbindung notwendig ist.
Der Verbundwerkstoff aus dem organischen Polymer, der nicht
mit der anorganischen Verbindung reagiert, und die anorganische
Verbindung können gemäß dem vorliegenden Verfahren einfach
hergestellt werden. Zusätzlich sind die Probleme der
Schrumpfung, des Bruchs und der Verzerrung des Alkogels, die im
allgemeinen während der Herstellung des Verbundwerkstoffes aus
organischen und anorganischen Verbindungen auftreten, hiermit
gelöst. Der anorganische Bestandteil des Verbundwerkstoffes aus
organischen und anorganischen Verbindungen weist eine feste
Struktur auf, selbst dann, wenn er komplexe Metalle enthält.
Der Verbundwerkstoff aus organischen und anorganischen
Verbindungen, der gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt
wird, führt zu keinem Phasenauftrennungsphänomen zwischen
organischen und anorganischen Verbindungen, und er weist gute
optische Eigenschaften auf. Das Gewichtsverhältnis von
anorganischen Verbindungen zum Gesamtverbundwerkstoff aus
organischen und anorganischen Verbindungen beträgt 4 bis 8%.
Obwohl das Gewichtsverhältnis davon niedrig ist, hat die
anorganische Gitterstruktur einen größeren Einfluß auf die
optischen Eigenschaften des Fremdmaterials. Darüber hinaus
können über die Steuerung der chemischen Bestandteile der
anorganischen Gitterstruktur die optischen Eigenschaften des
zugesetzten Fremdmaterials zum Verbundwerkstoff aus organischen
und anorganischen Verbindungen als Wirtmaterial einfach
gesteuert werden.
Obwohl die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf
bevorzugte Ausführungsformen eingehend beschrieben wurde, ist
für den Fachmann offensichtlich, daß verschiedene Abwandlungen
und Substitutionen durchgeführt werden können, ohne den
Schutzumfang und den Erfindungsgedanken der vorliegenden
Erfindung zu verlassen, wie er in den beigefügten Ansprüchen
definiert ist.
Claims (11)
1. Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes aus
organischer, und anorganischer Verbindung, das folgende Schritte
umfaßt:
Umsetzung einer gemischten Lösung eines Metallalkoxids und einer siliciumhaltigen Verbindung mit einem Katalysator unter Erzeugung eines Alkogels eines Metalloxids oder komplexen Metalloxids, wobei das Metalloxid durch die Umsetzung wenigstens eines Metalls mit Alkohol hergestellt wird, wobei die gemischte Lösung durch Vermischung des Metallalkoxids mit der siliciumhaltigen Verbindung hergestellt wird, und wobei das Alkogel eine anorganische Gitterstruktur aufweist;
Zentrifugieren des Alkogels unter Abtrennung des Alkohols aus der anorganischen Gitterstruktur unter Gelbildung; Zugabe eines organischen Monomeren zum Gel; und
Polymerisation des organischen Monomeren unter Ausbildung eines organischen Polymeren.
Umsetzung einer gemischten Lösung eines Metallalkoxids und einer siliciumhaltigen Verbindung mit einem Katalysator unter Erzeugung eines Alkogels eines Metalloxids oder komplexen Metalloxids, wobei das Metalloxid durch die Umsetzung wenigstens eines Metalls mit Alkohol hergestellt wird, wobei die gemischte Lösung durch Vermischung des Metallalkoxids mit der siliciumhaltigen Verbindung hergestellt wird, und wobei das Alkogel eine anorganische Gitterstruktur aufweist;
Zentrifugieren des Alkogels unter Abtrennung des Alkohols aus der anorganischen Gitterstruktur unter Gelbildung; Zugabe eines organischen Monomeren zum Gel; und
Polymerisation des organischen Monomeren unter Ausbildung eines organischen Polymeren.
2. Verfahren nach Anspruch 1, worin der Katalysator aus der
Gruppe gewählt ist, die aus Wasserstoffperoxid,
Magnesiumperoxid, Natriumperoxid und Lithiumperoxid besteht.
3. Verfahren nach Anspruch 1, das des weiteren den Schritt
der Zugabe einer ein funktionelles Fremdmaterial enthaltenden
Verbindung zur gemischten Lösung aus Metallalkoxid und
siliciumhaltiger Verbindung umfaßt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, worin das funktionelle
Fremdmaterial eine optische Eigenschaft aufweist.
5. Verfahren nach Anspruch 4, worin das funktionelle
Fremdmaterial Eu3+ Ion umfaßt.
6. Verfahren nach Anspruch 1, worin das Metall zur
Erzeugung des Metallalkoxids wenigstens ein Metall ist, das aus
der Gruppe gewählt ist, die aus Magnesium, Natrium und Lithium
besteht.
7. Verfahren nach Anspruch 1, worin die siliciumhaltige
Verbindung Siliciumalkoxid ist, das aus der Gruppe gewählt ist,
die aus Tetraethylorthosilicat und Tetramethylorthosilicat
besteht.
8. Verfahren nach Anspruch 1, worin das organische Monomer
wenigstens eine Verbindung ist, die aus der Gruppe gewählt ist,
die aus Methylmethacrylat und Methacrylat besteht, wobei die
Verbindung polymerisierbare Doppelbindungen aufweist.
9. Verfahren nach Anspruch 1, worin die Zentrifugierungs-
und Polymerisationsschritte im gleichen Reaktionsgefäß
durchgeführt werden.
10. Verfahren nach Anspruch 1, worin der
Polymerisationsschritt in-situ in der anorganischen
Gitterstruktur durchgeführt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 1, worin das organische Polymer
und das anorganische Gitter einheitlich verteilt sind.
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