DE19942777A1 - Verfahren zur Herstellung einer wässrigen Dispersion von aus Polymerisat und feinteiligem anorganischen Feststoff aufgebauten Partikeln - Google Patents
Verfahren zur Herstellung einer wässrigen Dispersion von aus Polymerisat und feinteiligem anorganischen Feststoff aufgebauten PartikelnInfo
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Abstract
Verfahren zur Herstellung einer wässrigen Dispersion von aus Polymerisat und feinteiligem anorganischen Feststoff aufgebauten Kompositpartikeln, bei dem wenigstens ein ethylenisch ungesättigtes Monomer in wässrigem Medium dispers verteilt und mittels wenigstens eines radikalischen Polymerisationsinitiators im Beisein wenigstens eines dispers verteilten, feinteiligen anorganischen Feststoffes und wenigstens eines Dispergiermittels nach der Methode der radikalisch wässrigen Emulsionspolymerisation polymerisiert wird.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung
einer wässrigen Dispersion von aus Polymerisat und feinteiligem
anorganischen Feststoff aufgebauten Partikeln (Kompositpartikel),
bei dem wenigstens ein ethylenisch ungesättigtes Monomer in
wässrigem Medium dispers verteilt und mittels wenigstens eines
radikalischen Polymerisationsinitiators im Beisein wenigstens
eines dispers verteilten, feinteiligen anorganischen Feststoffes
und wenigstens eines Dispergiermittels nach der Methode der
radikalisch wässrigen Emulsionspolymerisation polymerisiert wird.
Ferner betrifft die Erfindung wässrige Dispersionen von Komposit
partikeln und deren Verwendung sowie Kompositpartikelpulver.
Wässrige Dispersionen von Kompositpartikeln sind allgemein be
kannt. Es handelt sich um fluide Systeme, die als disperse Phase
in wässrigem Dispergiermedium aus mehreren ineinander
verschlungenen Polymerisatketten bestehenden Polymerisatknäuel,
der sogenannten Polymermatrix, und feinteiligem anorganischen
Feststoff aufgebaute Partikel in dispersen Verteilung befindlich
enthalten. Der Durchmesser der Kompositpartikel liegt häufig im
Bereich von 50 nm bis 5000 nm.
Ebenso wie Polymerisatlösungen beim Verdampfen des Lösungsmittels
und wässrige Polymerisatdispersionen beim Verdampfen des
wässrigen Dispergiermediums, weisen wässrige Dispersionen von
Kompositpartikeln das Potential zur Ausbildung von modifizierten,
feinteiligen anorganischen Feststoff enthaltenden Polymerisat
filmen auf, weshalb sie insbesondere als modifizierte Binde
mittel, z. B. für Anstrichfarben oder für Massen zum Beschichten
von Leder, Papier oder Kunststofffolien von Interesse sind. Die
aus wässrigen Dispersionen von Kompositpartikeln prinzipiell
zugänglichen Kompositpartikelpulver sind darüber hinaus auch als
Additive für Kunststoffe, Komponenten für Tonerformulierungen
oder Zusatzstoffe in elektrophotographischen Anwendungen von
Interesse.
Bei der Herstellung wässriger Dispersionen von Kompositpartikeln
ist von folgendem Stand der Technik auszugehen.
Ein Verfahren zur Herstellung von mit Polymeren umhüllten anorga
nischen Partikeln mittels wässriger Emulsionspolymerisation wird
in der US-A 3,544,500 offenbart. Bei diesem Verfahren werden die
anorganischen Partikel vor der eigentlichen wässrigen Emulsions
polymerisation mit wasserunlöslichen Polymeren beschichtet. Die
Dispergierung der so in einem aufwendigen Prozeß behandelten an
organischen Partikel in wässrigem Medium erfolgt mittels
spezieller Stabilisatoren.
Die EP-A 104 498 betrifft ein Verfahren zur Herstellung von
polymerumhüllten Feststoffen. Kennzeichnend für das Verfahren
ist, daß feinteilige Feststoffe, welche eine minimale Ober
flächenladung aufweisen, mittels eines nichtionischen Schutz
kolloids in wässrigem Polymersiationsmedium dispergiert und die
zugesetzten ethylenisch ungesättigten Monomere mittels nicht
ionischer Polymerisationsinitiatoren polymerisiert werden.
Die US-A 4,421,660 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von
wässrigen Dispersionen, deren dispers vorliegenden Partikel anor
ganische Teilchen, welche vollständig von einer Polymerschale um
geben sind, aufweisen. Die Herstellung der wässrigen Dispersionen
erfolgt durch radikalisch initiierte wässrige Emulsionspolymeri
sation hydrophober, ethylenisch ungesättigter Monomerer in
Anwesenheit dispers verteilter anorganischer Teilchen.
Ein Verfahren zur Polymerisation von ethylenisch ungesättigten
Monomeren in Anwesenheit von ladungsfreien anorganischen Fest
stoffpartikeln, welche mit nichtionischen Dispergiermitteln im
wässrigen Reaktionsmedium stabilisiert sind, wird in der
US-A 4,608,401 offenbart.
Die radikalisch initiierte wässrige Emulsionspolymerisation von
Styrol in Anwesenheit von modifizierten Siliziumdioxidteilchen
wird von Furusawa et al. im Journal of Colloid and Interface
Science 1986, 109, Seiten 69 bis 76 beschrieben. Die Modifikation
der kugelförmigen Siliziumdioxidteilchen mit einem mittleren
Teilchendurchmesser von 190 nm erfolgt mittels Hydroxypropyl
cellulose.
Hergeth et al. (siehe Polymer, 1989, 30, Seiten 254 bis 258) be
schreiben die radikalisch initiierte wässrige Emulsionspolymeri
sation von Methylmethacrylat bzw. Vinylacetat in Anwesenheit von
aggregiertem feinteiligen Quarzpulver. Die Teilchengrößen des
eingesetzten aggregierten Quarzpulvers liegen zwischen 1 µm und
35 µm.
Die GB-A 2 227 739 betrifft ein spezielles Emulsionspolymeri
sationsverfahren, bei dem ethylenisch ungesättigte Monomere in
Anwesenheit dispergierter anorganischer Pulver, welche kat
ionische Ladungen aufweisen, unter Anwendung von Ultraschall
wellen polymerisiert werden. Die kationische Ladungen der disper
gierten Feststoffteilchen werden durch Behandlung der Teilchen
mit kationischen Agenzien erzeugt, wobei Aluminiumsalze bevorzugt
sind. Die Schrift enthält jedoch keine Angaben bezüglich Teil
chengrößen und Stabilität der wässrigen Feststoffdispersionen.
In der EP-A 505 230 wird die radikalisch wässrige Emulsionspoly
merisation von ethylenisch ungesättigten Monomeren in Anwesenheit
von oberflächenmodifizierten Siliziumdioxidpartikeln offenbart.
Deren Funktionalisierung erfolgt mittels spezieller silanol
gruppenhaltiger Acrylsäureester.
Die US-A 4,981,882 betrifft die Herstellung von Kompositpartikeln
mittels eines speziellen Emulsionspolymerisationsverfahren. Ver
fahrenswesentlich sind feinteilige anorganische Teilchen, welche
mittels basischer Dispergiermittel im wässrigen Medium disper
giert sind, das Behandeln dieser anorganischen Partikel mit
ethylenisch ungesättigten Carbonsäuren und das Zugeben wenigstens
einer amphiphilen Komponente zur Stabilisierung der Feststoffdis
persion während der Emulsionspolymersiation. Die feinteiligen an
organischen Partikel weisen bevorzugt eine Teilchengröße zwischen
100 und 700 nm auf.
Haga et al. (siehe Die Angewandte Makromolekulare Chemie 1991,
189, Seiten 23 bis 34) beschreiben den Einfluß von Art und
Konzentration der Monomeren, Art und Konzentration des Poly
merisationsinitiators sowie den Einfluß des pH-Wertes auf die
Polymerenbildung an in wässrigem Medium dispergierten Titan
dioxidteilchen. Hohe Ausbeuten bei der Verkapselung der Titan
dioxidteilchen werden erhalten, wenn die Polymerketten und die
Titandioxidteilchen entgegengesetzte Ladungen aufweisen (vgl.
o. g. Publikation, Kapitel 3.1 Polymerization behavior on encapsu
lation und Kapitel 4 Conclusion). Die Publikation enthält jedoch
keine Angaben bezüglich der Teilchengröße und der Stabilität der
Titandioxiddispersionen.
Long et al. beschreiben in Tianjin Daxue Xuebao 1991, 4,
Seiten 10 bis 15 die dispergiermittelfreie Polymerisation von
Methylmethacrylat in Anwesenheit von feinteiligen Siliziumdioxid-
bzw. Aluminiumpartikeln. Gute Ausbeuten bei der Verkapselung der
anorganischen Partikel werden erhalten, wenn die Endgruppen der
Polymerketten und die anorganischen Teilchen entgegengesetzte La
dungen aufweisen.
Die EP-A 572 128 betrifft ein Herstellverfahren von Kompositpar
tikeln, bei dem die anorganischen Teilchen in wässrigem Medium
bei einem bestimmten pH-Wert mit einer organischen Polysäure oder
deren Salz behandelt werden und die daran anschließend durchge
führte radikalisch initiierte wässrige Emulsionspolymerisation
von ethylenisch ungesättigten Monomeren bei einem pH-Wert < 9 er
folgt.
Bourgeat-Lami et al. (siehe Die Angewandte Makromolekulare Chemie
1996, 242, Seiten 105 bis 122) beschreiben die durch radikalisch
wässrige Emulsionspolymerisation von Ethylacrylat in Gegenwart
funktionalisierter und nicht funktionalisierter Siliziumdioxid
teilchen zugänglichen Reaktionsprodukte. In den Polymerisations
experimenten wurden generell anionisch geladene Siliziumdioxid
teilchen, das nichtionische Nonylphenolethoxylat NP30 und das an
ionische Natriumdodecylsulfat (SDS) als Emulgatoren und Kalium
peroxodisulfat als radikalischer Polymerisationsinitiator
verwendet (siehe o. g. Publikation Seite 108, Emulsion
polymerization, Seite 109, Non-functionalized silica particles
und Seite 112, Emulsion polymerization of ethyl acrylate). Die
Autoren beschreiben die angefallenen Reaktionsprodukte als Aggre
gate, die mehr als ein Siliziumdioxidteilchen enthalten oder als
Polymercluster, die sich auf der Siliziumdioxidoberfläche bilden
(vgl. vorletzter Abschnitt auf Seite 113 von o. g. Publikation).
Paulke et al. (siehe Synthesis Studies of Paramagnetic Poly
styrene Latex Particles in Scientific and Clinical Applications
of Magnetic Carriers, Seiten 69 bis 76, Plenum Press, New York,
1997) beschreiben drei prinzipielle Syntheserouten zur Her
stellung von wässrigen eisenoxidhaltigen Polymerisatdispersionen.
Aufgrund unzureichender Stabilität der wässrigen Feststoff
dispersion ist für alle Syntheserouten die Verwendung von frisch
gefälltem Eisen-(II/III)-oxid-Hydrat unabdingbare Voraussetzung.
In Anwesenheit dieses frisch gefällten Eisen(II/III)-oxid-Hydrats
erfolgt in der ersten Syntheseroute die radikalisch initiierte
wässrige Emulsionspolymerisation von Styrol mit SDS als Emulgator
und Kaliumperoxodisulfat als Polymerisationsinitiator. In der von
den Autoren favorisierten zweiten Syntheseroute wird Styrol und
Methacrylsäure in Anwesenheit des frisch gefällten
Eisen(II/III)-oxid-Hydrats, des Emulgators N-Cetyl-N-trimethylammonium
bromid (CTAB) und spezieller oberflächenaktiver Polymerisations
initiatoren (PEGA 600) in methanolisch/wässrigem Medium
polymerisiert. In der dritten Syntheseroute werden Ethanol und
Methoxyethanol als Polymerisationsmedium, Hydroxypropylcellulose
als Emulgator, Benzoylperoxid als Polymerisationsinitiator und
eine spezielle Eisen-(II/III)-oxid/Styrol-Mischung zur Her
stellung von eisenoxidhaltigen Polymerdispersionen verwendet.
Armes et al. (siehe Advanced Materials 1999, 11, Nr. 5,
Seiten 408 bis 410) beschreiben die Herstellung von Siliziumdi
oxid-Kompositpartikeln, welche in einer emulgatorfreien, radika
lisch initiierten wässrigen Emulsionspolymerisation mit speziel
len olefinisch ungesättigten Monomeren in Anwesenheit von disper
gierten Siliziumdioxidteilchen zugänglich sind. Als Voraussetzung
zur Ausbildung von siliziumdioxidenthaltenden Polymerpartikeln
wird eine starke Säure/Base-Wechselwirkung zwischen dem gebilde
ten Polymeren und den verwendeten sauren Siliziumdioxidteilchen
postuliert. Siliziumdioxidenthaltende Polymerpartikel wurden mit
Poly-4-vinylpyridin und Copolymeren von Styrol bzw. Methylmeth
acrylat mit 4-Vinylpyridin erhalten (siehe o. g. Publikation,
Seite 409, Tabelle 1, Seite 410, 1. Spalte, 1. Abschnitt und
Seite 410, 2. Spalte, letzter Abschnitt).
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, angesichts des vorste
henden Standes der Technik ein anderes Verfahren zur Herstellung
einer wässrigen Dispersion von Kompositpartikeln nach der Methode
der radikalisch initiierten wässrigen Emulsionspolymerisation zur
Verfügung zu stellen, welches die Nachteile der bekannten Verfah
ren nicht oder nur im verminderten Umfang aufweist.
Demgemäß wird ein Verfahren zur Herstellung einer wässrigen Dis
persion von aus Polymerisat und feinteiligem anorganischen Fest
stoff aufgebauten Kompositpartikeln zur Verfügung gestellt, bei
dem wenigstens ein ethylenisch ungesättigtes Monomer in wässrigem
Medium dispers verteilt und mittels wenigstens eines radika
lischen Polymerisationsinitiators im Beisein wenigstens eines
dispers verteilten, feinteiligen anorganischen Feststoffes und
wenigstens eines Dispergiermittels nach der Methode der radika
lisch wässrigen Emulsionspolymerisation polymerisiert wird, da
durch gekennzeichnet, daß
- a) eine stabile wässrige Dispersion des wenigstens einen anorga nischen Feststoffs eingesetzt wird, welche dadurch charakte risiert ist, daß sie bei einer Anfangsfeststoffkonzentration von ≧ 1 Gew.-%, bezogen auf die wässrige Dispersion des we nigstens einen Feststoffs, noch eine Stunde nach ihrer Her stellung mehr als 90 Gew.-% des ursprünglich dispergierten Feststoffes in dispergierter Form enthält und deren disper gierte Feststoffteilchen einen gewichtsmittleren Durchmesser ≦ 100 nm aufweisen,
- b) die dispergierten Feststoffteilchen des wenigstens einen an organischen Feststoffs in einer wässrigen Standardkalium chlorid-Lösung bei einem pH-Wert, der dem pH-Wert des wässrigen Reaktionsmediums am Beginn der Emulsionspolyme risation entspricht, eine von Null verschiedene elektro phoretische Mobilität zeigen und
- c) die radikalerzeugende Komponente des wenigstens einen radika lischen Polymerisationsinitiators und/oder die dispergierend wirkende Komponente des wenigstens einen Dispergiermittels wenigstens eine elektrische Ladung aufweisen, deren Vorzei chen entgegengesetzt dem Vorzeichen der elektrophoretischen Mobilität der dispergierten Feststoffteilchen des wenigstens einen Feststoffs ist, das diese in einer wässrigen Standard kaliumchlorid-Lösung bei einem pH-Wert aufweisen, der dem pH- Wert des wässrigen Reaktionsmediums am Beginn der Emulsions polymerisation entspricht.
Für das erfindungsgemäße Verfahren sind alle diejenigen fein
teiligen anorganischen Feststoffe geeignet, welche stabile
wässrige Dispersionen ausbilden, die bei einer Anfangsfeststoff
konzentration von ≧ 1 Gew.-%, bezogen auf die wässrige Dispersion
des wenigstens einen Feststoffs, noch eine Stunde nach ihrer Her
stellung mehr als 90 Gew.-% des ursprünglich dispergierten Fest
stoffes in dispergierter Form enthalten und deren dispergierten
Feststoffteilchen einen gewichtsmittleren Durchmesser ≦ 100 nm
aufweisen und darüber hinaus bei einem pH-Wert, der dem pH-Wert
des wässrigen Reaktionsmediums am Beginn der Emulsionspolymeri
sation entspricht, eine von Null verschiedene elektrophoretische
Mobilität zeigen.
Als erfindungsgemäß einsetzbare feinteilige anorganische Fest
stoffe sind Metalle, Metallverbindungen, wie Metalloxide und
Metallsalze aber auch Halbmetall- und Nichtmetallverbindungen ge
eignet. Als feinteilige Metallpulver können Edelmetallkolloide,
wie beispielsweise Palladium, Silber, Ruthenium, Platin, Gold und
Rhodium sowie diese enthaltende Legierungen eingesetzt werden.
Als feinteilige Metalloxide beispielhaft genannt seien Titan
dioxid (beispielsweise kommerziell verfügbar als Hombitec®-Marken
der Fa. Sachtleben Chemie GmbH), Zirkonium-(IV)-oxid,
Zinn-(II)-oxid, Zinn-(IV)-oxid (beispielsweise kommerziell ver
fügbar als Nyacol® SN-Marken der Fa. Akzo-Nobel), Aluminiumoxid
(beispielsweise kommerziell verfügbar als Nyacol® AL-Marken der
Fa. Akzo-Nobel), Bariumoxid, Magnesiumoxid, verschiedene Eisen
oxide, wie Eisen-(II)-oxid (Wuestit), Eisen-(III)-oxid (Hämatit)
und Eisen-(II/III)-oxid (Magnetit), Chrom-(III)-oxid, Anti
mon-(III)-oxid, Wismut-(III)-oxid, Zinkoxid (beispielsweise
kommerziell verfügbar als Sachtotec®-Marken der Fa. Sachtleben
Chemie GmbH), Nickel-(II)-oxid, Nickel-(III)-oxid,
Cobalt-(II)-oxid, Cobalt-(III)-oxid, Kupfer-(II)-oxid,
Yttrium-(III)-oxid (beispielsweise kommerziell verfügbar als Nyacol®
YTTRIA-Marken der Fa. Akzo-Nobel), Cer-(IV)-oxid (beispielsweise
kommerziell verfügbar als Nyacol® CEO2-Marken der Fa. Akzo-Nobel)
amorph und/oder in ihren unterschiedlichen Kristallmodifikationen
sowie deren Hydroxyoxide, wie beispielsweise Hydroxyti
tan-(IV)-oxid, Hydroxyzirkonium-(IV)-oxid, Hydroxyaluminiumoxid
(beispielsweise kommerziell verfügbar als Disperal®-Marken der
Fa. Condea-Chemie GmbH) und Hydroxyeisen-(III)-oxid amorph und/oder
in ihren unterschiedlichen Kristallmodifikationen. Folgende
amorphen und/oder in ihren unterschiedlichen Kristallstrukturen
vorliegenden Metallsalze sind im erfindungsgemäßen Verfahren
prinzipiell einsetzbar: Sulfide, wie Eisen-(II)-sulfid,
Eisen-(III)-sulfid, Eisen-(II)-disulfid (Pyrit), Zinn-(II)-sulfid,
Zinn-(IV)-sulfid, Quecksilber-(II)-sulfid, Cadmium-(II)-sulfid,
Zinksulfid, Kupfer-(II)-sulfid, Silbersulfid, Nickel-(II)-sulfid,
Cobalt-(II)-sulfid, Cobalt-(III)-sulfid, Mangan-(II)-sulfid,
Chrom-(III)-sulfid, Titan-(II)-sulfid, Titan-(III)-sulfid,
Titan-(IV)-sulfid, Zirkon-(IV)-sulfid, Antimon-(III)-sulfid,
Wismut-(III)-sulfid, Hydroxide, wie. Zinn-(II)-hydroxid,
Aluminiumhydroxid, Magnesiumhydroxid, Calciumhydroxid, Barium
hydroxid, Zinkhydroxid, Eisen-(II)-hydroxid, Eisen-(III)-hydroxid,
Sulfate, wie Calciumsulfat, Strontiumsulfat, Barium
sulfat, Blei-(IV)-sulfat, Carbonate, wie Lithiumcarbonat,
Magnesiumcarbonat, Calciumcarbonat, Zinkcarbonat,
Zirkonium-(IV)-carbonat, Eisen-(II)-carbonat, Eisen-(III)-carbonat, Ortho
phosphate, wie Lithiumorthophosphat, Calciumorthophosphat,
Zinkorthophosphat, Magnesiumorthophosphat, Aluminiumorthophos
phat, Zinn-(III)-orthophosphat, Eisen-(II)-orthophosphat,
Eisen-(III)-orthophosphat, Metaphosphate, wie Lithiummetaphos
phat, Calciummetaphosphat, Aluminiummetaphosphat, Pyrophosphate,
wie Magnesiumpyrophosphat, Calciumpyrophosphat, Zinkpyrophosphat,
Eisen-(III)-pyrophosphat, Zinn-(II)-pyrophosphat, Ammonium
phosphate, wie Magnesiumammoniumphosphat, Zinkammoniumphosphat,
Hydroxylapatit [Ca5{(PO4)3OH}], Orthosilikate, wie Lithiumortho
silikat, Calcium-/Magnesiumorthosilikat, Aluminiumorthosilikat,
Eisenorthosilikate, Magnesiumorthosilikat, Zinkorthosilikat,
Zirkoniumorthosilikate, Metasilikate, wie Lithiummetasilikat,
Calcium-/Magnesiummetasilikat, Calciummetasilikat, Magnesiummeta
silikat, Zinkmetasilikat, Schichtsilikate, wie Natriumaluminium
silikat und Natriummagnesiumsilikat insbesondere in spontan dela
minierender Form, wie beispielsweise Optigel® SH (Marke der Süd
chemie AG), Saponit® SKS-20 und Hektorit® SKS-21 (Marken der
Hoechst AG) sowie Laponite® RD und Laponite® GS (Marken der
Laporte Industries Ltd.), Aluminate, wie Lithiumaluminat,
Calciumaluminat, Zinkaluminat, Borate, wie Magnesiummetaborat,
Magnesiumorthoborat, Oxalate, wie Calciumoxalat,
Zirkonium-(IV)-oxalat, Magnesiumoxalat, Zinkoxalat, Aluminiumoxalat,
Tatrate, wie Calciumtatrat, Acetylacetonate, wie Aluminiumacetyl
acetonat, Eisen-(III)-acetylacetonat, Salicylate, wie Aluminium
salicylat, Citrate, wie Calciumcitrat, Eisen-(II)-citrat, Zink
citrat, Palmitate, wie Aluminiumpalmitat, Calciumpalmitat,
Magnesiumpalmitat, Stearate, wie Aluminiumstearat, Calcium
stearat, Magnesiumstearat, Zinkstearat, Laurate, wie Calcium
laurat, Linoleate, wie Calciumlinoleat, Oleate, wie Calciumoleat,
Eisen-(II)-oleat oder Zinkoleat.
Als wesentliche erfindungsgemäß einsetzbare Halbmetallverbindung
sei amorphes und/oder in unterschiedlichen Kristallstrukturen
vorliegendes Siliziumdioxid genannt. Erfindungsgemäß geeignetes
Siliziumdioxid ist kommerziell verfügbar und kann beispielsweise
als Aerosil® (Marke der Fa. Degussa AG), Levasil® (Marke der
Fa. Bayer AG), Ludox® (Marke der Fa. DuPont), Nyacol® und
Bindzil® (Marken der Fa. Akzo-Nobel) und Snowtex® (Marke der
Fa. Nissan Chemical Industries, Ltd.) bezogen werden. Erfindungs
gemäß geeignete Nichtmetallverbindungen sind beispielsweise
kolloidal vorliegender Graphit oder Diamant.
Als wenigstens ein feinteiliger anorganischer Feststoff lassen
sich ferner alle vorgenannten Verbindungen einsetzen, deren Ober
flächen mit polymeren Verbindungen oder anorganischen Materialien
modifiziert wurden.
Als feinteilige anorganische Feststoffe sind solche besonders ge
eignet, deren Löslichkeit in Wasser bei 20°C und 1 bar (absolut)
≦ 1 g/l, bevorzugt ≦ 0,1 g/l und insbesondere ≦ 0,01 g/l ist.
Besonders bevorzugt sind Verbindungen ausgewählt aus der Gruppe
umfassend Siliziumdioxid, Aluminiumoxid, Zinn-(IV)-oxid,
Yttrium-(III)-oxid, Cer-(IV)-oxid, Hydroxyaluminiumoxid, Calcium
carbonat, Magnesiumcarbonat, Calciumorthophosphat, Magnesiumor
thophosphat, Calciummetaphosphat, Magnesiummetaphosphat, Calcium
pyrophosphat, Magnesiumpyrophosphat, Eisen-(II)-oxid,
Eisen-(III)-oxid, Eisen-(II/III)-oxid, Titandioxid, Hydroxylapatit,
Zinkoxid und Zinksulfid.
Vorteilhaft können auch die kommerziell verfügbaren Verbindungen
der Aerosil®-, Levasil®-, Ludox®-, Nyacol®- und Bindzil®-Marken
(Siliziumdioxid), Disperal®-Marken (Hydroxyaluminiumoxid),
Nyacol® AL-Marken (Aluminiumoxid), Hombitec®-Marken (Titan
dioxid), Nyacol® SN-Marken (Zinn-(IV)-oxid), Nyacol® YTTRIA-
Marken (Yttrium-(III)-oxid), Nyacol® CEO2-Marken (Cer-(IV)-oxid)
und Sachtotec®-Marken (Zinkoxid) im erfindungsgemäßen Verfahren
eingesetzt werden.
Die im erfindungsgemäßen Verfahren einsetzbaren feinteiligen an
organischen Feststoffe sind so beschaffen, daß die im wässrigen
Reaktionsmedium dispergierten Feststoffteilchen einen gewichts
mittleren Teilchendurchmesser von ≦ 100 nm aufweisen. Erfolgreich
werden solche feinteiligen anorganischen Feststoffe eingesetzt,
deren dispergierten Teilchen einen gewichtsmittleren Teilchen
durchmesser < 0 nm aber ≦ 90 nm, ≦ 80 nm, ≦ 70 nm, ≦ 60 nm,
≦ 50 nm, ≦ 40 nm, ≦ 30 nm, ≦ 20 nm oder ≦ 10 nm und alle Werte
dazwischen aufweisen. Die Ermittlung der gewichtsmittleren
Teilchendurchmesser kann beispielsweise über die Methode der Ana
lytischen Ultrazentrifuge erfolgen (vgl. hierzu S. E. Harding et
al., Analytical Ultracentrifugation in Biochemistry and Polymer
Science, Royal Society of Chemistry, Cambridge, Great Britain
1992, Chapter 10, Analysis of Polymer Dispersions with an Eight-
Cell-AUC-Multiplexer: High Resolution Particle Size Distribution
and Density Gradient Techniques, W. Mächtle, Seiten 147 bis 175).
Die Zugänglichkeit feinteiliger Feststoffe ist dem Fachmann prin
zipiell bekannt und erfolgt beispielsweise durch Fällungsreaktio
nen oder chemische Reaktionen in der Gasphase (vgl. hierzu
E. Matijevic, Chem. Mater. 1993, 5, Seiten 412 bis 426; Ullmann's
Encyclopedia of Industrial Chemistry, Vol. A 23, Seiten 583 bis
660, Verlag Chemie, Weinheim, 1992; D. F. Evans, H. Wennerström in
The Colloidal Domain, Seiten 363 bis 405, Verlag Chemie,
Weinheim, 1994 und R. J. Hunter in Foundations of Colloid Science,
Vol. I, Seiten 10 bis 17, Clarendon Press, Oxford, 1991).
Die Herstellung der stabilen Feststoffdispersion erfolgt durch
Eindispergieren des feinteiligen anorganischen Feststoffs in das
wässrige Medium. Abhängig vom Herstellweg der Feststoffe gelingt
dies entweder direkt, beispielsweise beim gefälltem oder pyroge
nem Siliziumdioxid, Aluminiumoxid etc. oder durch Zusatz geeigne
ter Hilfsstoffe, wie beispielsweise Dispergiermittel.
In der Regel werden im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens
Dispergiermittel mitverwendet, die sowohl die feinteiligen anor
ganischen Feststoffteilchen als auch die Monomerentröpfchen und
die gebildeten Kompositpartikel in der wässrigen Phase dispers
verteilt halten und so die Stabilität der erzeugten wässrigen
Kompositpartikeldispersion gewährleisten. Als Dispergiermittel
kommen sowohl die zur Durchführung von radikalischen wässrigen
Emulsionspolymerisationen üblicherweise eingesetzten Schutz
kolloide als auch Emulgatoren in Betracht.
Geeignete Schutzkolloide sind beispielsweise Polyvinylalkohole,
Polyalkylenglykole, Alkalimetallsalze von Polyacrylsäuren und
Polymethacrylsäuren, Cellulose-, Stärke- und Gelatinederivate
oder Acrylsäure, Methacrylsäure, Maleinsäureanhydrid, 2-Acryl
amido-2-methylpropansulfonsäure und/oder Styrolsulfonsäure ent
haltende Copolymerisate und deren Alkalimetallsalze aber auch
N-Vinylpyrrolidon, N-Vinylcaprolactam, N-Vinylcarbazol, 1-Vinyl
imidazol, 2-Vinylimidazol, 2-Vinylpyridin, 4-Vinylpyridin, Acryl
amid, Methacrylamid, amingruppentragende Acrylate, Methacrylate,
Acrylamide und/oder Methacrylamide enthaltende Homo- und Copoly
merisate sowie deren am Stickstoff protonierten und/oder alky
lierten Derivate. Beispiele hierfür sind N-Dimethylaminoethyl
acrylat, N-Diethylaminoethylacrylat, N-Dimethylaminoethylmeth
acrylat, N-(3-Dimethylaminopropyl)methacrylamid, tert.-Butyl
aminoethylmethacrylat, 2-N-Benzyldimethylammoniumethylmethacryl
säureesterchlorid, 2-N-Trimethylammoniumethylmethacrylsäure
esterchlorid, 2-N-Benzyldimethylammoniumethylacrylsäureesterchlo
rid und 1-Hydroxyethylimidazolin-2-onmethacrylat. Eine ausführli
che Beschreibung weiterer geeigneter Schutzkolloide findet sich
in Houben-Weyl, Methoden der organischen Chemie, Band XIV/1, Ma
kromolekulare Stoffe, Georg-Thieme-Verlag, Stuttgart, 1961, Sei
ten 411 bis 420. Erfindungsgemäß besonders geeignet sind anioni
sche Schutzkolloide, d. h. Schutzkolloide, deren dispergierend
wirkende Komponente wenigstens eine negative elektrische Ladung
aufweist, wie Alkalimetallsalze von Polyacrylsäuren und Polyme
thacrylsäuren, Acrylsäure, Methacrylsäure, 2-Acrylamido-2-methyl
propansulfonsäure, Styrolsulfonsäure und/oder Maleinsäureanhydrid
enthaltende Copolymerisate und deren Alkalimetallsalze sowie
Alkalimetallsalze von Sulfonsäuren hochmolekularer Verbindungen,
wie beispielsweise Polystyrol sowie kationische Schutzkolloide,
d. h. Schutzkolloide, deren dispergierend wirkende Komponente we
nigstens eine positive elektrische Ladung aufweist, wie
beispielsweise die am Stickstoff protonierten und/oder alkylier
ten Derivate von N-Vinylpyrrolidon, N-Vinylcaprolactam, N-Vinyl
carbazol, 1-Vinylimidazol, 2-Vinylimidazol, 2-Vinylpyridin,
4-Vinylpyridin, Acrylamid, Methacrylamid, amingruppentragende
Acrylate, Methacrylate, Acrylamide und/oder Methacrylamide ent
haltende Homo- und Copolymerisate.
Selbstverständlich können auch Gemische aus Emulgatoren und/oder
Schutzkolloiden verwendet werden. Häufig werden als Dispergier
mittel ausschließlich Emulgatoren eingesetzt, deren relative
Molekulargewichte im Unterschied zu den Schutzkolloiden üblicher
weise unter 1500 liegen. Sie können sowohl anionischer, kat
ionischer oder nichtionischer Natur sein. Selbstverständlich
müssen im Falle der Verwendung von Gemischen grenzflächenaktiver
Substanzen die Einzelkomponenten miteinander verträglich sein,
was im Zweifelsfall an Hand weniger Vorversuche überprüft werden
kann. Im allgemeinen sind anionische Emulgatoren untereinander
und mit nichtionischen Emulgatoren verträglich. Desgleichen gilt
auch für kationische Emulgatoren, während anionische und kat
ionische Emulgatoren meistens nicht miteinander verträglich sind.
Eine Übersicht geeigneter Emulgatoren findet sich in Houben-Weyl,
Methoden der organischen Chemie, Band XIV/1, Makromolekulare
Stoffe, Georg-Thieme-Verlag, Stuttgart, 1961, Seiten 192 bis 208.
Gebräuchliche nichtionische Emulgatoren sind z. B. ethoxilierte
Mono-, Di- und Tri-Alkylphenole (EO-Grad: 3 bis 50, Alkylrest:
C4 bis C12) sowie ethoxilierte Fettalkohole (EO-Grad: 3 bis 50;
Alkylrest: C8 bis C36).
Übliche anionische Emulgatoren, d. h. Emulgatoren, deren disper
gierend wirkende Komponente wenigstens eine negative elektrische
Ladung aufweist, sind z. B. Alkalimetall- und Ammoniumsalze von
Alkylsulfaten (Alkylrest: C8 bis C12), von Schwefelsäurehalbestern
ethoxylierter Alkanole (EO-Grad: 4 bis 30, Alkylrest: C12 bis C18)
und ethoxilierter Alkylphenole (EO-Grad: 3 bis 50, Alkylrest: C4
bis C12), von Alkylsulfonsäuren (Alkylrest: C12 bis C18) und von
Alkylarylsulfonsäuren (Alkylrest: C9 bis C18).
Als weitere grenzflächenaktive Substanzen, deren dispergierend
wirkende Komponente wenigstens eine negative elektrische Ladung
aufweist, haben sich ferner Verbindungen der allgemeinen Formel I
worin R1 und R2 H-Atome oder C4- bis C24-Alkyl bedeuten und nicht
gleichzeitig H-Atome sind, und A und B Alkalimetallionen und/oder
Ammoniumionen sein können, erwiesen. In der allgemeinen Formel I
bedeuten R1 und R2 bevorzugt lineare oder verzweigte Alkylreste
mit 6 bis 18 C-Atomen, insbesondere mit 6, 12 und 16 C-Atomen
oder -H, wobei R1 und R2 nicht beide gleichzeitig H-Atome sind. A
und B sind bevorzugt Natrium, Kalium oder Ammonium, wobei Natrium
besonders bevorzugt ist. Besonders vorteilhaft sind Verbindungen
I, in denen A und B Natrium, R1 ein verzweigter Alkylrest mit
12 C-Atomen und R2 ein H-Atom oder R1 ist. Häufig werden techni
sche Gemische verwendet, die einen Anteil von 50 bis 90 Gew.-%
des monoalkylierten Produktes aufweisen, beispielsweise Dowfax®
2A1 (Marke der Dow Chemical Company). Die Verbindungen I sind
allgemein bekannt, z. B. aus US-A 4,269,749, und im Handel erhält
lich.
Geeignete kationenaktive Emulgatoren, d. h. Emulgatoren, deren
dispergierend wirkende Komponente wenigstens eine positive elek
trische Ladung aufweist, sind in der Regel einen C6- bis
C18-Alkyl-, Aralkyl- oder Heterocyclylrest aufweisende primäre,
sekundäre, tertiäre oder quartäre Ammoniumsalze, Alkanolammonium
salze, Pyridiniumsalze, Imidazoliniumsalze, Oxazoliniumsalze,
Morpholiniumsalze, Thiazoliniumsalze sowie Salze von Amin
oxiden, Chinoliniumsalze, Isochinoliniumsalze, Tropyliumsalze,
Sulfoniumsalze und Phosphoniumsalze. Darüber hinaus können auch
Polyglykoletherderivate in saurem Milieu aufgrund der Bildung
einer Oxoniumstruktur wenigstens eine positive elektrische Ladung
tragen. Beispielhaft genannt seien Dodecylammoniumacetat oder das
entsprechende Hydrochlorid, die verschiedenen Paraffinsäuretri
methylammoniumethylester, N-Cetylpyridiniumchlorid, N-Lauryl
pyridiniumsulfat sowie N-Cetyl-trimethylammoniumbromid,
N-Dodecyl-trimethylammoniumbromid, N-Octyl-trimethlyammonium
bromid, N-Distearyl-dimethyl-ammoniumchlorid sowie das Gemini-
Tensid N,N'-(Lauryldimethyl)ethylendiamindibromid. Zahlreiche
weitere Beispiele finden sich in H. Stache, Tensid-Taschenbuch,
Carl-Hanser-Verlag, München, Wien, 1981 und in McCutcheon's,
Emulsifiers & Detergents, MC Publishing Company, Glen Rock, 1989.
In der Regel werden 0,05 bis 20 Gew.-%, häufig 0,1 bis 5 Gew.-%,
oft 0,2 bis 3 Gew.-% an Dispergiermittel, jeweils bezogen auf das
Gesamtgewicht des wenigstens einen feinteiligen anorganischen
Feststoffs und dem zur Polymerisation eingesetzten wenigstens
einen Monomeren, verwendet. Dabei kann eine Teil- oder die
Gesamtmenge des im Verfahren verwendeten wenigstens einen
Dispergiermittels in der wässrigen Feststoffdispersion vorgelegt
und die gegebenfalls verbliebene Restmenge im Laufe der radika
lisch initiierten wässrigen Emulsionspolymerisation kontinuier
lich oder diskontinuierlich zugegeben werden. Es ist jedoch auch
möglich, gegebenenfalls lediglich eine Teilmenge des wenigstens
einen Dispergiermittels, in der wässrigen Feststoffdispersion
vorzulegen und die Gesamtmenge bzw. die gegebenenfalls ver
bliebene Restmenge des wenigstens einen Dispergiermittels während
der radikalischen Emulsionspolymerisation kontinuierlich oder
diskontinuierlich zuzugeben.
Selbstverständlich eignen sich die vorgenannten Dispergiermittel
ganz generell zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfaßt aber auch die Herstellung
wässriger Kompositpartikeldispersionen, welche selbstemulgierende
Polymerisate, bei denen Monomere, die ionische Gruppen aufweisen,
aufgrund einer Abstoßung von Ladungen gleichen Vorzeichens die
Stabilisierung bewirken, enthalten. In diesen Fällen braucht in
der Regel kein zusätzliches Dispergiermittel eingesetzt werden.
Darüber hinaus können auch die anorganischen Feststoffteilchen
aufgrund ihrer einheitlichen Ladung stabilisierend auf die
wässrige Kompositpartikeldispersion wirken.
Erfindungsgemäß sind jedoch nur solche Feststoffe geeignet, deren
wässrige Feststoffdispersion bei einer Anfangsfeststoffkonzentra
tion von ≧ 1 Gew.-%, bezogen auf die wässrige Dispersion des
Feststoff, noch eine Stunde nach ihrer Herstellung mehr als
90 Gew.-% des ursprünglich dispergierten Feststoffes in disper
gierter Form enthält und deren dispergierten Feststoffteilchen
einen gewichtsmittleren Durchmesser ≦ 100 nm aufweisen. Üblich
sind Anfangsfeststoffkonzentrationen ≦ 60 Gew.-%. Vorteilhaft
können jedoch auch Anfangsfeststoffkonzentrationen ≦ 55 Gew.-%,
≦ 50 Gew.-%, ≦ 45 Gew.-%, ≦ 40 Gew.-%, ≦ 35 Gew.-%, ≦ 30 Gew.-%,
≦ 25 Gew.-%, ≦ 20 Gew.-%, ≦ 15 Gew.-%, ≦ 10 Gew.-% sowie
≧ 1 Gew.-%, ≧ 3 Gew.-% oder ≧ 5 Gew.-%, jeweils bezogen auf die
wässrige Dispersion des Feststoff und alle Werte dazwischen ein
gesetzt werden.
Erfindungswesentlich ist, daß die dispergierten Feststoffteilchen
in einer wässrigen Standardkaliumchlorid-Lösung bei einem pH-
Wert, der dem pH-Wert des wässrigen Reaktionsmediums am Beginn
der Emulsionspolymerisation entspricht, eine von Null verschie
dene elekrophoretische Mobilität zeigen. Unter wässrigem Reakti
onsmedium am Beginn der Emulsionspolymerisation wird in dieser
Schrift das wässrige Reaktionsmedium verstanden, das unmittelbar
vor Zugabe des wenigstens einen radikalischen Polymerisations
initiators vorliegt. Die pH-Wertbestimmung erfolgt bei 20°C und
1 bar (absolut) mit handelsüblichen pH-Meßgeräten. Abhängig vom
durchgeführten Verfahren erfolgt die pH-Messung daher an einer
wässrigen Dispersion, welche lediglich den wenigstens einen anor
ganischen Feststoff oder zusätzlich das wenigstens eine
Dispergiermittel und/oder zusätzlich die zur Emulsionspolymeri
sation eingesetzten Monomeren sowie gegebenenfalls weitere Hilfs
stoffe enthält.
Die Methode zur Bestimmung der elektrophoretischen Mobilität ist
dem Fachmann bekannt (vgl. z. B. R. J. Hunter, Introduction to
modern Colloid Science, Kapitel 8.4, Seiten 241 bis 248, Oxford
University Press, Oxford, 1993 sowie K. Oka und K. Furusawa, in
Electrical Phenomena at Interfaces, Surfactant Science Series,
Vol. 76, Kapitel 8, Seiten 151 bis 232, Marcel Dekker, New York,
1998). Die elektrophoretische Mobilität der im wässrigen Reakti
onsmedium dispergierten Feststoffteilchen wird mittels eines
handelsüblichen Elektrophoresegeräts, beispielsweise dem Ze
tasizer 3000 der Fa. Malvern Instruments Ltd., bei 20°C und 1 bar
(absolut) bestimmt. Hierzu wird die wässrige Feststoffteilchen
dispersion mit einer pH-neutralen 10 millimolaren (mM) Kalium
chlorid-Lösung (Standardkaliumchlorid-Lösung) soweit verdünnt,
daß die Feststoffteilchen-Konzentration ca. 50 bis 100 mg/l be
trägt. Die Einstellung der Meßprobe auf den pH-Wert, den das
wässrige Reaktionsmedium am Beginn der Emulsionspolymerisation
aufweist, erfolgt mittels der gängigen anorganischen Säuren, wie
beispielsweise verdünnte Salzsäure oder Salpetersäure oder Basen,
wie beispielsweise verdünnte Natronlauge oder Kalilauge. Die
Wanderung der dispergierten Feststoffteilchen im elektrischen
Feld wird mittels der sogenannten elektrophoretischen Licht
streuung detektiert (vgl. z. B. B. R. Ware und W. H. Flygare, Chem.
Phys. Lett. 1971, 12, Seiten 81 bis 85). Dabei wird das Vor
zeichen der elektrophoretischen Mobilität durch die Wanderungs
richtung der dispergierten Feststoffteilchen definiert, d. h.
wandern die dispergierten Feststoffteilchen zur Kathode, ist
deren elektrophoretische Mobilität positiv, wandern sie dagegen
zur Anode, ist sie negativ.
Werden oberflächenmodifizierte Feststoffteilchen, wie sie
beispielsweise im Stand der Technik beschrieben sind, eingesetzt,
so wird die Bestimmung der elektrophoretischen Mobilität mit die
sen oberflächenmodifizierten Teilchen durchgeführt. Ist dagegen
ein feinteiliger anorganischer Feststoff nur mit Hilfe von
Dispergiermitteln dispergierbar, so muß die Bestimmung der elek
trophoretischen Mobilität mit geeigneten nichtionischen
Dispergiermitteln erfolgen, und zwar unabhängig davon, ob im
erfindungsgemäßen Verfahren tatsächlich kationische oder anioni
sche Dispergiermittel eingesetzt werden. Dies ist deshalb er
forderlich, weil sich die ionischen Dispergiermittel auf den
dispergierten Feststoffteilchen adsorbieren und so deren elektro
phoretische Mobilität verändern bzw. umkehren können.
Ein geeigneter Parameter, um die elektrophoretische Mobilität von
dispergierten Feststoffteilchen in einem gewissen Umfang zu be
einflussen oder einzustellen, ist der pH-Wert des wässrigen Reak
tionsmediums. Durch Protonierung bzw. Deprotonierung der disper
gierten Feststoffteilchen wird die elektrophoretische Mobilität
im sauren pH-Bereich (pH-Wert < 7) in positiver und im alkali
schen Bereich (pH-Wert < 7) in negativer Richtung verändert. Ein
für das erfindungsgemäße Verfahren geeigneter pH-Bereich ist der,
innerhalb dessen sich eine radikalisch initiierte wässrige Emul
sionspolymerisation durchführen läßt. Dieser pH-Bereich liegt in
der Regel bei pH 1 bis 12, häufig bei pH 1,5 bis 11 und oft bei
pH 2 bis 10.
Die Durchführung einer radikalisch initiierten wässrigen Emul
sionspolymerisation von ethylenisch ungesättigten Monomeren ist
vielfach vorbeschrieben und dem Fachmann daher hinreichend be
kannt [vgl. z. B. Encyclopedia of Polymer Science and Engineering,
Vol. 8, Seite 659 ff., 1987; D. C. Blackley, in High Polymer
Latices, Vol. 1, Seite 35 ff., 1966; H. Warson, The Applications
of Synthetic Resin Emulsions, Kapitel 5, Seite 246 ff., 1972;
D. Diederich, Chemie in unserer Zeit 1990, 24, Seiten 135 bis
142; Emulsion Polymerisation, Interscience Publishers, New York,
1965; DE-A 40 03 422 und Dispersionen synthetischer Hoch
polymerer, F. Hölscher, Springer-Verlag, Berlin, 1969]. Sie er
folgt üblicherweise so, daß man das wenigstens eine ethylenisch
ungesättigte Monomere, häufig unter Mitverwendung von Dispergier
mitteln, in wässrigem Medium dispers verteilt und mittels wenig
stens eines radikalischen Polymerisationsinitiators polymeri
siert. Von dieser Verfahrensweise unterscheidet sich das er
findungsgemäße Verfahren lediglich durch ein zusätzliches Beisein
von wenigstens einem feinteiligen anorganischen Feststoff, wel
cher eine von Null verschiedene elektrophoretische Mobilität auf
weist und einer sich daraus ergebenden speziellen Dispergier
mittel- und/oder Polymerisationsinitiatoren-Kombination.
Als wenigstens eine ethylenisch ungesättigte Gruppe aufweisende
Monomere kommen für das erfindungsgemäße Verfahren u. a. ins
besondere in einfacher Weise radikalisch polymerisierbare
Monomere in Betracht, wie beispielsweise Ethylen, vinyl
aromatische Monomere, wie Styrol, α-Methylstyrol, o-Chlorstyrol
oder Vinyltoluole, Ester aus Vinylalkohol und 1 bis 18 C-Atome
aufweisenden Monocarbonsäuren, wie Vinylacetat, Vinylpropionat,
Vinyl-n-butyrat, Vinyllaurat und Vinylstearat, Ester aus vorzugs
weise 3 bis 6 C-Atome aufweisenden α,β-monoethylenisch unge
sättigten Mono- und Dicarbonsäuren, wie insbesondere Acrylsäure,
Methacrylsäure, Maleinsäure, Fumarsäure und Itaconsäure, mit im
allgemeinen 1 bis 12, vorzugsweise 1 bis 8 und insbesondere
1 bis 4 C-Atome aufweisenden Alkanolen, wie besonders Acrylsäure-
und Methacrylsäuremethyl-, -ethyl-, -n-butyl-, -iso-butyl und
-2-ethylhexylester, Maleinsäuredimethylester oder Maleinsäure-di-
n-butylester, Nitrile α,β-monoethylenisch ungesättigter Carbon
säuren, wie Acrylnitril sowie C4-8-konjugierte Diene, wie
1,3-Butadien und Isopren. Die genannten Monomere bilden in der
Regel die Hauptmonomeren, die, bezogen auf die Gesamtmenge der
nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zu polymerisierenden Monome
ren normalerweise einen Anteil von mehr als 50 Gew.-% auf sich
vereinen. In aller Regel weisen diese Monomeren in Wasser bei
Normalbedingungen (20°C, 1 bar (absolut)) lediglich eine mäßige
bis geringe Löslichkeit auf.
Monomere, die unter den vorgenannten Bedingungen eine erhöhte
Wasserlöslichkeit aufweisen, sind beispielsweise α,β-mono
ethylenisch ungesättigte Mono- und Dicarbonsäuren und deren
1 Amide, wie z. B. Acrylsäure, Methacrylsäure, Maleinsäure, Fumar
säure, Itaconsäure, Acrylamid und Methacrylamid, ferner Vinyl
sulfonsäure, 2-Acrylamido-2-methylpropansulfonsäure, Styrol
sulfonsäure und deren wasserlösliche Salze sowie N-Vinylpyrroli
don.
Im Normalfall werden die vorgenannten Monomeren lediglich als
modifizierende Monomere in Mengen, bezogen auf die Gesamtmenge
der zu polymerisierenden Monomeren, von weniger als 50 Gew.-%, in
der Regel 0,5 bis 20 Gew.-%, vorzugsweise 1 bis 10 Gew.-% ein
polymerisiert.
Monomere, die üblicherweise die innere Festigkeit der Verfilmun
gen der Polymermatrix erhöhen, weisen normalerweise wenigstens
eine Epoxy-, Hydroxy-, N-Methylol- oder Carbonylgruppe, oder
wenigstens zwei nicht konjugierte ethylenisch ungesättigte
Doppelbindungen auf. Beispiele hierfür sind N-Alkylolamide von
3 bis 10 C-Atome aufweisenden α,β-monoethylenisch ungesättigten
Carbonsäuren, unter denen das N-Methylolacrylamid und das N-Me
thylolmethacrylamid ganz besonders bevorzugt sind sowie deren
Ester mit 1 bis 4 C-Atomen aufweisenden Alkanolen. Daneben kommen
auch zwei Vinylreste aufweisende Monomere, zwei Vinylidenreste
aufweisende Monomere sowie zwei Alkenylreste aufweisende Monomere
in Betracht. Besonders vorteilhaft sind dabei die Di-Ester zwei
wertiger Alkohole mit α,β-monoethylenisch ungesättigten Mono
carbonsäuren unter denen die Acryl- und Methacrylsäure bevorzugt
sind. Beispiele für derartige zwei nicht konjugierte ethylenisch
ungesättigte Doppelbindungen aufweisende Monomere sind
Alkylenglykoldiacrylate und -dimethacrylate wie Ethylenglykol
diacrylat, 1,2-Propylenglykoldiacrylat, 1,3-Propylenglykol
diacrylat, 1,3-Butylenglykoldiacrylat, 1,4-Butylenglykoldi
acrylate und Ethylenglykoldimethacrylat, 1,2-Propylenglykoldi
methacrylat, 1,3-Propylenglykoldimethacrylat, 1,3-Butylenglykol
dimethacrylat, 1,4-Butylenglykoldimethacrylate sowie Divinyl
benzol, Vinylmethacrylat, Vinylacrylat, Allylmethacrylat, Allyl
acrylat, Diallylmaleat, Diallylfumarat, Methylenbisacrylamid,
Cyclopentadienylacrylat, Triallylcyanurat oder Triallyliso
cyanurat. In diesem Zusammenhang von besonderer Bedeutung sind
auch die Methacrylsäure- und Acrylsäure-C1-C8-Hydroxyalkylester
wie n-Hydroxyethyl-, n-Hydroxypropyl- oder n-Hydroxybutylacrylat
und -methacrylat sowie Verbindungen, wie Diacetonacrylamid und
Acetylacetoxyethylacrylat bzw. -methacrylat. Erfindungsgemäß wer
den die vorgenannten Monomeren, bezogen auf die Gesamtmenge der
zu polymerisierenden Monomeren, häufig in Mengen von 0,5 bis
10 Gew.-% einpolymerisiert.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren beträgt der Gewichtsanteil des
wenigstens einen ethylenisch ungesättigten Monomeren, bezogen auf
das Gesamtgewicht des wenigstens einen feinteiligen anorganischen
Feststoffs und dem zur Polymerisation eingesetzten wenigstens
einen ethylenisch ungesättigten Monomeren, in der Regel zwischen
10 und 99 Gew.-%, häufig zwischen 25 und 90 Gew.-% und oft zwi
schen 40 und 80 Gew.-%. Erfindungsgemäß kann eine Teil- oder die
Gesamtmenge des wenigstens einen Monomeren gemeinsam mit dem we
nigstens einen feinteiligen anorganischen Feststoff im Reaktions
medium vorgelegt und die gegebenenfalls verbliebene Restmenge
nach Maßgabe des Verbrauchs während der radikalischen Emulsions
polymerisation kontinuierlich oder diskontinuierlich zugegeben
werden. Es ist aber auch möglich, gegebenenfalls lediglich eine
Teilmenge des wenigstens einen Monomeren in der wässrigen Fest
stoffdispersion vorzulegen und dann während der radikalischen
Emulsionspolymerisation die Gesamtmenge bzw. die gegebenenfalls
verbliebene Restmenge nach Maßgabe des Verbrauchs kontinuierlich
oder diskontinuierlich zuzugeben.
Als wenigstens ein radikalischer Polymerisationsinitiator kommen
für die erfindungsgemäße radikalische wässrige Emulsionspolymeri
sation alle diejenigen in Betracht, die in der Lage sind, eine
radikalische wässrige Emulsionspolymerisation im Beisein des
wenigstens eines feinteiligen anorganischen Feststoffes auszulö
sen. Es kann sich dabei prinzipiell sowohl um Peroxide als auch
um Azoverbindungen handeln. Selbstverständlich kommen auch Redox
initiatorsysteme in Betracht. Als Peroxide können prinzipiell an
organische Peroxide, wie Wasserstoffperoxid oder Peroxodisulfate,
wie die Mono- oder Di-Alkalimetall- oder Ammoniumsalze der Per
oxodischwefelsäure, beispielsweise die Mono- und Di-Natrium-,
-Kalium- oder Ammoniumsalze oder organische Peroxide, wie Alkyl
hydroperoxide, beispielsweise tert.-Butyl-, p-Mentyl- oder Cumyl
hydroperoxid, sowie Dialkyl- oder Diarylperoxide, wie Di-tert.-
Butyl- oder Di-Cumylperoxid eingesetzt werden. Als Azoverbindung
finden im wesentlichen 2,2'-Azobis(isobutyronitril), 2,2'-Azo
bis(2,4-dimethylvaleronitril) und 2,2'-Azobis(amidinopropyl)-
dihydrochlorid (AIBA, entspricht dem Verkaufsprodukt V-50 von
Wako Chemicals) Verwendung. Als Oxidationsmittel für Redox
initiatorsysteme kommen im wesentlichen die oben genannten Per
oxide in Betracht. Als entsprechende Reduktionsmittel können
Schwefelverbindungen mit niedriger Oxidationsstufe, wie Alkali
sulfite, beispielsweise Kalium- und/oder Natriumsulfit, Alkalihy
drogensulfite, beispielsweise Kalium- und/oder Natriumhydrogen
sulfit, Alkalimetabisulfite, beispielsweise Kalium- und/oder
Natriummetabisulfit, Formaldehydsulfoxylate, beispielsweise
Kalium- und/oder Natriumformaldehydsulfoxylat, Alkalisalze, spe
ziell Kalium- und/oder Natriumsalze aliphatische Sulfinsäuren und
Alkalimetallhydrogensulfide, wie beispielsweise Kalium- und/oder
Natriumhydrogensulfid, Salze mehrwertiger Metalle, wie Ei
sen-(II)-sulfat, Eisen-(II)-/Ammoniumsulfat, Eisen-(II)-phosphat,
Endiole, wie Dihydroxymaleinsäure, Benzoin und/oder Ascorbinsäure
sowie reduzierende Saccharide, wie Sorbose, Glucose, Fructose
und/oder Dihydroxyaceton eingesetzt werden. In der Regel beträgt
die Menge des eingesetzten radikalischen Polymerisations
initiators, bezogen auf die Gesamtmenge der zu polymerisierenden
Monomeren, 0,1 bis 2 Gew.-%.
Als wenigstens ein radikalischer Polymerisationsinitiator, dessen
radikalerzeugende Komponente wenigstens eine negative elektrische
Ladung aufweist, seien beispielhaft Peroxodisulfate, wie die
Mono- oder Di-Alkalimetall- oder Ammoniumsalze der Peroxodi
schwefelsäure, beispielsweise die Mono- und Di-Natrium-, -Kalium-
oder Ammoniumsalze sowie Wasserstoffperoxid in alkalischem Medium
genannt.
Als wenigstens ein radikalischer Polymerisationsinitiator, dessen
radikalerzeugende Komponente wenigstens eine positive elektrische
Ladung aufweist, sei beispielhaft AIBA genannt.
Erfindungsgemäß kann eine Teil- oder die Gesamtmenge des wenig
stens einen radikalischen Polymerisationsinitiators gemeinsam mit
dem wenigstens einen feinteiligen anorganischen Feststoff im
Reaktionsmedium vorgelegt und die gegebenenfalls verbliebene
Restmenge nach Maßgabe des Verbrauchs während der radikalischen
Emulsionspolymerisation kontinuierlich oder diskontinuierlich zu
gegeben werden. Es ist aber auch möglich, gegebenenfalls ledig
lich eine Teilmenge des wenigstens einen radikalischen
Polymerisationsinitiators in der wässrigen Feststoffdispersion
vorzulegen und dann während der erfindungsgemäßen radikalischen
Emulsionspolymerisation die Gesamtmenge bzw. die gegebenenfalls
verbliebene Restmenge nach Maßgabe des Verbrauchs kontinuierlich
oder diskontinuierlich zuzugeben.
Als Reaktionstemperatur für die erfindungsgemäße radikalische
wässrige Emulsionspolymerisation im Beisein des wenigstens einen
feinteiligen anorganischen Feststoffes kommt der gesamte Bereich
von 0 bis 170°C in Betracht. Dabei werden in der Regel Temperatu
ren von 50 bis 120°C, häufig 60 bis 110°C und oft ≧ 70 bis 100°C
angewendet. Die erfindungsgemäße radikalische wässrige Emulsions
polymerisation kann bei einem Druck kleiner, gleich oder größer
1 bar (absolut) durchgeführt werden, so daß die Polymerisations
temperatur 100°C übersteigen und bis zu 170°C betragen kann.
Vorzugsweise werden leichtflüchtige Monomere wie Ethylen,
Butadien oder Vinylchlorid unter erhöhtem Druck polymerisiert.
Dabei kann der Druck 1, 2, 1,5, 2, 5, 10, 15 bar oder noch höhere
Werte einnehmen. Werden Emulsionspolymerisationen im Unterdruck
durchgeführt, werden Drücke von 950 mbar, häufig von 900 mbar und
oft 850 mbar (absolut) eingestellt. Vorteilhaft wird die
erfindungsgemäße radikalische wässrige Emulsionspolymerisation
bei 1 bar (absolut) unter Inertgasatmosphäre, wie beispielsweise
unter Stickstoff oder Argon durchgeführt.
Das wässrige Reaktionsmedium kann prinzipiell auch wasserlösliche
organische Lösungsmittel, wie beispielsweise Methanol, Ethanol,
Isopropanol, Butanole, Pentanole, etc. umfassen. Bevorzugt wird
das erfindungsgemäße Verfahren jedoch in Abwesenheit solcher
Lösungsmittel durchgeführt.
Erfindungswesentlich ist, daß die dispergierten Feststoffteilchen
des wenigstens einen anorganischen Feststoffes unter den oben be
schriebenen Bedingungen eine von Null verschiedene elektrophore
tische Mobilität aufweisen, deren Vorzeichen entgegengesetzt der
wenigstens einen elektrischen Ladung der radikalerzeugenden
Komponente des wenigstens einen radikalischen Polymerisations
initiators und/oder der dispergierend wirkenden Komponente des
wenigstens einen Dispergiermittels ist. Liegt demnach wenigstens
ein feinteiliger anorganischer Feststoff vor, dessen dispergierte
Feststoffteilchen eine elektrophoretische Mobilität mit negativem
Vorzeichen aufweisen, so erfolgt die erfindungsgemäße radi
kalische wässrige Emulsionspolymerisation mit wenigstens einem
Dispergiermittel, dessen dispergierend wirkende Komponente wenig
stens eine positive Ladung aufweist und/oder mit wenigstens einem
radikalischen Polymerisationsinitiator, dessen radikalerzeugende
Komponente eine positive elektrische Ladung trägt. Liegt dagegen
im erfindungsgemäßen Verfahren wenigstens ein feinteiliger anor
ganischer Feststoff vor, dessen dispergierte Feststoffteilchen
eine elektrophoretische Mobilität mit positivem Vorzeichen auf
weisen, so erfolgt die erfindungsgemäße radikalische wässrige
Emulsionspolymerisation mit wenigstens einem Dispergiermittel,
dessen dispergierend wirkende Komponente wenigstens eine negative
Ladung trägt und/oder mit wenigstens einem radikalischen Poly
merisationsinitiator, dessen radikalerzeugende Komponente eine
negative elektrische Ladung aufweist.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann beispielsweise so ausgeübt
werden, daß man eine stabile wässrige Dispersion des wenigstens
einen feinteiligen anorganischen Feststoffs, enthaltend entweder
eine Teil- oder die Gesamtmenge des benötigten Wassers, des be
nötigten wenigstens einen Dispergiermittels, des wenigstens einen
Polymerisationsinitiators und/oder des wenigstens einen
ethylenisch ungesättigten Monomeren sowie der gegebenenfalls wei
teren üblichen Hilfs- und Zusatzstoffe in einem Reaktionsbehälter
vorlegt und den Inhalt des Reaktionsbehälters auf Reaktionstempe
ratur aufheizt. Bei dieser Temperatur werden unter Rühren die ge
gebenenfalls verbliebenen Restmengen des Wassers, des wenigstens
einen Dispergiermittels, des wenigstens einen Polymerisations
initiators und/oder des wenigstens einen ethylenisch unge
sättigten Monomeren sowie der gegebenenfalls weiteren üblichen
Hilfs- und Zusatzstoffe kontinuierlich oder diskontinuierlich
zugesetzt und anschließend gegebenenfalls noch weiter auf
Reaktionstemperatur gehalten.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann aber auch so durchgeführt
werden, daß man eine stabile wässrige Dispersion des wenigstens
einen feinteiligen anorganischen Feststoffs, enthaltend entweder
eine Teil- oder die Gesamtmenge des benötigten Wassers, des
wenigstens einen Dispergiermittels und/oder der gegebenenfalls
weiteren üblichen Hilfs- und Zusatzstoffe und gegebenenfalls eine
Teilmenge des wenigstens einen ethylenisch ungesättigten Monome
ren und des wenigstens einen Polymerisationsinitiators in einem
Reaktionsbehälter vorlegt und den Inhalt des Reaktionsbehälters
auf Reaktionstemperatur aufheizt. Bei dieser Temperatur wird
unter Rühren die Gesamt- oder die gegebenenfalls verbliebene
Restmenge des wenigstens einen ethylenisch ungesättigten Mono
meren und des wenigstens einen Polymerisationsinitiators sowie
die gegebenenfalls verbliebenen Restmengen des Wassers, des
wenigstens einen Dispergiermittels und/oder der gegebenenfalls
weiteren üblichen Hilfs- und Zusatzstoffe kontinuierlich oder
diskontinuierlich zugesetzt und anschließend gegebenenfalls
weiter auf Reaktionstemperatur gehalten.
Die erfindungsgemäß zugänglichen Kompositpartikel besitzen in der
Regel Teilchendurchmesser von ≦ 5000 nm, häufig ≦ 1000 nm und oft
≦ 400 nm. Die Bestimmung der Teilchendurchmesser erfolgt
üblicherweise durch transmissionselektronenmikroskopische Unter
suchungen (vgl. z. B. L. Reimer, Transmission Electron Microscopy,
Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, 1989; D. C. Joy, The Basic
Principles of EELS in Principles of Analytical Electron Micro
skopy, herausgegeben von D. C. Joy, A. D. Romig, Jr. und J. I. Gold
stein, Plenum Press, New York, 1986; L. C. Sawyer und D. T. Grupp,
Polymer Microscopy, Chapman and Hall, London, 1987).
Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhältlichen Komposit
partikel können unterschiedliche Strukturen aufweisen. Häufig
werden Kompositpartikel mit himbeerförmigem Aufbau erhalten. Die
erfindungsgemäßen Kompositpartikel können ein oder mehrere der
feinteiligen Feststoffteilchen enthalten. Die feinteiligen Fest
stoffteilchen können vollständig von der Polymermatrix umhüllt
sein. Es ist aber auch möglich, daß ein Teil der feinteiligen
Feststoffteilchen von der Polymermatrix umhüllt ist, während ein
anderer Teil auf der Oberfläche der Polymermatrix angeordnet ist.
Selbstverständlich ist es auch möglich, daß ein Großteil der
feinteiligen Feststoffpartikel auf der Oberfläche der Polymer
matrix gebunden ist. Zu beachten ist, daß es in Einzelfällen, ab
hängig von der Feststoffkonzentration der dispergierten Komposit
partikel, auch zu einer Teilagglomeration der Kompositpartikel
kommen kann.
Selbstverständlich können die nach Abschluß der Hauptpolymerisa
tionsreaktion in der wässrigen Dispersion der Kompositpartikel
verbliebenen Monomerenrestmengen durch Dampf- und/oder Inertgas
strippung und/oder durch chemische Desodorierung, wie sie
beispielsweise in den Schriften DE-A 44 19 518, EP-A 767 180 oder
DE-A 38 34 734 beschrieben sind, entfernt werden, ohne daß sich
die Eigenschaften der wässrigen Kompositpartikeldispersion nach
teilig verändern.
Wässrige Dispersionen von Kompositpartikeln, welche nach dem be
schriebenen erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden,
eignen sich als Rohstoffe zur Herstellung von Klebstoffen, wie
beispielsweise Haftklebstoffen, Bauklebstoffen oder Industrie
klebstoffen, Bindemitteln, wie beispielsweise für die Papier
streicherei, Dispersionsfarben oder für Druckfarben und Druck
lacke zum Bedrucken von Kunststofffolien, zur Herstellung von
Vliesstoffen sowie zur Herstellung von Schutzschichten und
Wasserdampfsperren, wie beispielsweise bei der Grundierung.
Ferner lassen sich die dem erfindungsgemäßen Verfahren zugäng
lichen Kompositpartikeldispersionen auch zur Modifizierung von
Zement- und Mörtelformulierungen nutzen. Die nach dem erfindungs
gemäßen Verfahren zugänglichen Kompositpartikel lassen sich
prinzipiell auch in der medizinischen Diagnostik sowie in anderen
medizinischen Anwendungen einsetzen (vgl. z. B. K. Mosbach und
L. Andersson, Nature, 1977, 270, Seiten 259 bis 261;
P. L. Kronick, Science 1978, 200, Seiten 1074 bis 1076;
US-A 4,157,323). Darüber hinaus lassen sich die Kompositpartikel
auch als Katalysatoren in verschiedenen wässrigen Dispersions
systemen einsetzen.
Auch sei festgehalten, daß die erfindungsgemäß erhältlichen
wässrigen Dispersionen von Kompositpartikeln in einfacher Weise
zu redispergierbaren Kompositpartikelpulvern trockenbar sind
(z. B. Gefriertrocknung oder Sprühtrocknung). Dies gilt ins
besondere dann, wenn die Glasübergangstemperatur der Polymer
matrix der erfindungsgemäß zugänglichen Kompositpartikel ≧ 50°C,
vorzugsweise ≧ 60°C, besonders bevorzugt ≧ 70°C, ganz besonders
bevorzugt ≧ 80°C und insbesondere bevorzugt ≧ 90°C bzw. ≧ 100°C
beträgt. Die Kompositpartikelpulver eignen sich u. a. als Additive
für Kunststoffe, Komponenten für Tonerformulierungen oder Zusatz
stoffe in elektrophotographischen Anwendungen.
Für die folgenden Beispiele wurde als feinteiliger anorganischer
Feststoff Siliziumdioxid, Zinn-(IV)-oxid, Yttrium-(III)-oxid und
Cer-(IV)-oxid verwendet. Exemplarisch eingesetzt wurden die kom
merziell verfügbaren Siliziumdioxidsole Nyacol® 2040 (20 nm),
Nyacol® 2034 DI (20 nm) und Nyacol® 830 (10 nm) der Firma Akzo-
Nobel sowie Ludox® HS30 (12 nm) der Firma Dupont. Ebenfalls ein
gesetzt wurden Nyacol® SN15 [Zinn-(IV)-oxid] (10 bis 15 nm),
Nyacol® YTTRIA [Yttrium-(III)-oxid] (10 nm) und Nyacol® CEO2
{ACT} [Cer-(IV)-oxid] (10 bis 20 nm). Die in runden Klammern
angegebenen Werte entsprechen den Durchmessern der jeweiligen
anorganischen Feststoffteilchen nach Herstellerangaben.
In einem 500 ml Vierhalskolben, ausgerüstet mit einem Rückfluß
kühler, einem Thermometer, einem mechanischem Rührer sowie einer
Dosiervorrichtung, wurden unter Stickstoffatmosphäre bei 20°C und
1 bar (absolut) 90 g entionisiertes und sauerstofffreies Wasser
sowie 0,08 g CTAB vorgelegt und unter Rühren (250 Umdrehungen pro
Minute) zuerst 20 g Nyacol® 2040 (mit einem Siliziumdioxidfest
stoffgehalt von 40 Gew.-%) und dann 5 g Styrol zugegeben und an
schließend auf eine Reaktionstemperatur von 75°C aufgeheizt. Der
pH-Wert dieses wässrigen Reaktionsmediums, gemessen bei 20°C und
1 bar (absolut), betrug 8,6.
Dem gerührten Reaktionsmedium wurden bei Reaktionstemperatur
0,1 g Ammoniumperoxodisulfat, gelöst in 10 g entionisiertem und
sauerstofffreiem Wasser zugesetzt. Die gerührte Reaktionsmischung
wurde noch 3,5 Stunden auf Reaktionstemperatur gehalten und an
schließend auf Raumtemperatur abgekühlt.
Die so erhaltene Kompositpartikeldispersion wies einen Feststoff
gehalt von 12,2 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der
wässrigen Kompositpartikeldispersion, auf. Transmissionselektro
nenmikroskopische Untersuchungen (vgl. z. B. L. Reimer, Trans
mission Electron Microscopy, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg,
1989; D. C. Joy, The Basic Principles of EELS in Principles of
Analytical Electron Microskopy, herausgegeben von D. C. Joy,
A. D. Romig, Jr. und J. I. Goldstein, Plenum Press, New York, 1986;
L. C. Sawyer und D. T. Grupp, Polymer Microscopy, Chapman and Hall,
London, 1987) wiesen himbeerförmige Kompositpartikel mit einem
Durchmesser von etwa 100 nm auf. Freie Siliziumdioxidteilchen
ließen sich praktisch nicht nachweisen.
Die Vorzeichenbestimmung der elektrophoretischen Mobilität er
folgte bei den feinteiligen anorganischen Feststoffen generell
mittels des Zetasizer 3000 der Fa. Malvern Instruments Ltd.
Hierzu verdünnte man die feinteilige anorganische Feststoff
dispersion mit pH-neutraler 10 mM Kaliumchlorid-Lösung (Standard
kaliumchlorid-Lösung) soweit, daß deren Feststoffteilchenkonzen
tration zwischen 50 und 100 mg pro Liter lag. Mittels verdünnter
Salzsäure oder verdünnter Natronlauge stellte man den pH-Wert
ein, den das wässrige Reaktionsmedium unmittelbar vor Zugabe des
Polymerisationsinitiators aufwies.
Mittels verdünnter Salzsäure stellte man bei der auf 60 mg/l
Siliziumdioxidfeststoffgehalt verdünnten Nyacol® 2040-Dispersion
einen pH-Wert von 8,6 ein. Die elektrophoretische Mobilität der
Siliziumdioxidteilchen in Nyacol® 2040 wies ein negatives Vorzei
chen auf.
Der Feststoffgehalt wurde generell bestimmt, indem ca. 1 g der
Kompositpartikeldispersion in einem offenen Aluminiumtiegel mit
einem Innendurchmesser von ca. 3 cm in einem Trockenschrank
2 Stunden bei 150°C getrocknet wurde. Zur Bestimmung des Fest
stoffgehalts wurden jeweils zwei separate Messungen durchgeführt
und der entsprechende Mittelwert gebildet.
Unter Stickstoffatmosphäre wurden bei 20°C und 1 bar (absolut)
60 g entionisiertes und sauerstofffreies Wasser sowie 1,5 g 1 M
Salzsäure in einem 500 ml Vierhalskolben vorgelegt und unter Rüh
ren (250 Umdrehungen pro Minute) 20 g Nyacol® 2040 zugegeben. An
schließend stellte man die wässrige Phase mit 1,62 g 1 M Salz
säure auf pH 2,5 ein und füllte sie mit Wasser, das mit 1 M Salz
säure auf pH 2,5 eingestellt worden war, auf 100 g auf. Danach
heizte man das Reaktionsgemisch auf eine Reaktionstemperatur von
75°C auf. Der pH-Wert dieser wässrigen Phase, gemessen bei Raum
temperatur, betrug 2,5.
Parallel stellte man eine wässrige Emulsion, bestehend aus 20 g
Styrol, 80 g entionisiertem und sauerstofffreiem Wasser sowie
0,2 g CTAB her (Zulauf 1). Eine Initiatorlösung wurde aus 0,45 g
Ammoniumperoxodisulfat und 44,55 g entionisiertem und sauerstoff
freiem Wasser hergestellt (Zulauf 2).
Bei Reaktionstemperatur wurden dem gerührten Reaktionsmedium 5 g
von Zulauf 2 zugegeben. Nach Ablauf von 5 Minuten und zeitgleich
beginnend, dosierte man dem gerührten Reaktionsmedium bei Reakti
onstemperatur den Zulauf 1 über 2 Stunden und den Rest von Zulauf
2 über 2,5 Stunden zu. Anschließend rührte man das Reaktionsge
misch noch 1 Stunde bei Reaktionstemperatur und kühlte dann auf
Raumtemperatur ab.
Die so erhaltene Kompositpartikeldispersion wies einen Feststoff
gehalt von 10,4 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der
wässrigen Kompositpartikeldispersion, auf. Das Vorliegen von him
beerförmigen Kompositpartikeln mit einem Durchmesser von etwa
160 bis 240 nm wurde mittels transmissionselektronenmikros
kopischer Untersuchungen nachgewiesen. Freie Siliziumdioxidteil
chen ließen sich nur in Spuren nachweisen.
Die Siliziumdioxidteilchen wiesen bei pH 2,5 eine elektrophoreti
sche Mobilität mit negativem Vorzeichen auf.
Die Arbeitsweise von Beispiel 2 wurde wiederholt mit der Aus
nahme, daß beim wässrigen Reaktionsmedium ein pH-Wert von 5 ein
gestellt wurde. Die Vorlage stellte man dabei auf folgende Weise
her: 60 g entionisiertes und sauerstofffreies Wasser sowie 1,5 g
1 M Salzsäure wurden vorgelegt und unter Rühren (250 Umdrehungen
pro Minute) 20 g Nyacol® 2040 zugegeben. Anschließend stellte man
die wässrige Phase mit 1,01 g 1 M Salzsäure auf pH 5 ein und
füllte sie mit Wasser, das mit 1 M Salzsäure auf pH 5 eingestellt
worden war, auf 100 g auf.
Die so erhaltene Kompositpartikeldispersion wies einen Feststoff
gehalt von 11,6 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der wässri
gen Kompositpartikeldispersion, auf. Transmissionselektronenmi
kroskopische Untersuchungen belegen das Vorliegen von himbeer
förmigen Kompositpartikeln mit einem Durchmesser von etwa 180 bis
240 nm. Freie Siliziumdioxidteilchen konnten praktisch nicht
nachgewiesen werden.
Bei einem pH-Wert von 5 wiesen die Siliziumdioxidteilchen eine
elektrophoretische Mobilität mit negativem Vorzeichen auf.
Die Arbeitsweise von Beispiel 2 wurde wiederholt mit der Aus
nahme, daß beim wässrigen Reaktionsmedium ein pH-Wert von 7 ein
gestellt wurde und man als Polymerisationsinitiator anstelle von
0,45 g Ammoniumperoxodisulfat 0,45 g Natriumperoxodisulfat einge
setzte. Außerdem wurde die Reaktionstemperatur von 75 auf 85°C an
gehoben. Die Reaktionsvorlage wurde auf folgende Weise herge
stellt: 60 g entionisiertes und sauerstofffreies Wasser sowie 1,5 g
1 M Salzsäure wurden vorgelegt und unter Rühren (250 Umdrehun
gen pro Minute) 20 g Nyacol® 2040 zugegeben. Anschließend stellte
man die wässrige Phase mit 0,5 g 1 M Salzsäure auf pH 7 ein und
füllte sie mit Wasser, das mit 1 M Salzsäure auf pH 7 eingestellt
worden war, auf 100 g auf.
Von der erhaltenen Kompositpartikeldispersion wurde einen Fest
stoffgehalt von 11,2 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der
wässrigen Kompositpartikeldispersion, bestimmt. Mittels transmis
sionselektronenmikroskopische Untersuchungen wurden himbeerför
mige Kompositpartikel mit einem Durchmesser von etwa 150 bis
190 nm nachgewiesen. Freie Siliziumdioxidteilchen konnten prak
tisch nicht nachwiesen werden.
Bei einem pH-Wert von 7 wiesen die Siliziumdioxidteilchen eine
elektrophoretische Mobilität mit negativem Vorzeichen auf.
Beispiel 2 wurde wiederholt mit der Ausnahme, daß anstelle von
20 g Styrol ein Monomerengemisch bestehend aus 10 g Styrol und
10 g 2-Ethylhexylacrylat und anstelle von 0,2 g CTAB 0,4 g CTAB
sowie als Polymerisationsinitiator anstelle von 0,45 g Ammonium
peroxodisulfat 0,45 g Natriumperoxodisulfat eingesetzt wurden.
Die Reaktionstemperatur wurde außerdem von 75 auf 85°C angehoben.
Die gebildete Kompositpartikeldispersion wies einen Feststoff
gehalt von 11,8 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der
wässrigen Kompositpartikeldispersion, auf. Mittels transmissions
elektronenmikroskopischer Untersuchungen wurden himbeerförmige
Kompositpartikel mit einem Durchmesser von etwa 300 nm nachge
wiesen. Freie Siliziumdioxidteilchen ließen sich praktisch nicht
nachweisen.
Beispiel 2 wurde wiederholt mit der Ausnahme, daß anstelle von
20 g Styrol 20 g Methylmethacrylat (MMA) und als Polymerisati
onsinitiator anstelle von 0,45 g Ammoniumperoxodisulfat 0,45 g
Natriumperoxodisulfat eingesetzt wurden. Die Reaktionstemperatur
wurde außerdem von 75 auf 85°C angehoben.
Die gebildete Kompositpartikeldispersion wies einen Feststoff
gehalt von 11,2 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der wässri
gen Kompositpartikeldispersion, auf. Himbeerförmige Kompositpar
tikel mit einem Durchmesser von etwa 80 bis 140 nm ließen sich
durch transmissionselektronenmikroskopische Messungen nachweisen.
Freie Siliziumdioxidteilchen konnten praktisch nicht nachgewiesen
werden.
Beispiel 2 wurde wiederholt mit der Ausnahme, daß anstelle von
20 g Styrol ein Monomerengemisch bestehend aus 10 g MMA und 10 g
n-Butylacrylat eingesetzt wurde.
Die so erhaltene Kompositpartikeldispersion wies einen Feststoff
gehalt von 11,6 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der
wässrigen Kompositpartikeldispersion, auf. Über transmissionse
lektronenmikroskopische Messungen konnten himbeerförmige Kompo
sitpartikel mit einem Durchmesser von etwa 200 bis 400 nm nachge
wiesen werden. Freie Siliziumdioxidteilchen wurden praktisch
nicht nachgewiesen.
Unter Stickstoffatmosphäre wurden bei 20°C und 1 bar (absolut)
40 g entionisiertes und sauerstofffreies Wasser sowie 1,5 g 1 M
Salzsäure in einem 500 ml Vierhalskolben vorgelegt und unter Rüh
ren (250 Umdrehungen pro Minute) 40 g Nyacol® 2040 zugegeben. An
schließend stellte man die wässrige Phase mit 4 g 1 M Salzsäure
auf pH 2,5 ein und füllte sie mit Wasser, das mit 1 M Salzsäure
auf pH 2,5 eingestellt worden war, auf 100 g auf. Danach heizte
man das Reaktionsgemisch auf eine Reaktionstemperatur von 75°C
auf.
Parallel stellte man eine wässrige Emulsion, bestehend aus 20 g
Styrol, 20 g n-Butylacrylat, 60 g entionisiertem und sauerstoff
freiem Wasser sowie 0,2 g CTAB her (Zulauf 1). Eine Initiator
lösung wurde aus 0,45 g Ammoniumperoxodisulfat und 45 g entioni
siertem und sauerstofffreiem Wasser hergestellt (Zulauf 2).
Bei Reaktionstemperatur wurden dem gerührten Reaktionsmedium 5 g
von Zulauf 2 zugegeben. Nach Ablauf von 5 Minuten und zeitgleich
beginnend, dosierte man dem gerührten Reaktionsmedium bei Reakti
onstemperatur den Zulauf 1 über 2 Stunden und den Rest von Zulauf
2 über 2,5 Stunden zu. Anschließend rührte man das Reaktionsge
misch noch 1 Stunde bei Reaktionstemperatur und kühlte dann auf
Raumtemperatur ab.
Die gebildete Kompositpartikeldispersion wies einen Feststoff
gehalt von 22,4 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der
wässrigen Kompositpartikeldispersion, auf. Transmissionselektro
nenmikroskopische Untersuchungen belegten das Vorliegen himbeer
förmiger Kompositpartikel mit einem Durchmesser von etwa 240 nm.
Freie Siliziumdioxidteilchen konnten praktisch nicht nachgewiesen
werden.
Unter Stickstoffatmosphäre wurden bei 20°C und 1 bar (absolut)
15 g entionisiertes und sauerstofffreies Wasser sowie 1,5 g 1 M
Salzsäure in einem 500 ml Vierhalskolben vorgelegt und unter Rüh
ren (250 Umdrehungen pro Minute) 73,5 g Nyacol® 2040 zugegeben.
Anschließend stellte man die wässrige Phase mit 8,24 g 1 M Salz
säure auf pH 2,5 ein und füllte sie mit Wasser, das mit 1 M Salz
säure auf pH 2,5 eingestellt worden war, auf 100 g auf. Anschlie
ßend heizte man das Reaktionsgemisch auf eine Reaktionstemperatur
von 75°C auf.
Parallel stellte man eine wässrige Emulsion, bestehend aus 34,3 g
Styrol, 34,3 g n-Butylacrylat, 31,4 g entionisiertem und sauer
stofffreiem Wasser sowie 0,4 g CTAB her (Zulauf 1). Eine
Initiatorlösung wurde aus 1,58 g Ammoniumperoxodisulfat und 45 g
entionisiertem und sauerstofffreiem Wasser hergestellt (Zu
lauf 2).
Bei Reaktionstemperatur wurden dem gerührten Reaktionsmedium 5 g
von Zulauf 2 zugegeben. Nach Ablauf von 5 Minuten und zeitgleich
beginnend, dosierte man dem gerührten Reaktionsmedium bei Reakti
onstemperatur den Zulauf 1 über 2 Stunden und den Rest von Zulauf
2 über 2,5 Stunden zu. Anschließend rührte man das Reaktionsge
misch noch 1 Stunde bei Reaktionstemperatur und kühlte dann auf
Raumtemperatur ab.
Von der gebildeten Kompositpartikeldispersion wurde einen Fest
stoffgehalt von 40,0 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der
wässrigen Kompositpartikeldispersion, bestimmt. Mittels transmis
sionselektronenmikroskopische Messungen konnten himbeerförmige
Kompositpartikel mit einem Durchmesser von etwa 270 nm nachgewie
sen werden. Freie Siliziumdioxidteilchen waren praktisch nicht
nachweisbar.
Unter Stickstoffatmosphäre wurden bei 20°C und 1 bar (absolut)
50 g entionisiertes und sauerstofffreies Wasser sowie 1,5 g 1 M
Salzsäure in einem 500 ml Vierhalskolben vorgelegt und unter Rüh
ren (250 Umdrehungen pro Minute) 26,7 g Nyacol® 830 (mit einem
Siliziumdioxidfeststoffgehalt von 30 Gew.-%) zugegeben. Anschlie
ßend stellte man die wässrige Phase mit 4,06 g 1 M Salzsäure auf
pH 2,5 ein und füllte sie mit Wasser, das mit 1 M Salzsäure auf
pH 2,5 eingestellt worden war, auf 100 g auf. Anschließend heizte
man das Reaktionsgemisch auf eine Reaktionstemperatur von 85°C
auf. Der, pH-Wert dieser wässrigen Phase, gemessen bei Raumtempe
ratur, betrug 2,5.
Parallel stellte man eine wässrige Emulsion, bestehend aus 20 g
Styrol, 80 g entionisiertem und sauerstofffreiem Wasser sowie
0,2 g CTAB her (Zulauf 1). Eine Initiatorlösung wurde aus 0,45 g
Natriumperoxodisulfat und 45 g entionisiertem und sauerstoff
freiem Wasser hergestellt (Zulauf 2).
Bei Reaktionstemperatur wurden dem gerührten Reaktionsmedium 5 g
von Zulauf 2 zugegeben. Nach Ablauf von 5 Minuten und zeitgleich
beginnend, dosierte man dem gerührten Reaktionsmedium bei Re
aktionstemperatur den Zulauf 1 über 2 Stunden und den Rest von
Zulauf 2 über 2,5 Stunden zu. Anschließend rührte man das Re
aktionsgemisch noch 1 Stunde bei Reaktionstemperatur und kühlte
dann auf Raumtemperatur ab.
Die gebildete Kompositpartikeldispersion wies einen Feststoff
gehalt von 11,5 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der
wässrigen Kompositpartikeldispersion, auf. Durch transmissions
elektronenmikroskopische Messungen konnten himbeerförmige Kompo
sitpartikel mit einem Durchmesser von etwa 160 nm nachgewiesen
werden. Freie Siliziumdioxidteilchen ließen sich praktisch nicht
nachweisen.
Die Siliziumdioxidteilchen von Nyacol® 830 wiesen bei einem pH-
Wert von 2,5 eine elektrophoretische Mobilität mit negativem Vor
zeichen auf.
Unter Stickstoffatmosphäre wurden bei 20°C und 1 bar (absolut)
50 g entionisiertes und sauerstofffreies Wasser sowie 1,5 g 1 M
Salzsäure in einem 500 ml Vierhalskolben vorgelegt und unter Rüh
ren (250 Umdrehungen pro Minute) 26,7 g Ludox® HS30 (mit einem
Siliziumdioxidfeststoffgehalt von 30 Gew.-%) zugegeben. Anschlie
ßend stellte man die wässrige Phase mit 1,88 g 1 M Salzsäure auf
pH 2,5 ein und füllte sie mit Wasser, das mit 1 M Salzsäure auf
pH 2,5 eingestellt worden war, auf 100 g auf. Danach heizte man
das Reaktionsgemisch auf eine Reaktionstemperatur von 85°C auf.
Der pH-Wert dieser wässrigen Phase, gemessen bei Raumtemperatur,
betrug 2,5.
Parallel stellte man eine wässrige Emulsion, bestehend aus 10 g
Styrol, 10 g n-Butylacrylat, 80 g entionisiertem und sauerstoff
freiem Wasser sowie 0,2 g CTAB her (Zulauf 1). Eine Initiator
lösung wurde aus 0,45 g Natriumperoxodisulfat und 45 g entioni
siertem und sauerstofffreiem Wasser hergestellt (Zulauf 2).
Bei Reaktionstemperatur wurden dem gerührten Reaktionsmedium 5 g
von Zulauf 2 zugegeben. Nach Ablauf von 5 Minuten und zeitgleich
beginnend, dosierte man dem gerührten Reaktionsmedium bei Reakti
onstemperatur den Zulauf 1 über 2 Stunden und den Rest von Zulauf
2 über 2,5 Stunden zu. Anschließend rührte man das Reaktionsge
misch noch 1 Stunde bei Reaktionstemperatur und kühlte dann auf
Raumtemperatur ab.
Die so zugängliche Kompositpartikeldispersion wies einen Fest
stoffgehalt von 11,2 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der
wässrigen Kompositpartikeldispersion, auf. Transmissionselektro
nenmikroskopische Messungen belegen das Vorliegen von himbeerför
migen Kompositpartikeln mit einem Durchmesser von etwa 260 nm.
Freie Siliziumdioxidteilchen waren praktisch nicht nachweisbar.
Die Siliziumdioxidteilchen von Ludox® HS30 wiesen bei einem
pH-Wert von 2,5 eine elektrophoretische Mobilität mit negativem
Vorzeichen auf.
Unter Stickstoffatmosphäre wurden bei 20°C und 1 bar (absolut)
60 g entionisiertes und sauerstofffreies Wasser sowie 1,5 g 1 M
Salzsäure in einem 500 ml Vierhalskolben vorgelegt und unter Rüh
ren (250 Umdrehungen pro Minute) 20 g Nyacol® 2040 zugegeben. An
schließend stellte man die wässrige Phase mit 1,62 g 1 M Salz
säure auf pH 2,5 ein und füllte sie mit Wasser, das mit 1 M Salz
säure auf pH 2,5 eingestellt worden war, auf 100 g auf. Anschlie
ßend heizte man das Reaktionsgemisch auf eine Reaktionstemperatur
von 85°C auf.
Parallel stellte man eine wässrige Emulsion, bestehend aus 20 g
Styrol, 78 g entionisiertem und sauerstofffreiem Wasser sowie 2 g
einer 20 Gew.-%igen wässrigen Lösung des nichtionischen Emulgators
Lutensol® AT18 (Marke der BASF AG, C16C18-Fettalkoholethoxilat mit
18 Ethylenoxid-Einheiten) her (Zulauf 1). Eine Initiatorlösung
wurde aus 0,45 g AIBA und 45 g entionisiertem und sauerstoff
freiem Wasser hergestellt (Zulauf 2).
Bei Reaktionstemperatur wurden dem gerührten Reaktionsmedium 5 g
von Zulauf 2 zugegeben. Nach Ablauf von 5 Minuten und zeitgleich
beginnend, dosierte man dem gerührten Reaktionsmedium bei Reakti
onstemperatur den Zulauf 1 über 2 Stunden und den Rest von Zulauf
2 über 2,5 Stunden zu. Anschließend rührte man das Reaktionsge
misch noch 1 Stunde bei Reaktionstemperatur und kühlte dann auf
Raumtemperatur ab.
Die gebildete Kompositpartikeldispersion wies einen Feststoff
gehalt von 11,3 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der wässri
gen Kompositpartikeldispersion, auf. Durch transmissionselektro
nenmikroskopische Messungen wurde das Vorliegen von himbeerförmi
gen Kompositpartikeln mit einem Durchmesser von etwa 200 nm be
legt. Freie Siliziumdioxidteilchen waren praktisch nicht nach
weisbar.
Unter Stickstoffatmosphäre wurden bei 20°C und 1 bar (absolut)
46,7 g entionisiertes und sauerstofffreies Wasser sowie
ca. 0,02 g 1 M Natronlauge in einem 500 ml Vierhalskolben vorge
legt und unter Rühren (250 Umdrehungen pro Minute) 53,3 g Nyacol®
SN15 (mit einem Zinndioxidfeststoffgehalt von 15 Gew.-%) zugege
ben. Anschließend heizte man das Reaktionsgemisch auf eine Reak
tionstemperatur von 85°C auf. Der pH-Wert dieser wässrigen Phase,
gemessen bei Raumtemperatur, betrug 10.
Parallel stellte man eine wässrige Emulsion, bestehend aus 20 g
Styrol, 1,5 g 1 M Salzsäure, 78,5 g entionisiertem und sauer
stofffreiem Wasser sowie 0,2 CTAB her (Zulauf 1). Eine Initiator
lösung wurde aus 0,45 g AIBA und 45 g entionisiertem und sauer
stofffreiem Wasser hergestellt (Zulauf 2).
Bei Reaktionstemperatur wurden dem gerührten Reaktionsmedium 5 g
von Zulauf 2 zugegeben. Nach Ablauf von 5 Minuten und zeitgleich
beginnend, dosierte man dem gerührten Reaktionsmedium bei Reakti
onstemperatur den Zulauf 1 über 2 Stunden und den Rest von Zulauf
2 über 2,5 Stunden zu. Anschließend rührte man das Reaktionsge
misch noch 1 Stunde bei Reaktionstemperatur und kühlte dann auf
Raumtemperatur ab.
Die gebildete Kompositpartikeldispersion wies einen Feststoff
gehalt von 10,4 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der wässri
gen Kompositpartikeldispersion, auf. Durch transmissionselektro
nenmikroskopische Messungen konnten himbeerförmige Kompositparti
kel mit einem Durchmesser von etwa 50 bis 230 nm nachgewiesen
werden. Freie Zinndioxidteilchen ließen sich praktisch nicht
nachweisen.
Die Zinndioxidteilchen von Nyacol® SN15 wiesen bei einem pH-Wert
von 10 eine elektrophoretische Mobilität mit negativem Vorzeichen.
auf.
Beispiel 13 wurde wiederholt mit der Ausnahme, daß anstelle von
0,2 g CTAB 0,4 g CTAB und anstelle von 0,45 g AIBA 0,45 g
Natriumperoxodisulfat eingesetzt wurden.
Die so zugängliche Kompositpartikeldispersion wies einen Fest
stoffgehalt von 11,5 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der
wässrigen Kompositpartikeldispersion, auf. Transmissionselektro
nenmikroskopische Messungen belegen das Vorliegen von himbeer
förmigen Kompositpartikeln mit einem Durchmesser von etwa 130 nm.
Freie Zinndioxidteilchen waren praktisch nicht nachweisbar.
Unter Stickstoffatmosphäre wurden bei 20°C und 1 bar (absolut)
76,5 g entionisiertes und sauerstofffreies Wasser sowie 0,01 g
1 M Salzsäure in einem 500 ml Vierhalskolben vorgelegt und unter
Rühren (250 Umdrehungen pro Minute) 23,5 g Nyacol® 2034 DI (mit
einem Siliziumdioxidfeststoffgehalt von 34 Gew.-%) zugegeben. An
schließend heizte man das Reaktionsgemisch auf eine Reaktionstem
peratur von 85°C auf. Der pH-Wert dieser wässrigen Phase, gemessen
bei Raumtemperatur, betrug 3.
Parallel stellte man eine wässrige Emulsion, bestehend aus 20 g
Styrol, 80 g entionisiertem und sauerstofffreiem Wasser sowie
0,44 g einer 45 gew.-%igen wässrigen Lösung des anionischen
Dowfax® 2A1 her (Zulauf 1). Eine Initiatorlösung wurde aus 0,45 g
AIBA und 45 g entionisiertem und sauerstofffreiem Wasser herge
stellt (Zulauf 2).
Bei Reaktionstemperatur wurden dem gerührten Reaktionsmedium 5 g
von Zulauf 2 zugegeben. Nach Ablauf von 5 Minuten und zeitgleich
beginnend, dosierte man dem gerührten Reaktionsmedium bei Reakti
onstemperatur den Zulauf 1 über 2 Stunden und den Rest von Zulauf
2 über 2,5 Stunden zu. Anschließend rührte man das Reaktionsge
misch noch 1 Stunde bei Reaktionstemperatur und kühlte dann auf
Raumtemperatur ab.
Die erhaltene Kompositpartikeldispersion wies einen Feststoff
gehalt von 11,3 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der
wässrigen Kompositpartikeldispersion, auf. Himbeerförmige Kompo
sitpartikel mit einem Durchmesser von etwa 220 bis 430 nm konnten
durch transmissionselektronenmikroskopische Messungen nachgewie
sen werden. Freie Siliziumdioxidteilchen ließen sich praktisch
nicht nachweisen.
Bei einem pH-Wert von 3,0 wiesen die Siliziumdioxidteilchen von
Nyacol® 2034 DI eine elektrophoretische Mobilität mit positivem
Vorzeichen auf.
Beispiel 15 wurde wiederholt mit der Ausnahme, daß anstelle von
0,44 g einer 45 gew.-%igen wässrigen Lösung des anionischen
Dowfax® 2A1 2,0 g einer 20 gew.-%igen wässrigen Lösung des nicht
ionischen Emulgators Lutensol® AT18 und anstelle von 0,45 g AIBA
0,45 g Natriumperoxodisulfat eingesetzt wurden.
Die so zugängliche Kompositpartikeldispersion wies einen Fest
stoffgehalt von 11,7 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der
wässrigen Kompositpartikeldispersion, auf. Transmissionselektro
nenmikroskopische Messungen belegen das Vorliegen von himbeerför
migen Kompositpartikeln mit einem Durchmesser von etwa 150 bis
200 nm. Freie Siliziumdioxidteilchen waren praktisch nicht nach
weisbar.
Unter Stickstoffatmosphäre wurden bei 20°C und 1 bar (absolut)
60 g entionisiertes und sauerstofffreies Wasser sowie 0,01 g 1 M
Salzsäure in einem 500 ml Vierhalskolben vorgelegt und unter Rüh
ren (250 Umdrehungen pro Minute) 40 g Nyacol® CEO2 {ACT} (mit
einem Cerdioxidfeststoffgehalt von 20 Gew.-%) zugegeben. An
schließend heizte man auf eine Reaktionstemperatur von 85°C auf.
Der pH-Wert dieser wässrigen Phase, gemessen bei Raumtemperatur,
betrug 3.
Parallel stellte man eine wässrige Emulsion, bestehend aus 20 g
Styrol, 80 g entionisiertem und sauerstofffreiem Wasser sowie
0,44 g einer 45 gew.-%igen wässrigen Lösung des anionischen
Dowfax® 2A1 her (Zulauf 1). Eine Initiatorlösung wurde aus 0,45 g
AIBA und 45 g entionisiertem und sauerstofffreiem Wasser herge
stellt (Zulauf 2).
Bei Reaktionstemperatur wurden dem gerührten Reaktionsmedium 5 g
von Zulauf 2 zugegeben. Nach Ablauf von 5 Minuten und zeitgleich
beginnend, dosierte man dem gerührten Reaktionsmedium bei Reakti
onstemperatur den Zulauf 1 über 2 Stunden und den Rest von Zulauf
2 über 2,5 Stunden zu. Anschließend rührte man das Reaktionsge
misch noch 1 Stunde bei Reaktionstemperatur und kühlte dann auf
Raumtemperatur ab.
Einen Feststoffgehalt von 11,4 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtge
wicht der wässrigen Kompositpartikeldispersion, wies die so zu
gängliche Kompositpartikeldispersion auf. Durch transmissionselek
tronenmikroskopische Messungen wurden himbeerförmige Kompositpar
tikel mit einem Durchmesser von etwa 130 nm nachgewiesen. Freie
Cerdioxidteilchen konnten praktisch nicht nachgewiesen werden.
Die Cerdioxidteilchen von Nyacol® CEO2 {ACT} wiesen bei einem pH-
Wert von 3,0 eine elektrophoretische Mobilität mit positivem Vor
zeichen auf.
Unter Stickstoffatmosphäre wurden bei 20°C und 1 bar (absolut)
42,9 g entionisiertes und sauerstofffreies Wasser in einem 500 ml
Vierhalskolben vorgelegt und unter Rühren (250 Umdrehungen pro
Minute) 57,1 g Nyacol® YTTRIA (mit einem Yttrium-(III)-oxidfest
stoffgehalt von 14 Gew.-%) zugegeben. Anschließend heizte man das
Reaktionsgemisch auf eine Reaktionstemperatur von 85°C auf. Der
pH-Wert dieser wässrigen Phase, gemessen bei Raumtemperatur, be
trug 7,2.
Parallel stellte man eine wässrige Emulsion, bestehend aus 20 g
Styrol, 80 g entionisiertem und sauerstofffreiem Wasser sowie
0,44 g einer 45 gew.-%igen wässrigen Lösung des anionischen
Dowfax® 2A1 her (Zulauf 1). Eine Initiatorlösung wurde aus 0,45 g
AIBA und 45 g entionisiertem und sauerstofffreiem Wasser herge
stellt (Zulauf 2).
Bei Reaktionstemperatur wurden dem gerührten Reaktionsmedium 5 g
von Zulauf 2 zugegeben. Nach Ablauf von 5 Minuten und zeitgleich
beginnend, dosierte man dem gerührten Reaktionsmedium bei Reakti
onstemperatur den Zulauf 1 über 2 Stunden und den Rest von Zulauf
2 über 2,5 Stunden zu. Anschließend rührte man das Reaktionsge
misch noch 1 Stunde bei Reaktionstemperatur und kühlte dann auf
Raumtemperatur ab.
Die gebildete Kompositpartikeldispersion wies einen Feststoff
gehalt von 13,8 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der
wässrigen Kompositpartikeldispersion, auf. Durch transmissionse
lektronenmikroskopische Messungen wurden himbeerförmige Komposit
partikel mit einem Durchmesser von etwa 60 nm nachgewiesen. Freie
Yttrium-(III)-oxidteilchen ließen sich praktisch nicht nachwei
sen.
Die Yttrium-(III)-oxidteilchen von Nyacol® YTTRIA wiesen bei
einem pH-Wert von 7,2 eine elektrophoretische Mobilität mit
positivem Vorzeichen auf.
Beispiel 2 wurde wiederholt mit der Ausnahme, daß anstelle von
20 g Styrol ein Monomerengemisch bestehend aus 10 g Styrol und
10 g n-Butylacrylat eingesetzt wurden.
Die gebildete Kompositpartikeldispersion wies einen Feststoff
gehalt von 11,3 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der
wässrigen Kompositpartikeldispersion, auf. Mittels transmis
sionselektronenmikroskopische Untersuchungen wurden himbeerför
mige Kompositpartikel mit einem Durchmesser von etwa 180 bis
300 nm nachgewiesen. Freie Siliziumdioxidteilchen ließen sich
praktisch nicht nachweisen.
Zentrifugieren der Kompositpartikeldispersion (3000 Umdrehungen
pro Minute, Dauer 20 Minuten) führte zur vollständigen Sedimenta
tion der Kompositpartikel. Das überstehende wässrige Reaktionsme
dium war wasserklar. In diesem wasserklaren Reaktionsmedium
konnten auch mittels transmissionselektronenmikroskopischer Un
tersuchungen praktisch keine freien Siliziumdioxidteilchen nach
gewiesen werden. Eindampfen der wasserklaren Lösung bei 150°C bis
zur Gewichtskonstanz ergab einen Trockenrückstand von
0,28 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der wasserklaren
Lösung. (Falls die Gesamtmenge an Siliziumdioxidteilchen im Serum
frei vorläge, wäre ein Trockenrückstand von 3,3 Gew.-% zu erwar
ten. Demnach sind mindestens 92 Gew.-% der Siliziumdioxidteilchen
in Kompositpartikeln gebunden. Der tatsächliche Anteil der gebun
denen Siliziumdioxidteilchen liegt jedoch über diesem Wert, da
vernachlässigt wurde, daß im Serum neben den freien Silizium
dioxidteilchen noch Salz aus der Neutralisation der Silizium
dioxidteilchen, Emulgator und Initiatorzerfallsprodukte vorlie
gen, deren Mengen nicht exakt zu berechnen sind).
Mittels einer Analytischen Ultrazentrifuge (vgl. hierzu S. E. Har
ding et al., Analytical Ultracentrifugation in Biochemistry and
Polymer Science, Royal Society of Chemistry, Cambridge, Great
Britain 1992, Chapter 10, Analysis of Polymer Dispersions with an
Eight-Cell-AUC-Multiplexer: High Reslution Particle Size Distri
bution and Density Gradient Techniques, W. Mächtle, Seiten 147
bis 175) wurde für die Kompositpartikel eine mittlere Dichte von
1,22 g/cm3 ermittelt. Im Vergleich dazu beträgt die Dichte des
reinen Styrol/n-Butylacrylat-Copolymers (Styrol und n-Butyl
acrylat im Gewichtsverhältnis 1 zu 1) lediglich 1,055 g/cm3
(E. Penzel, Polyacrylates, in Ullmann's Encyclopedia of
Industrial Chemistry, Vol. A 21, Seite 169).
Beispiel 19 wurde wiederholt mit der Ausnahme, daß anstelle von
0,2 g des kationischen Emulgators CTAB 0,44 g einer 45 gew.-%igen
Lösung des anionischen Emulgators Dowfax® 2A1 eingesetzt wurden.
Das erhaltene trübe Reaktionsgemisch wurde mittels transmissions
elektronenmikroskopischer Messungen untersucht. Es konnten ledig
lich reine Polymerpartikel und die dispergierten Siliziumdioxid
teilchen gefunden werden. Himbeerförmige Kompositpartikel waren
nicht nachweisbar. Durch Zentrifugieren der trüben Dispersion
(3000 Umdrehungen pro Minute, Dauer 20 Minuten) konnte keine
Sedimentation der dispergierten Partikel erreicht werden.
Beispiel 15 wurde wiederholt mit der Ausnahme, daß anstelle von
0,44 g einer 45 gew.-%igen Lösung des anionischen Emulgators
Dowfax® 2A1 0,2 g des kationischen Emulgators CTAB eingesetzt
wurden.
Das erhaltene trübe Reaktionsgemisch wurde mittels transmis
sionselektronenmikroskopische Messungen untersucht. Es konnten
lediglich reine Polymerpartikel und die dispergierten Silizium
dioxidteilchen gefunden werden. Himbeerförmige Kompositpartikel
waren nicht nachweisbar.
Vergleichsbeispiel 1 wurde wiederholt mit der Ausnahme, daß an
stelle von 20 g Nyacol® 2040 zusätzlich 20 g entionisiertes und
sauerstofffreies Wasser im Reaktionsgefäß vorgelegt wurden.
Man erhielt eine stabile, milchig weiße Polymerisatdispersion,
welche sich unter den oben genannten Bedingungen (3000 Umdrehun
gen pro Minute, Dauer 20 Minuten) nicht sedimentieren ließ.
Unter Rühren wurden bei Raumtemperatur innerhalb von 5 Minuten
2,0 g Nyacol® 2040 in 24,1 g der stabilen Polymerisatdispersion
aus Vergleichsbeispiel 3 eingerührt, wobei eine stabile wässrige
Dispersion erhalten wurde.
Exemplarische Filmeigenschaften der aus der wässrigen Komposit
partikeldispersion aus Beispiel 19 (Dispersion A) sowie den
Dispersionen aus Vergleichsbeispiel 3 (Dispersion B) und
Vergleichsbeispiel 4 (Dispersion C) zugänglichen Polymerfilme
wurden verglichen.
Die Bestimmung der MFT erfolgte nach ISO 2115 und die Tg-
Werte wurden nach DIN 53765 bestimmt. Die erhaltenen Werte
sind in Tabelle 1 angegeben.
Die Dispersionen A bis C wurden mit einer 250 µm-Naßschicht
dicke auf Glasplatten aufgetragen und 4 Tage bei 23°C und
50% relativer Luftfeuchtigkeit getrocknet. Die Filmhärte
wurde nach der Methode von König (DIN 53157) bestimmt. Dabei
ist der Film umso härter, je höher die Dämpfungsdauer ist.
Die in Tabelle 2 angegebenen Werte belegen, daß der aus der
Kompositpartikeldispersion A gebildete Film die größte Härte
zeigt.
Von den Dispersionen A bis C wurden Polymerfilme (4 Tage
Trocknung bei 23°C und 50% relativer Luftfeuchtigkeit) mit
einem spezifischen Gewicht von 100 mg/cm2 hergestellt.
2 cm × 5 cm große Filmstreifen tauchte man bei Raumtemperatur
in entionisiertes Wasser. Nach einer definierten Zeit wurden
die Filmstreifen aus dem Wasser genommen, mit einem trockenen
Baumwolltuch getrocknet und sofort gewogen. Die sogenannte
Wasseraufnahme errechnet sich nach folgender Formel:
Dabei bedeutet Gewicht0 das Gewicht des trockenen Films vor
dem Eintauchen in das Wasser und Gewichtnaß das Gewicht des
Films der eine definierte Zeit in das Wasser getaucht war und
dann mit einem trockenen Baumwolltuch getrocknet wurde. Die
Wasseraufnahme der Polymerfilme aus den Dispersionen A bis C
nach definierten Zeiten ist in Tabelle 3 angegeben. Dabei ist
klar ersichtlich, daß der aus der Kompositpartikeldispersion
A gebildete Film die geringste Wasseraufnahme zeigt.
Claims (13)
1. Verfahren zur Herstellung einer wässrigen Dispersion von aus
Polymerisat und feinteiligem anorganischen Feststoff aufge
bauten Partikeln, bei dem wenigstens ein ethylenisch unge
sättigtes Monomer in wässrigem Medium dispers verteilt und
mittels wenigstens eines radikalischen Polymerisations
initiators im Beisein wenigstens eines dispers verteilten,
feinteiligen anorganischen Feststoffes und wenigstens eines
Dispergiermittels nach der Methode der radikalisch wässrigen
Emulsionspolymerisation polymerisiert wird, dadurch gekenn
zeichnet, daß
- a) eine stabile wässrige Dispersion des wenigstens einen an organischen Feststoffs eingesetzt wird, welche dadurch charakterisiert ist, daß sie bei einer Anfangsfeststoff konzentration von ≧ 1 Gew.-%, bezogen auf die wässrige Dispersion des wenigstens einen Feststoffs, noch eine Stunde nach ihrer Herstellung mehr als 90 Gew.-% des ur sprünglich dispergierten Feststoffes in dispergierter Form enthält und deren dispergierte Feststoffteilchen einen gewichtsmittleren Durchmesser ≦ 100 nm aufweisen,
- b) die dispergierten Feststoffteilchen des wenigstens einen anorganischen Feststoffs in einer wässrigen Standardkali umchlorid-Lösung bei einem pH-Wert, der dem pH-Wert des wässrigen Reaktionsmediums am Beginn der Emulsionspoly merisation entspricht, eine von Null verschiedene elek trophoretische Mobilität zeigen und
- c) die radikalerzeugende Komponente des wenigstens einen radikalischen Polymerisationsinitiators und/oder die dis pergierend wirkende Komponente des wenigstens einen Dispergiermittels wenigstens eine elektrische Ladung auf weisen, deren Vorzeichen entgegengesetzt dem Vorzeichen der elektrophoretischen Mobilität der dispergierten Fest stoffteilchen des wenigstens einen Feststoffs ist, das diese in einer wässrigen Standardkaliumchlorid-Lösung bei einem pH-Wert, der dem pH-Wert des wässrigen Reaktions mediums am Beginn der Emulsionspolymerisation entspricht, aufweisen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
wenigstens eine anorganische Feststoff wenigstens ein Ele
ment, ausgewählt aus der Gruppe umfassend Magnesium, Calcium,
Strontium, Barium, Bor, Titan, Chrom, Eisen, Cobalt, Nickel,
Kupfer, Zink, Zinn, Zirkonium, Cer, Yttrium, Aluminium, Sili
zium, Phosphor, Antimon und Wismut enthält.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß der wenigstens eine anorganische Feststoff aus
gewählt ist aus der Gruppe umfassend Siliziumdioxid,
Aluminiumoxid, Hydroxyaluminiumoxid, Calciumcarbonat,
Magnesiumcarbonat, Calciumorthophosphat, Magnesiumortho
phosphat, Eisen-(II)-oxid, Eisen-(III)-oxid, Eisen-(II/III)-oxid,
Zinndioxid, Cerdioxid, Yttrium-(III)-oxid, Titan
dioxid, Hydroxylapatit, Zinkoxid und Zinksulfid.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn
zeichnet, daß der wenigstens eine anorganische Feststoff in
Wasser bei 20°C und 1 bar (absolut) eine Löslichkeit ≦ 1 g/l
Wasser aufweist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn
zeichnet, daß das wenigstens eine Dispergiermittel ein
anionisches Tensid ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn
zeichnet, daß das wenigstens eine Dispergiermittel ein kat
ionisches Tensid ist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn
zeichnet, daß das wenigstens eine Dispergiermittel ein
anionisches Schutzkolloid ist.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn
zeichnet, daß das wenigstens eine Dispergiermittel ein kat
ionisches Schutzkolloid ist.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn
zeichnet, daß der wenigstens eine radikalische Polymerisati
onsinitiator ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Natrium
peroxodisulfat, Kaliumperoxodisulfat und Ammoniumperoxo
disulfat.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn
zeichnet, daß der wenigstens eine radikalische Polymerisati
onsinitiator 2,2'-Azobis(amidinopropyl)dihydrochlorid ist.
11. Wässrige Dispersion von Kompositpartikeln, erhältlich nach
einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10.
12. Verwendung einer wässrigen Dispersion von Kompositpartikeln
gemäß Anspruch 11, als Klebstoff, als Bindemittel, zur Her
stellung einer Schutzschicht, zur Modifizierung von Zement-
und Mörtelformulierungen oder in der medizinischen Diagno
stik.
13. Kompositpartikelpulver, erhältlich durch Trocknung einer
wässrigen Dispersion von Kompositpartikeln gemäß Anspruch 11.
Priority Applications (13)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19942777A DE19942777A1 (de) | 1999-09-08 | 1999-09-08 | Verfahren zur Herstellung einer wässrigen Dispersion von aus Polymerisat und feinteiligem anorganischen Feststoff aufgebauten Partikeln |
EP00962418A EP1216262B1 (de) | 1999-09-08 | 2000-08-31 | Verfahren zur herstellung einer wässrigen dispersion von aus polymerisat und feinteiligem anorganischen feststoff aufgebauten partikeln |
AT00962418T ATE281482T1 (de) | 1999-09-08 | 2000-08-31 | Verfahren zur herstellung einer wässrigen dispersion von aus polymerisat und feinteiligem anorganischen feststoff aufgebauten partikeln |
ES00962418T ES2231260T3 (es) | 1999-09-08 | 2000-08-31 | Procedimiento para la obtencion de una dispersion acuosa de particulas formadas por un polimero y un producto solido organico finamente dividido. |
BRPI0013698-0A BR0013698B1 (pt) | 1999-09-08 | 2000-08-31 | processo para a preparação de dispersão aquosa de partìculas compostas de polìmero de adição e sólido inorgánico finamente dividido, dispersão aquosa de partìculas de compósito, uso de dispersão aquosa de partìculas de compósito, e, pó de partìculas de compósito. |
DE50008535T DE50008535D1 (de) | 1999-09-08 | 2000-08-31 | Verfahren zur herstellung einer wässrigen dispersion von aus polymerisat und feinteiligem anorganischen feststoff aufgebauten partikeln |
DK00962418T DK1216262T3 (da) | 1999-09-08 | 2000-08-31 | Fremgangsmåde til fremstilling af en vandig dispersion af partikler af polymerisat og findelt uorganisk faststof |
CNB008126224A CN1239548C (zh) | 1999-09-08 | 2000-08-31 | 制备由聚合物和细碎无机固体组成的颗粒的水分散体的方法 |
PCT/EP2000/008510 WO2001018081A1 (de) | 1999-09-08 | 2000-08-31 | Verfahren zur herstellung einer wässrigen dispersion von aus polymerisat und feinteiligem anorganischen feststoff aufgebauten partikeln |
US10/069,960 US6756437B1 (en) | 1999-09-08 | 2000-08-31 | Method for producing an aqueous dispersion of particles made up of polymerisate and fine inorganic solid material |
CA002383734A CA2383734A1 (en) | 1999-09-08 | 2000-08-31 | Method for producing an aqueous dispersion of particles made up of polymerisate and fine inorganic solid material |
JP2001522302A JP3692077B2 (ja) | 1999-09-08 | 2000-08-31 | 重合体及び微細の無機固体から構成される粒子の水性分散液の製造方法 |
AU74155/00A AU778549B2 (en) | 1999-09-08 | 2000-08-31 | Method for producing an aqueous dispersion of particles made up of polymerisate and fine inorganic solid material |
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DE19942777A Withdrawn DE19942777A1 (de) | 1999-09-08 | 1999-09-08 | Verfahren zur Herstellung einer wässrigen Dispersion von aus Polymerisat und feinteiligem anorganischen Feststoff aufgebauten Partikeln |
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DE (1) | DE19942777A1 (de) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6833401B1 (en) | 1999-10-20 | 2004-12-21 | Basf Aktiengesellschaft | Method for producing an aqueous dispersion of particles that are made up of polymers and inorganic solid matter which consists of fine particles |
DE102009046664A1 (de) | 2009-11-12 | 2011-05-19 | Wacker Chemie Ag | Kompositpartikel mit organischen und anorganischen Domänen |
-
1999
- 1999-09-08 DE DE19942777A patent/DE19942777A1/de not_active Withdrawn
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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US6833401B1 (en) | 1999-10-20 | 2004-12-21 | Basf Aktiengesellschaft | Method for producing an aqueous dispersion of particles that are made up of polymers and inorganic solid matter which consists of fine particles |
DE102009046664A1 (de) | 2009-11-12 | 2011-05-19 | Wacker Chemie Ag | Kompositpartikel mit organischen und anorganischen Domänen |
WO2011058051A1 (de) | 2009-11-12 | 2011-05-19 | Wacker Chemie Ag | Kompositpartikel mit organischen und anorganischen domänen |
US8871844B2 (en) | 2009-11-12 | 2014-10-28 | Wacker Chemie Ag | Composite particles having organic and inorganic domains |
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