DE202020107565U1 - Masterbatch, Kunststoffelement, Glaselement und Glasschmelze mit photokatalytisch aktiven Partikeln - Google Patents

Masterbatch, Kunststoffelement, Glaselement und Glasschmelze mit photokatalytisch aktiven Partikeln Download PDF

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Abstract

Masterbatch (2) für die Herstellung von Kunststoffelementen (14, 16), bei dem einem Rohpolymer photokatalytisch aktive Partikel (6) beigemischt sind.

Description

  • Die Erfindung betrifft photokatalytisch aktive Kunststoff- oder Glaselemente und Masterbatches oder Glasschmelzen zur Herstellung solcher Elemente.
  • Durch das Aufbringen von Beschichtungen auf eine Glasoberfläche können der Glasoberfläche gezielte Eigenschaften wie ein Photokatalytischer Effekt verliehen werden. Insbesondere Beschichtungen, die einen Photokatalysator aufweisen, eignen sich auf einer Glasoberfläche, die einem Lichteinfall besonders exponiert ist und so den photokatalytischen Effekt hervorrufen. Eine Beschichtung mit einer photoaktiven Schicht kann einerseits aufwändig sein und andererseits eignen sich nicht alle Trägermaterialien zur Beschichtung.
  • Die europäische Patentanmeldung EP 2 695 663 A1 schlägt ein Verfahren zur Feinstaubreduktion unter Einsatz eines Photokatalysators sowie einen Photokatalysator vor, der auch in Abwesenheit von UV-Licht aktiv ist.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, photokatalytisch aktive Kunststoff- oder Glaselemente und deren Ausgangsstoffe wie einen Masterbatch oder eine Glasschmelze bereitzustellen.
  • Die Aufgabe wird mit den Merkmalen der Ansprüche 1, 5, 10 bzw. 11 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.
  • Gemäß Anspruch 1 ist ein Masterbatch für die Herstellung von Kunststoffelementen vorgesehen, bei dem dem Rohpolymer des Kunststoffelements photokatalytisch aktive Partikel beigemischt sind.
  • Ein Masterbatch ist vorzugsweise einer der Ausgangspolymerstoffe für die Herstellung von Kunststoffelementen. Vorzugsweise liegt der Masterbatch in Schüttgut fähiger Form bzw. als Schüttgut vor, beispielsweise in Granulatform. Alternativ ist der Masterbatch pulverförmig oder stangenförmig, beispielsweise in Form von Stangen mit mehreren cm Länge. Der Masterbatch kann auch als Additiv-Masterbatch verstanden werden. Diesem können vorzugsweise neben den photokatalytisch aktiven Partikeln weitere Additive zugesetzt sein - wie hierin noch an anderer Stelle weiter beschrieben. Der Masterbatch dient der Herstellung eines bzw. des Kunststoffelements beispielsweise durch Extrusion (wie z.B. Koextrusion, Blas(folien-)extrusion), Schmelzspinnen, Schäumen oder Spritzguss.
  • Definitionen Masterbatch
  • Der ‚Masterbatch‘ wie hierin verstanden kann ein ‚sortenreiner‘ Batch mit gleichartig zusammengesetzten Granulaten (oder Pulver oder Stangen) sein, bei dem jedes Granulatkorn innerhalb statistischer Abweichungen die gleiche Zusammensetzung an Rohpolymer und photokatalytisch aktiven Partikeln (und ggf. weiteren Additiven) hat. Der Masterbatch kann auch eine Mischung aus verschiedenen Masterbatches sein, bei denen nicht nicht jeder beigemischte Masterbatch photokatalytisch aktive Partikel aufweisen muss. Beispielsweise weisen nur die Granulatkörner eines Masterbatches die photokatalytisch aktiven Partikel auf, während ein oder mehrere andere beigemische Masterbatches andere Additive aufweisen, wie z.B. Farbpigmente, Weichmacher, Härter etc..
  • Vorzugsweise liegt der Gewichtsanteil der photokatalytisch aktiven Partikel am Masterbatch im Bereich von 2-80% beträgt, vorzugsweise 5-15%, 10-25%, 20-45%, 40-60% oder 50-75%. Vorzugsweise ergänzt der Gewichtsanteil des Rohpolymers den Gewichtsanteil der photokatalytisch aktiven Partikel auf 100% des Masterbatchmaterials.
  • In Ausgestaltung weist der Masterbatch neben den photokatalytisch aktiven Partikeln noch weitere Additive auf, vorzugsweise Farbmittel und/oder wobei der Gewichtsanteil der weiteren Additive im Bereich von 1-50%, 0,5-10%, 3-25%, 10-65% oder 20-30% liegt. Vorzugsweise sind die weiteren Additive ausschließlich oder zumindest teilweise Farbmittel. Farbmittel sind beispielsweise Farbpigmente.
  • Beispiele für weiter oder alternative Additive sind Weichmacher (z.B. Phtalate), Härtemittel (z.B. Bisphenole (A, B, S).
  • Vorzugsweise ergeben die Gewichtsanteile der photokatalytisch aktiven Partikel, der weiteren Additive und des Rohpolymers 100%,
  • Definitionen Rohkunststoff
  • Rohpolymere sind beispielsweise Kunststoffe, Polymere und/oder Co-Polymere.
    In Ausgestaltung ist oder weist der der Rohkunststoff eines oder mehrere der folgenden Kunststofftypen auf:
    • Polyethylen (PE), HDPE, LDPE, Polyamid, Polyester, Polystyrol, Polypropylen, PVC, Polyurethan, Polyethylenterephthalat, großvolumige Polymere, Polysaccharide, Acryl, Polyhydroxybuttersäure, Polyactid, flüssigkristalline Polymere, Elastan, oder
    • wobei der Rohkunststoff eine Mischung aus Polymeren ist, insbesondere eine Mischung aus zwei, drei oder mehreren der hier aufgeführten Kunststofftypen. Hierbei stehen HDPE und
    • LDPE für High Density Polyethylen (HDPE) und Low Density Polyethylen (LDPE).
  • Rohkunststoff und ggf. beigemischte weitere Additive können so eingestellt sein, dass das resultierende Kunststoffelement ein Hartplastik (z.B. Kunststoff-, Plexi-, Acryl-Glas), ein Weichplastik (z.B. Schlauch, Fahrzeuginnenverkleidung) oder ein geschäumtes Plastik ist.
  • Definitionen Kunststoffelement
  • Weiterhin sieht die Erfindung Kunststoffelement mit darin eingebetteten photokatalytisch aktiven Partikeln vor.
  • ‚Eingebettet‘ ist so zu verstehen, dass die photokatalytisch aktiven Partikel (zumindest überwiegend) von dem Kunststoff des Kunststoffelements umgeben sind. Die photokatalytisch aktiven Partikel sind matrixartig in die Polymere des Kunststoffs eingebettet. Aufgrund statistischer Verteilung der photokatalytisch aktiven Partikel befindet sich eine geringe Anzahl davon an der Oberfläche des Kunststoffelements und eine höhere Anzahl sin oberflächennahe, so dass dorthin noch Photonen eindringen, insbesondere bei transparentem Kunststoff. Durch Kopolymerisation oder durch Ausbildung von inhomogenen Gemischen während der Extrusion, des Spritzgießens oder des Spinnens kann die Dichte der photokatalytisch aktiven Partikel an der Oberfläche bzw. oberflächennah gegenüber deren Dichte in tieferen oder inneren Regionen des Kunststoffelements auch erhöht sein.
  • Vorzugsweise ist das gesamte Kunststoffelement oder zumindest ein Teil oder eine Lage des Kunststoffelements ausgebildet unter Verwendung einer Mischung aus dem Masterbatch und einem weiteren Kunststoffmaterial. Masterbatch und weiteres Kunststoffmaterial werden beispielsweise vor dem Extrudieren, Spritzen, Spinnen etc. gemischt.
  • Alternativ ist das Kunststoffelement oder zumindest ein Teil oder eine Lage des Kunststoffelements ausgebildet unter Verwendung eines Masterbatches, insbesondere eines Masterbatches nach einem der vorhergehenden Ansprüche. Weiter bevorzugt ist das gesamte Kunststoffelement ausgebildet unter Verwendung des Masterbatches.
  • In Ausgestaltung ist das Kunststoffelement zumindest über einen Teilbereich der Oberfläche des Kunststoffelements ausgebildet durch Koextrusion, wobei eine an der Oberfläche des Kunststoffteils liegende Schicht die photokatalytisch aktive Partikel aufweist. Vorzugsweise ist die Schicht mit den photokatalytisch aktiven Partikeln die Schicht, die bei der Verwendung des Kunststoffteils dem Nutzer zugewendet ist. Alternativ liegt die Schicht mit den photokatalytisch aktiven Partikeln an der Innenseite des Kunststoffteils, beispielsweise bei medienführenden Kunststoffteilen ist die Schicht mit den photokatalytisch aktiven Partikeln an der Innenseite ausgebildet. Beispielsweise bei luft- und/oder wasserführenden Kunststoffelementen wie Lüftungsrohre, Wasserleitungen etc..
  • Vorzugsweise ist das Kunststoffelement ausgebildet aus zumindest zwei Lagen von Kunststoffen, wobei eine der Lagen die photokatalytisch aktiven Partikel aufweist, und/oder wobei in Tiefenrichtung des Kunststoffelements die Dichte der photokatalytisch aktiven Partikel abnimmt und/oder wobei die Dichte der photokatalytisch aktiven Partikel im Oberflächenbereich des Kunststoffelements erhöht ist und/oder das Kunststoffelement die photokatalytisch aktiven Partikel nur im Oberflächenbereich aufweist.
  • Der Oberflächenbereich kann einen Anteil an der Gesamtstärke des Kunststoffelements im Bereich von 1-10%,3-20% oder 5-40% aufweisen und/oder die Stärke des mit photokatalytisch aktiven Partikeln versetzten Oberflächenbereichs liegt im Bereich von 2-10 µm, 10-50 µm, 30-300 µm, 100 µm- 1 mm oder 0,5-5 mm.
  • Das Kunststoffelement aus zwei Lagen kann beispielsweise eine Folie sein, die einzeln hergestellt und dann mit einer anderen Folie mit oder ohne dazwischenliegendem Haftvermittler zusammengeführt wird (Verbundfolie) oder es kann ein formstarres Kunststoffteil sein, auf das ein Folie (mit oder ohne Haftvermittler) aufgebracht, aufkaschiert oder auffoliert wird.
  • Das Kunststoffelement kann beispielsweise eines der folgenden sein: Ein Bauelement, ein Innenraum-Dekorelement, ein Raumverkleidungselement, eine Akustikelement, ein Fahrzeuginnenelement, ein Luftführungselement, ein (Ventilator-)Flügelelement, ein Luftkanal, ein transparentes Scheibenelement, eine Fahrzeugscheibe, ein thermisch isolierendes Bauelement, ein wasserführendes Element, eine Möbelbeschichtung, eine Möbelplatte, ein Möbelteil, ein Gehäuse, ein Geschirrteil, ein Elektronikgehäuse, ein Tastaturelement, eine gesponnene Faser, ein Fasergewebe, ein Faservlies, ein aus einem Fasergewebe oder Faservlies gefertigtes Textilteil, ein Filterelement, eine Filtermatte.
  • Vorzugsweise ist das Kunststoffelement ein Kunststoffelement, das mittels eines Herstellungsverfahrens wie hierin beschrieben oder wie im Folgenden weiter ausgestaltet hergestellt ist. Vorzugsweise wird bei der Herstellung des Kunststoffelements ein Masterbatch wie hierin beschrieben und durch Ausführungen ausgestaltet hergestellt.
  • Verfahren Herstellung Masterbatch
  • Zum Verständnis der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Herstellung eines Masterbatches beschrieben, das die Schritte aufweist:
    • Bereitstellen eines Rohpolymers,
    • Bereitstellen von photokatalytisch aktiven Partikeln,
    • Mischen des Rohpolymers mit den photokatalytisch aktiven Partikeln, vorzugsweise unter Erwärmung der Mischung,
    • Extrudieren der Mischung,
    • optional Abkühlen der extrudierten Mischung
    • Überführen der extrudierten Mischung in Schüttgutform.
  • Durch das Verfahren wird ein polymergebundenes Additiv (Zusatzstoff) für die Herstellung von Kunststoffteilen bereitgestellt, wobei hier das einzige oder primäre Additiv die photokatalytisch aktiven Partikel sind.
  • Vorzugsweise werden zum oder beim Mischen des Rohpolymers und der photokatalytisch aktiven Partikel weitere Additive zugesetzt. Beispielsweise ein oder mehrere der folgenden Additive: Farbpartikel, Weichmacher, Härtemittel, Bindemittel. Beispiele für Mengen des/der Additive sind oben unten bereits angeführt.
  • Verfahren Herstellung Kunststoffelement
  • Zum Verständnis der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Herstellung eines Kunststoffelements beschrieben, das die Schritte aufweist:
    • Bereitstellen eines Masterbatches, das als Additiv photokatalytisch aktive Partikel aufweist,
    • Bereitstellen eines weiteren Rohpolymers,
    • Mischen des Masterbatches mit dem weiteren Rohpolymer,
    • Erwärmen des Gemisches,
    • Umformen des erwärmten Gemisches zu einem Kunststoffelement.
  • Die Ausgestaltung des Masterbatches ist vorzugsweise wie oben oder nachfolgend angegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen für die photokatalytisch aktiven Partikel sind wie oben und im Folgenden angegeben.
    Die Ausgestaltung des Kunststoffelements ist vorzugsweise wie oben oder nachfolgend angegeben.
  • Das beim Herstellungsverfahren verwendete weitere Rohpolymer ist vorzugsweise das gleiche Rohpolymer, das beim Herstellen des Masterbatches verwendet wurde oder das im Masterbatch vorliegt. Alternativ sind das Rohpolymer des Masterbatches und das weitere Rohpolymer verschiedene Polymertypen. Vorzugsweise ist das Rohpolymer des Masterbatches und/oder das weitere Rohpolymer ein Kunststofftyp wie hierin für den Masterbatch angegeben oder ein Gemisch von Kunststofftypen.
  • Vorteilhaft erfolgt das Umformen des erwärmten Gemisches zu einem Kunststoffelement durch Extrusion, Koextrusion, Blas(folien-)extrusion, Schmelzspinnen, Schäumen oder Spritzgießen. In Ausgestaltung wird bei der Koextrusion das erwärmte Gemisch extrudiert und mit einem gleichzeitig extrudierten Kunststoffmaterial zusammengeführt, um ein koextrudiertes Kunststoffelement auszubilden. Die koextrudierten Kunststoffe verbinden sich vorzugsweise zu einem monolithischen bzw. einstückigen Element. Vorzugsweise ist das gleichzeitig extrudierte Kunststoffmaterial ein ebenfalls aus einem Gemisch von einem Rohpolymer und einem weiteren Masterbatch extrudiertes Material.
  • Anstelle von Koextrusion kann ein ‚koextrudiertes‘ Kunststoffelement dadurch ausgebildet werden, dass in eine Spritzgussform zeitlich versetzt und/oder räumlich versetzt ein erwärmtes Gemisch mit den photokatalytisch aktiven Partikeln und ein weiteres Gemisch mit einem weiteren Rohpolymer zusammengeführt werden. Das Zusammenführen erfolgt vorzugsweise unter weitgehender Vermeidung einer Durchmischung der eingespritzten Polymere.
  • Vorzugsweise ist das Masterbatch ausgestaltet wie hierin beschrieben.
  • Definition Partikel
  • Bei den hierin zum Verständnis der Erfindung beschriebenen Verfahren und den hierin beschriebenen Masterbatches und den hierin beschriebenen Glas- oder Kunststoffelementen werden photokatalytisch aktive Partikel eingesetzt wie im Folgenden beschrieben.
  • Vorzugsweise haben die photokatalytisch aktiven Partikel eine Größe im Bereich von 50 nm bis 1 µm, 70 bis 800 nm, 150 bis 900 nm, 300 bis 700 nm oder 450 bis 750 nm. Die Partikelgröße ist vorzugsweise nach Äquivalentdurchmesser bestimmt. Die Partikelgröße kann eine statistische Streuung der Partikelgröße aufweisen. Wenn angegeben ist, dass die Größe der Partikel in dem angegebenen Bereich liegt, bedeutet dies, dass die meisten der Partikel in dem Größenbereich liegen. Beispielsweise mindestens 80%, 90%, 95% oder 98% der Partikel haben eine Größe wie angegeben.
  • Vorteilhaft sind die photokatalytisch aktiven Partikel Titanoxid-Partikel oder weisen dies auf. Partikel aus Titanoxid oder ausschließlich aus Titandioxid ist die bevorzugte Partikelart. Weiter bevorzugt sind die Partikel überwiegend oder ausschließlich Anatas-Partikel und/oder Rutil-Partikel.
  • Bevorzugt sind die photokatalytisch aktiven Partikel alle oder zumindest teilweise dotiert, wobei insbesondere die Titanoxid-Partikel zumindest teilweise dotiert sind. ‚Zumindest teilweise dotiert‘ ist vorzugsweise, dass 100%, mindestens 95%, mindestens 60% oder mindestens 35% der photokatalytisch aktiven Partikel dotiert sind.
  • Vorzugsweise ist der Schmelzpunkt bzw. die Schmelztemperatur der photokatalytisch aktiven Partikel höher als 300°C, 400°C, 600°C, 800°C oder 1200°C. Beispielsweise ist der Schmelzpunkt von Anatas und Rutil 1.855°C.
  • Vorzugsweise weisen alle oder zumindest ein Teil der photokatalytisch aktiven Partikel eine oder mehrere der folgenden Eigenschaften auf: die Partikel sind kristallin, die Partikel sind halbleitend, die Partikel sind dotiert. Alternativ oder zusätzliche liegen die photokatalytisch aktiven Partikel zumindest teilweise in kristalliner Form (z.B. mono- und/oder polykristallin) vor. Vorzugsweise oder alternativ ist oder sind zumindest ein Teil der photokatalytisch aktiven Partikel Halbleiter, insbesondere Halbleiter mit einem Bandabstand, bei dem Photonen im sichtbaren Spektralbereich absorbiert werden. Der Bandabstand kann durch Dotieren eingestellt oder verändert sein. Vorzugsweise oder alternativ sind die kristallinen und/oder halbleitenden Partikel oder zumindest ein Teil der photokatalytisch aktiven Partikel dotiert. Beispiele für Dotierstoffe sind Bor, Phosphor, Stickstoff, Arsen, Antimon, Indium, Aluminium.
  • Glasschmelze / Glaselement
  • Die Erfindung sieht auch eine Glasschmelze mit einer Vielzahl oder enthaltend eine Vielzahl von photokatalytisch aktiven Partikeln vor.
    Ebenso sieht die Erfindung ein Glaselement mit einer Vielzahl von photokatalytisch aktiven Partikeln vor, insbesondere ein Glaselement hergestellt aus einer Glasschmelze wie eben beschrieben bzw. hergestellt nach einem Verfahren wie hierin beschrieben.
  • Die photokatalytisch aktiven Partikel sind vorzugsweise ausgestaltet wie oben und nachfolgend beschrieben.
  • In Ausgestaltung liegt der Gewichtsanteil der photokatalytisch aktiven Partikel an der Glasschmelze bzw. am Gesamtgewicht des Glaselements wie beim Gewichtsanteil von photokatalytisch aktiven Partikeln am Masterbatch oder Kunststoffelement. Beispielsweise liegt der Gewichtsanteil der photokatalytisch aktiven Partikel an Masterbatch im Bereich von 0,5-60% beträgt, vorzugsweise 0,5-2%, 1-3%, 5-15%, 10-25%, 20-45%, 40-60% oder 50-75%. Vorzugsweise ergänzt der Gewichtsanteil der übrigen Glasschmelze bzw. des übrigen Glases den Gewichtsanteil der photokatalytisch aktiven Partikel auf 100% des Masterbatchmaterials.
  • Die Glasschmelze bzw. das Glas kann neben den photokatalytisch aktiven Partikeln noch Farbpigmente aufweisen, die der Einfärbung des Glases dienen. Alternativ ist das durch Zusätze thermisch isolierend oder IR- und/oder UV-abweisend, beispielsweise bei Fensterglas oder Autoscheiben. Bei den Gewichtsverhältnissen zählen dann diese Zusätze zu den Bestandteilen der Glasschmelze oder des Glases.
  • Unten sind weitere Ausgestaltungen für das Glas bzw. die Glasschmelze angegeben.
  • Einzelne Merkmale können in jeglicher Kombination oder Unterkombination miteinander beansprucht werden, Merkmale eines der zum Verständnis der Erfindung beschriebenen Verfahren können auch mit Merkmalen des Glas- oder Kunststoffelements kombiniert werden als Einzelmerkmal oder in beliebiger Unterkombination von Merkmalen. Umgekehrt können Merkmale des Kunststoff- oder Glaselements mit Merkmalen der zum Verständnis der Erfindung beschriebenen Verfahren kombiniert werden. Auch Merkmale der Verfahren können untereinander kombiniert sein als Einzelmerkmal oder in beliebiger Unterkombination von Merkmalen.
  • Anhand von Figuren werden Ausführungsformen der Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
    • 1 das Granulat eines Masterbatches,
    • 2 eine Mischung des Masterbatches von 1 mit Granulatkörnern eines Basis-Kunststoffs,
    • 3 eine Kunststoffscheibe mit darin eingebetteten photokatalytisch aktiven Partikeln optional mit koextrudierter Folie oder weiterer Scheibe,
    • 4 ein Ablaufdiagramm zur vereinfachten Darstellung der Herstellung eines Masterbatches, der Verwendung des Masterbatches zusammen mit einem Basis-Kunststoff (weiteres Rohpolymer) zur Herstellung eines Kunststoffelements (optional in Koextrusion),
    • 5 ein Ablaufdiagramm zur vereinfachten Darstellung der Herstellung eines Flachglaselements mit darin eingebetteten photokatalytisch aktiven Partikeln (optional mit Laminier-Verbindung zu einem Verbundglas), und
    • 6 eine Flachglasscheibe mit darin eingebetteten photokatalytisch aktiven Partikeln und optional mit auflaminiertem weiteren Flachglas.
  • 1 zeigt das Granulat eines Masterbatches 2, bei dem photokatalytisch aktive Partikel 6 in die Granulatkörner 4 eines erstes Rohpolymers eingebettet sind. Vorzugsweise ist das erste Rohpolymer eine einziger Rohpolymertypus. Es können im Masterbatch aber auch verschiedene Granulatkörner verschiedener Masterbatches gemischt vorliegen, beispielsweise mit Masterbatches mit anderem Rohpolymertyp oder -typen. Im Folgenden wird unabhängig davon auch ein solches Gemisch von Granulatkörnern als ‚ein‘ Masterbatch bezeichnet. Bei einem solchen Gemisch müssen nicht alle Ursprungs-Masterbatches photokatalytisch aktive Partikel aufweisen. ‚Granulatkörner‘ des Masterbatches steht hier nur beispielhaft für die Schüttgutelemente des Masterbatches. Mit Granulatkörner-Masterbatch soll hierin (zur Vereinfachung) auch pulverförmiges Masterbatch, stangenförmiges Masterbatch oder jedes andere Masterbatch in Schüttgut-fähiger Form verstanden sein.
  • In 1 ist ein ‚sortenreines‘, nicht gemischtes Masterbatch dargestellt. In dem einen (wie dargestellt) oder in zumindest einem der zugemischten Masterbatches weisen die Granulatkörner 4 neben den photokatalytisch aktiven Partikeln noch weitere bzw. andere Additive 8 auf. Solche weiteren Additive sind beispielsweise Farbpigmente, Weichmacher und/oder Härter wie auch anderswo hierin beschrieben. In dem ggf. gemischten Masterbatch 2 liegen die photokatalytisch aktiven Partikel 6 und/oder die weiteren Additive 8 in hoher Konzentration vor. Vorzugsweise liegt die Konzentration der photokatalytisch aktiven Partikel im Bereich von 1-85% (die Prozentangaben hierin beziehen sich durchweg auf Gewichts-Prozent), bevorzugt im Bereich von 3-25%, 5-60%, 10-40% oder 20-70%. Weitere %-Bereiche für die photokatalytisch aktiven Partikel sind hierin offenbart (bezogen auf die Granulate, bei denen photokatalytisch aktive Partikel vorhanden sind). Wenn weitere Additive 8 vorgesehen sind, so liegt deren Gewichtsanteil am Masterbatch beispielsweise im Bereich von 0,5-10%, 3-30%, 10-50% oder 25-75%. Die Gewichtsanteile der photokatalytisch aktiven Partikel und ggf. der weiteren Additive addiert sich mit dem Gewichtsanteil des Rohpolymers zu 100%, wobei hierfür die Gewichtsanteile zu 100% sinnvoll zusammenzustellen sind.
  • Die chemische Zusammensetzung und/oder die Größe der photokatalytisch aktiven Partikel sind hierin bereits an anderen Stellen unten und oben beschrieben, so dass vollumfänglich dorthin verwiesen wird. Vorzugsweise liegen die photokatalytisch aktiven Partikel zumindest teilweise in kristalliner Form (z.B. mono- und/oder polykristallin) vor. Vorzugsweise oder alternativ ist zumindest ein Teil der photokatalytisch aktiven Partikel Halbleiter, insbesondere Halbleiter mit einem Bandabstand, bei dem Photonen im sichtbaren Spektralbereich absorbiert werden. Vorzugsweise oder alternativ sind die kristallinen und/oder halbleitenden Partikel oder zumindest ein Teil der photokatalytisch aktiven Partikel dotiert sein. Beispiele für Dotierstoffe sind Bor, Phosphor, Stickstoff, Arsen, Antimon, Indium, Aluminium.
  • Das Rohpolymer selbst kann ein ‚sortenreines‘ Rohpolymer sein oder kann selbst eine Mischung aus verschiedenen Polymeren sein. Wie hierin für das Rohpolymer auch offenbart, sind das Rohpolymer ein, zwei oder mehrere der folgenden ‚Polymere‘ (Kunststofftypen): Polyethylen (PE), HDPE, LDPE, Polyamid, Polyester, Polystyrol, Polypropylen, PVC, Polyurethan, Polyethylenterephthalat, großvolumige Polymere, Polysaccharide, Acryl, Polyhydroxybuttersäure, Polyactid, flüssigkristalline Polymere, Elastan.
  • 2 zeigt eine Mischung des Masterbatches 2 von 1 mit Granulatkörnern 12 eines weiteren Basis-Kunststoffs. Der Basis-Kunststoff ist vorzugsweise aus dem gleichen Rohpolymer (Kunststofftyp) wie das Rohpolymer des Masterbatches (bei einem Gemisch von Masterbatches z.B. das gleiche Rohpolymer wie bei dem Masterbatch, in dem die photokatalytisch aktiven Partikel eingebettet sind). Alternativ ist das Rohpolymer des weiteren Basis-Kunststoffs ein anderes Rohpolymer als dasjenige des Masterbatches. Wie oben bereits angegeben, kann das Rohpolymer des Masterbatches (mit den photokatalytisch aktiven Partikeln) ein Gemisch sein. Auch das ‚Rohpolymer‘ des Basis-Kunststoffs (weiteres Rohpolymer) kann ein Gemisch sein, beispielsweise wie oben für das Rohpolymer des Masterbatches angegeben.
  • Die Mischung aus Masterbatch 2 und Granulatkörnern des weiteren Basis-Kunststoffs (steht auch hier ggf. stellvertretend für ein Schüttgut-fähiges Produkt) mit dem weiteren Rohpolymer 12 wird zur Herstellung eines Kunststoffelements 14 verwendet.
  • 3 zeigt als Beispiel eines Kunststoffelements, das aus Masterbatch 2 und weiterem Rohpolymer 12 hergestellt ist, eine Kunststoffscheibe 14, wobei in der Scheibe 16 photokatalytisch aktive Partikel 6 eingebettet sind. Falls im Masterbatch 2 vorhanden, sind auch die weiteren Additive 8 in der Scheibe 16 vorhanden, die sich aber zumindest teilweise mit dem Polymermolekülen verbunden haben können.
  • Die photokatalytisch aktiven Partikel 6 weisen vorzugsweise im Vergleich mit den zum Mischen/Weiterverarbeiten/Extrudieren des Rohpolymers verwendeten Temperaturen eine wesentlich höhere Schmelz- bzw. Reaktionstemperatur auf, so dass die Partikel 6 beim Mischen/Weiterverarbeiten/Extrudieren physikalisch unverändert erhalten bleiben. Vorzugsweise sind die photokatalytisch aktiven Partikel auch chemisch beständig gegenüber den Rohpolymeren (des Masterbatches und des weiteren Basis-Kunststoffs), so dass vorzugsweise auch keine chemische Änderung und/oder Bindung eingegangen werden. Beispielsweise ist die Schmelztemperatur der photokatalytisch aktiven Partikel höher als 300°C, 400°C, 600°C oder 800°C. Beispielsweise ist der Schmelzpunkt von Anatas und Rutil 1.855°C.
  • Die im Masterbatch 2 optional vorhandenen weiteren Additive 8 können mit dem bzw. den Rohpolymeren Bindungen eingegangen sein bzw. Bindungen im Kunststoffelement ersetzen oder blockieren, beispielsweise im Falle von Härtern oder Weichmachern. Farbpigmente bleiben als Einfärbung des Kunststoffelements optisch aktiv.
  • 3 zeigt die Kunststoffscheibe 14 optional als koextrudierte Scheibe (oder Folie) bei der neben der Scheibe/Folie 16 eine weitere Scheibe/Folie 18 koextrudiert und unmittelbar beim Extrudieren mit der weiteren Scheibe/Folie 18 verbunden wurde.
  • Beispielhaft ist der photokatalytische Effekt 20 dargestellt. Ein Photon 22 trifft auf die Oberfläche des Kunststoffelements, wo an der Oberfläche oder oberflächennah ein photokatalytisch aktives Partikel 6 in die Scheibe/Folie 16 eingebettet ist. Das Photon induziert am Partikel 6 ein Ladungspaar 24, beispielsweise in Form eines Elektrons und Lochs oder eines freien Radikals. Das Elektron oder das Radikal wirkt chemisch auf eine an der Oberfläche (zumindest temporär) anhaftende Verunreinigung 26 (wie beispielsweise eine Zelle oder Bakterie), so dass die Einwirkung des Radikals/Elektrons zu einer Zerstörung bzw. Inaktivierung der Verunreinigung führt. Beispielhaft fallen die Zersetzungsprodukte 28, die aus der Verunreinigung 26 hervorgehen, von der Oberfläche des Kunststoffelements 14 ab.
  • 4 zeigt ein Ablaufdiagramm zur vereinfachten Darstellung der Herstellung eines Masterbatches 2, der Verwendung des Masterbatches 2 zusammen mit einem Basis-Kunststoff 12 (weiteres Rohpolymer) zur Herstellung eines Kunststoffelements 16 (14, optional in Koextrusion mit einem weiteren Kunststoffelement 18).
  • Die Herstellung des Masterbatches für die Granulate mit den photokatalytisch aktiven Partikeln 6 erfolgt vorzugsweise derart, dass ein Pulver mit den photokatalytisch aktiven Partikeln 6 ggf. gemischt mit den weiteren Additiven 8 oder ggf. separat zu den weiteren Additiven unter das Rohpolymer für das Masterbatch gemischt wird (Schritt M4), wobei optional das Rohpolymer bereits erwärmt ist oder erst die Mischung aus den Partikeln 6 (und 8) mit dem Rohpolymer erwärmt wird (M6).
  • Die Mischung wird extrudiert (M8) und optional die ggf. abgekühlte extrudierte Mischung zerkleinert (M10). Die Zerkleinerung erfolgt zu Granulaten 4 oder in eine andere Schüttgutfähige Form (z.B. Pulver), so dass das Masterbatch 2 erhalten wird.
  • Zur Herstellung eines Kunststoffelements 16 (14) wird der Masterbatch mit einem weiteren Rohpolymer 12 gemischt (Schritt E2), das vorzugsweise ebenfalls als Granulat vorliegt oder in einer anderen Schüttgut-fähigen Form. Dieses Gemisch wird optional beim Mischen (E4) erwärmt (E6) oder das Masterbatch wird ggf. in das bereits erwärmte weitere Rohpolymer 12 eingemischt. Das erwärmte Gemisch wird extrudiert (E8) oder im Falle von Spritzgießen oder Fadenspinnen gegossen oder gesponnen, so dass das extrudierte, gespritzte oder gesponnene Endprodukt als Kunststoffelement 14 vorliegt (E10).
  • Gegebenenfalls kann das Extrudieren des Elements 16 in Koextrusion mit der Extrusion (E8a) eines weiteren Elements 18 erfolgen, wobei die extrudierten Elemente zusammengefügt werden, so dass ein Verbundkunststoffelement 14 entsteht.
  • Das Kunststoffelement 14 kann aus einfacher Extrusion entstehen (z.B. Kunststoffplatte, insbesondere transparente Kunststoffplatte), aus Koextrusion (z.B. Verbundplatte, Verbund-Kunststoffscheibe, Automobilbauteil, Gehäuseteil), aus Blasextrusion (z.B. in Folienform oder in Behälterform als Einfachlagiger Kunststoffelement oder mehrlagiges (Verbund-)Kunststoffelement), es können 3D-Kunststoffformen mittels Spritzgießen hergestellt werden, oder es können Fasern gesponnen werden, die z.B. für die gewebte oder gewirkte Textilien im Bekleidungsbereich oder industriellen Bereich verwendbar sind.
  • 5 zeigt ein Ablaufdiagramm zur vereinfachten Darstellung der Herstellung eines Flachglaselements 40 mit darin eingebetteten photokatalytisch aktiven Partikeln 6.
  • Die Ausgangsstoffe für die Glasschmelze in Abhängigkeit der herzustellenden Glasart (an sich bereits bekannt und das hier vorgestellte Verfahren sind nicht auf eine spezielle Glasart beschränkt) werden zusammen mit den photokatalytisch aktiven Partikeln 6 bereitgestellt (G2). Alle hierin offenbarten Eigenschaften und Mengenverhältnisse (anstelle des Rohpolymers dann bezogen auf die Gesamtmenge der Ausgangsstoffe für die Glasschmelze) der photokatalytisch aktiven Partikel, wie sie bereits für die Herstellung eines Kunststoffelements zutreffen, treffen auch für die Glasherstellung zu.
  • Die photokatalytisch aktiven Partikel 6 werden entweder in die Ausgangsstoffe für die Glasschmelze eingemischt oder die Partikel werden in die bereits aufgeschmolzene Glasschmelze eingemischt (G4/G6).
  • Aus der gemischten Glasschmelze wird dann durch Ziehen oder Float-Extrudieren ein Flachglas 40 gezogen (G8), um ein Glaselement (G10) herzustellen. Flachglas ist die bevorzugte Anwendungsform für das mit photokatalytisch aktiven Partikeln 6 versetzte Glas. Alternativ kann ein Glaselement ein geblasener oder gespritzter Glasartikel sein, wie beispielsweise Flaschen, Behältnisse oder andere 3D-Glasformen.
  • Unter ‚Flachglas‘ wird hierin auch ein aus einem zunächst als Flachglas hergestelltem und dann umgeformten Glaselement verstanden. Beispielsweise eine gebogene Autoscheibe oder eine gewölbte Panoramascheibe. Das Umformen kann erfolgen, wenn das gerade hergestellte Flachglas noch warm ist oder das bereits abgekühlte Flachglas wird wieder erwärmt und dann in die gewünschte Form/Krümmung umgeformt. Dieses Umformen kann auch mit Verbundglas erfolgen.
  • Optional können sich an den Schritt G10 (Flachglas ist hergestellt) noch Schritte zur Herstellung eines Verbundglases anschließen, wobei auf einer oder mehreren Flachgläsern 40, 42 (unter Verwendung mindestens eines mit den photokatalytisch aktiven Partikeln versetzten Flachglases 40) als Haftvermittler 44 vorzugsweise ein Thermoplast aufgetragen (G12) wird und die beiden Flachgläser 40, 42 zu einem Verbundglas 46 verbunden (auflaminiert) werden (G14).
  • Mindestens eine außenliegende Scheibe 40 des Verbundglases 46 ist mit den photokatalytisch aktiven Partikeln 6 versehen, so dass der photokatalytische Effekt wie zu 3 beschrieben auch an der Oberfläche des(der) außenliegenden Gläser 40 stattfindet. Wie erwähnt kann das ‚Flachglas‘ auch einem Umformprozess unterzogen worden sein, um eine gebogene Scheibe wie beispielsweise eine gebogene Windschutzscheibe zu erhalten.
  • Weitere Anwendungen solcher mit photokatalytisch aktiven Partikeln versetzten Glaselementen sind Fassadenelemente, Brillengläser, Flaschen, Bildschirmscheiben.
  • In weiterer Ausgestaltung ist eine Kunststofffolie, die wie oben beschrieben hergestellt wurde und/oder photokatalytisch aktive Partikel enthält auf die Außenfläche oder beide Außenflächen eines Glaselements (z.B. Flachglas) auflaminiert oder geklebt. Dann entfaltet das so folien-beschichtete Glas oder Verbundglas ebenfalls den photokatalytischen Effekt.
  • 6 zeigt als Beispiel eine Flachglasscheibe 40 mit darin eingebetteten photokatalytisch aktiven Partikeln 6. Optional ist die Scheibe bzw. das Flachglas 40 im Verbund mit einem weiteren Flachglas 42, das mittels eines Haftvermittlers 44 auf das Flachglas 40 auflaminiert ist, so dass eine Verbundscheibe 46 gegeben ist. Ein Haftvermittler 44 ist beispielsweise ein Thermoplast.
  • Bezugszeichenliste
    • 2
    Masterbatch
    4
    Masterbatch-Granulatkorn
    6
    photokatalytisch aktives Partikel
    8
    weiteres Additiv
    10
    Extrusionsgemisch
    12
    Granulatkorn weiteres Rohpolymer
    14
    Kunststoffelement (Kunststoffbahn oder Kunststoffscheibe)
    16
    photokatalytische Schicht (photokatalytisch aktive Schicht)
    18
    Träger-/Funktionsschicht (optional/koextrudiert)
    20
    photokatalytischer Effekt
    22
    Photon
    24
    Ladungspaar
    26
    Verunreinigung/Zelle/Bakterie
    28
    Zersetzungsprodukte
    40
    Flachglas
    42
    weiteres Flachglas
    44
    Haftvermittler / Thermoplast
    46
    Verbundglas
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • EP 2695663 A1 [0003]

Claims (14)

  1. Masterbatch (2) für die Herstellung von Kunststoffelementen (14, 16), bei dem einem Rohpolymer photokatalytisch aktive Partikel (6) beigemischt sind.
  2. Masterbatch nach Anspruch 1, wobei der Gewichtsanteil der photokatalytisch aktiven Partikel (6) am Masterbatch (2) im Bereich von 2-80% liegt, vorzugsweise 5-15%, 10-25%, 20-45%, 40-60% oder 50-75%.
  3. Masterbatch nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Masterbatch (2) neben den photokatalytisch aktiven Partikeln (6) noch weitere Additive (8) aufweist, vorzugsweise Farbmittel und/oder Weichmacher und/oder Härtemittel und/oder wobei der Gewichtsanteil der weiteren Additive im Bereich von 1-50%, 0,5-10%, 3-25%, 10-65% oder 20-30% liegt.
  4. Masterbatch nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei der Rohkunststoff eines oder mehrere der folgenden Kunststofftypen ist oder aufweist: Polyethylen (PE), HDPE, LDPE, Polyamid, Polyester, Polystyrol, Polypropylen, PVC, Polyurethan, Polyethylenterephthalat, großvolumige Polymere, Polysaccharide, Acryl, Polyhydroxybuttersäure, Polyactid, flüssigkristalline Polymere, Elastan, oder wobei der Rohkunststoff eine Mischung aus Polymeren ist, insbesondere eine Mischung aus zwei, drei oder mehreren der hier aufgeführten Kunststofftypen.
  5. Kunststoffelement (14, 16) mit darin eingebetteten photokatalytisch aktiven Partikeln (6).
  6. Kunststoffelement nach Anspruch 5, wobei das Kunststoffelement (14, 16) oder zumindest ein Teil oder eine Lage (16) des Kunststoffelements ausgebildet ist unter Verwendung eines Masterbatches (2), der photokatalytisch aktive Partikel aufweist, insbesondere unter Verwendung eines Masterbatches (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 4.
  7. Kunststoffelement nach Anspruch 5 oder 6, wobei das Kunststoffelement (14, 16) zumindest über einen Teilbereich der Oberfläche des Kunststoffelements ausgebildet ist durch Koextrusion, wobei eine an der Oberfläche des Kunststoffteils liegende Schicht die photokatalytisch aktiven Partikel (6) aufweist.
  8. Kunststoffelement nach Anspruch 5, 6 oder 7, wobei das Kunststoffelement ausgebildet ist aus zumindest zwei Lagen (18, 16) von Kunststoffen, wobei eine der Lagen (16) die photokatalytisch aktiven Partikel (6) aufweist, oder wobei in Tiefenrichtung des Kunststoffelements die Dichte der photokatalytisch aktiven Partikel (6) abnimmt und/oder wobei die Dichte der photokatalytisch aktiven Partikel im Oberflächenbereich des Kunststoffelements erhöht ist und/oder das Kunststoffelement die photokatalytisch aktiven Partikel nur im Oberflächenbereich aufweist.
  9. Kunststoffelement nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei das Kunststoffelement (14, 16) eines der folgenden ist: ein Bauelement, ein Inneraumdekorelement, ein Raumverkleidungselement, eine Akustikelement, ein Fahrzeuginnenelement, ein Luftführungselement, ein (Ventilator-)Flügelelement, ein Luftkanal, ein transparentes Scheibenelement, eine Fahrzeugscheibe, ein thermisch isolierendes Bauelement, ein wasserführendes Element, eine Möbelbeschichtung, eine Möbelplatte, ein Möbelteil, ein Gehäuse, ein Geschirrteil, ein Elektronikgehäuse, ein Tastaturelement, eine gesponnene Faser, ein Fasergewebe, ein Faservlies, ein aus einem Fasergewebe oder Faservlies gefertigtes Textilteil, ein Filterelement, eine Filtermatte.
  10. Glasschmelze mit einer Vielzahl oder enthaltend eine Vielzahl von photokatalytisch aktiven Partikeln (6).
  11. Glaselement (40, 46) mit einer Vielzahl von photokatalytisch aktiven Partikeln (6), insbesondere Glaselement hergestellt aus einer Glasschmelze nach Anspruch 10.
  12. Masterbatch nach einem der Ansprüche 1 bis 4, Kunststoffelement nach einem der Ansprüche 5 bis 9, Glasschmelze nach Anspruch 10, oder Glaselement nach Anspruch 11, wobei die Partikelgröße der photokatalytisch aktiven Partikel im Bereich von 50 nm bis 1 µm, 70 bis 800 nm, 150 bis 900 nm, 300 bis 700 nm oder 450 bis 750 nm liegt.
  13. Masterbatch nach einem der Ansprüche 1 bis 4 oder 12, Kunststoffelement nach einem der Ansprüche 5 bis 9 oder 12, Glasschmelze nach Anspruch 10 oder 12, oder Glaselement nach Anspruch 11 oder 12, wobei die photokatalytisch aktiven Partikel Titanoxid-Partikel sind oder aufweisen, wobei insbesondere die Titanoxid-Partikel Anatas-Partikel und/oder Rutil-Partikel sind, und/oder wobei insbesondere die photokatalytisch aktiven Partikel zumindest teilweise dotiert sind, wobei insbesondere die Titanoxid-Partikel zumindest teilweise dotiert sind, und/oder wobei insbesondere der Schmelzpunkt bzw. die Schmelztemperatur der photokatalytisch aktiven Partikel höher ist als 300°C, 400°C, 600°C, 800°C oder 1200°C.
  14. Masterbatch nach einem der Ansprüche 1 bis 4 oder 12 oder 13, Kunststoffelement nach einem der Ansprüche 5 bis 9 oder 12 oder 13, Glasschmelze nach Anspruch 10 oder 12 oder 13, oder Glaselement nach Anspruch 11 oder 12 oder 13, wobei alle oder zumindest ein Teil der photokatalytisch aktiven Partikel eine oder mehrere der folgenden Eigenschaften aufweisen: - die Partikel sind kristallin, - die Partikel sind halbleitend, - die Partikel sind dotiert.
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