DE3731733A1 - Waessrige beschichtungsmasse und deren verwendung zur beschichtung von gegen uv-strahlung zu schuetzenden gegenstaenden - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine wässrige Be­ schichtungsmasse und deren Verwendung zur Beschichtung von gegen UV-Strahlung zu schützenden Gegenständen.

Es ist aus zahlreichen Literaturstellen bekannt, daß Polyolefine, wie Hochdruck- und Niederdruckpolyäthylen sowie Polypropylen und andere Kunststoffe durch UV- Strahlung sehr stark in Mitleidenschaft gezogen werden, da diese Strahlung eine "photochemische Zersetzung" be­ wirkt. Durch diese photochemische Zersetzung werden jähr­ lich Kunststoffe in einem Wert von ca. 100 Mill. DM zer­ stört.

Es ist ferner bekannt, daß Rußpigmente die Eigenschaft haben, die UV-Stabilität der Kunststoffe zu erhöhen. Von verschiedenen Kunststoffverarbeitern wird daher die Beimengung von 3 bis 5 Gew.-% Ruß zum Kunststoff empfohlen.

Der 3- bis 5-gew.-%ige Rußzusatz zu der Kunststoffmasse hat die Aufgabe, die eintreffende UV-Strahlung zu absor­ bieren, um auf diese Weise den Kunststoff vor der photo­ chemischen Zersetzung zu schützem. Die Praxis hat jedoch gezeigt daß in sonnenintensiven Ländern Zersetzungen des Kunststoffes auch dann stattfinden, wenn ein Rußan­ teil von 3 bis 5 Gew.-% im Kunststoff eingebaut ist. Der Grund hierfür ist darin zu sehen, daß die UV-Strahlung als elektromagnetische Welle erst dann in eine andere Energieform umgewandelt wird, wenn sie auf ein Rußpigment auftrifft, d.h. daß die eintreffende Welle zunächst in die Kunststoffoberfläche eindringt und die chemische Zer­ setzung einleitet, bevor sie auf ein Rußpigment trifft.

Ähnlich wie Ruß werden auch Zusätze von UV-strahlungsab­ sorbierenden transparenten Eisenoxiden oder von UV-strah­ lungsabsorbierenden organischen Verbindungen eingesetzt, um die Kunststoffe vor der Zersetzung durch UV-Strahlung zu schützen. Die mengenmäßigen Zusätze betragen in der Regel 1 bis 4%, bezogen auf die Kunststoff- oder Lack­ mischungen.

Schließlich ist noch die Verwendung eines Gemisches aus einer 25- bis 45-gew.-%igen wäßrigen Channelruß-Dispersion und einer 45- bis 55-gew.-%igen wäßrigen Polyacrylatharz- Dispersion bekannt, wobei das Verhältnis des Durchmessers der Rußteilchen zu dem Durchmesser der Polyacrylatharz­ teilchen höchstens 1 : 20 beträgt und eine ausreichende Menge an Rußteilchen enthalten ist, um die Oberfläche aller Polyacrylatharzteilchen vollständig zu bedecken, zur Beschichtung von gegen UV-Strahlung zu schützenden Gegenständen. Die auf diese Weise erhaltenen Beschich­ tungen zeigen eine schwarze, offensichtlich nur aus Ruß­ teilchen bestehende Oberfläche, die wie ein Schirm wirkt und auf diese Weise einen wirksamen UV-Schutz darstellt. Eine solche UV-Schutzbeschichtung hat aber, abgesehen von der Schwarzfärbung, den Nachteil, daß sie nicht nur die einfallende UV-Strahlung absorbiert, sondern auch das Spektrum der Infrarotstrahlung im Wellenlängenbereich 700-2000 nm, wodurch eine Erwärmung der beschichteten Körper unvermeidbar wird. Sie kann demzufolge nur dort Anwendung finden, wo die durch Rußpigmente bedingte schwarze Einfärbung keine Behinderung darstellt und wo keine Erwärmung durch Absorption störend wirkt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Beschichtungsmasse zur Verfügung zu stellen, die einer­ seits beliebig einfärbbar ist und die andererseits nach ihrer Aufbringung auf die gegen UV-Strahlung zu schützen­ den Gegenstände einen äußeren anorganischen Schutzfilm bildet, der eine vollkommene Strahlungs-Reflektion, ins­ besondere eine UV- und IR-Reflektion, gewährleistet und dadurch eine thermische Aufheizung verhindert.

Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der vorliegenden Erfindung mit einer wässrigen Beschichtungsmasse, die im wesent­ lichen besteht aus einer wässrigen Kunststoffdispersion und einem oder mehreren anorganischen Pigmenten, ausge­ nommem Ruß, mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 7 bis 70 nm, vorzugsweise von 7 bis 50 nm, insbe­ sondere von 7 bis 30 nm, wobei das Gewichtsverhältnis Kunststoffteilchen zu Pigmentteilchen mindestens 1:1 beträgt.

Als anorganische Pigmente kommen alle Pigmente in Frage, die die vorstehend angegebenen Teilchengrößen aufweisen, beispielsweise anorganische Polysäuren, Metalloxide, Metallmischoxide und anorganische Salze. Zu erfindungs­ gemäß bevorzugt eingesetzten Pigmenten gehören Hellpig­ mente wie pyrogene Kieselsäure, gefällte Kieselsäure, gefälltes Aluminiumsilikat, gefälltes Calciumsilikat und gefälltes Calciumcarbonat. Eine besonders bevorzugte Ver­ wendung finden pyrogene und gefällte Kieselsäuren.

Die erfindungsgemäß unter Verwendung von Hellpigmenten hergestellten Beschichtungsmassen können durch Zugabe von Farbpigmenten, deren Teilchengröße in der gleichen Größenordnung wie die Hellpigmente liegen, nach Wunsch eingefärbt werden. Zu solchen Farbpigmenten gehören bei­ spielsweise die von der BASF im Handel erhältlichen, transparenten Eisenoxide "Sicotrans" und die von Degussa hergestellten "Vossen blau" Pigmente. Beide Pigmente haben Primärteilchengrößen im Nanometerbereich. Erfin­ dungsgemäß werden zur Einfärbung je nach Farbwunsch 3 bis 10% Farbpigmente zur Beschichtungsmasse zugegeben. Auf diese Weise können beispielsweise die sich bei Ver­ wendung von pyrogener oder gefällter Kieselsäure bilden­ den weißen Oberflächen eingefärbt werden.

Selbstverständlich kann man gemäß der vorliegenden Er­ findung aber auch für spezielle Anwendungszwecke die Hellpigmente ganz durch Farbpigmente ersetzen.

Die erfindungsgemäß eingesetzten Kieselsäuren, die auf dem Fällungs- oder pyrogenen Wege hergestellt werden, sowie auch nach diesem Verfahren hergestellte Metall­ oxide, z.B. Aluminiumoxid oder Mischoxide, werden z.B. unter dem Handelsnamen "Aerosil" von Degussa, oder "Syton" von Monsanto angeboten und sind beispielsweise in der Schriftenreihe "Aerosil" und "Helle Verstärker­ füllstoffe" der Firma Degussa beschrieben. Aerosil ist ein sehr reines, feinteiliges Siliciumdioxid, das als Kieselsäure, je nach Typ, eine Primärteilchengröße von 7 bis 40 nm hat - mit einem Siliciumgehalt von 98 bis 99,8% - (siehe Degussa Schriftenreihe).

Aerosil wird u.a. in der Lackindustrie als Thixotropie- und Mattierungsmittel eingesetzt. Bei diesen Anwendungen (siehe Degussa Hefte 21 + 33) werden 1 bis 5 Gew.-% Aerosil für die erfolgreiche Effekterzielung empfohlen.

Die Verwendung von Siliciumdioxid als Pigment für einen UV-Schutzlack verbietet sich an sich zunächst einmal grundsätzlich, da die Siliciumdioxid-Teilchen ähnlich wie Quarzglas gegenüber der Strahlung völlig durchlässig sind. Der Brechungsindex beträgt 1,45 und entspricht dem eines aufgetrockneten Kunststoffdispersionsfilmes, so daß eine völlige Transparenz vorliegt und keine optische Beeinflussung der UV-Strahlung und des sichtbaren Lichtes feststellbar ist.

Diese Transparenz wurde auch bei Mischoxiden von 99% SiO₂ und 1% Al₂O₃ festgestellt. Von einer UV-Strahlungsbeein­ flussung ist im Stande der Technik bisher nichts be­ schrieben worden.

Die einzelnen SiO₂-Pigmente, mit z.B. 10 nm Teilchengröße, liegen weit unterhalb der Wellenlänge des sichtbaren Lichtes mit z.B. 500 nm. Daher kann ein einzelnes SiO₂-Pig­ ment nicht sichtbar sein - ebenso ist die Funktion im Zusammenhang mit UV- oder Infrarotlicht zu bewerten. So bleibt selbst bei einer hohen Pigmentvolumenkonzentration die Transparenz der Lackfilme erhalten. Es sind aber Mattierungseffekte oder Glanzgradveränderungen nach­ weisbar.

Während selbst bei sehr hohen Füllungsgraden die Trans­ parenz erhalten blieb, wurde überraschenderweise fest­ gestellt, daß ab bestimmten hohen Pigmentvolumenkonzen­ trationen eine weiße, anorganische Lackfilmoberfläche vorliegt, die in hohem Grade ultraviolettstrahlungsre­ flektierend wirksam ist. Dieser Effekt wird erfindungs­ gemäß immer dann erreicht, wenn die Pigmentvolumenkon­ zentration so hoch ist, daß die zu reflektierende Strah­ lung die einzelnen SiO₂-Pigmente als geschlossene homogene Fläche antrifft.

Zwar ist es Stand der Technik, Kunststoffdispersionen mit Pigmenten als Lack zu mischen, um Reflektionseigen­ schaften zu erzielen, wobei als Pigmente z.B. Titandioxid, Bariumsulfat, Bleioxid, Glimmer, Kaolin, Kreide, Talkum oder Eisenoxid eingesetzt werden, doch zeigt eine Analyse der Pigmentteilchengröße, daß die Farbpigmentteilchen oft tausendfach größer sind, als die Kunststoffkügelchen der Kunststoffdispersionen, die in der filmbildenden Dispersion vorhanden sind. Dies führt dazu, daß UV-strah­ lungsanfälliger Kunststoff ebenfalls mit an der Ober­ fläche liegt und damit der Zerstörung durch UV-Strahlung zugänglich ist.

Mit dieser Feststellung soll der Unterschied zwischen dem Stand der Technik und der vorliegenden Erfindung hervorgehoben werden.

Während bei herkömmlichen, pigmentierten Dispersions­ lacken die Farbpigmente gegenüber den Kunststoffkügel­ chen groß sind, sind die gemäß der vorliegenden Erfindung verwendeten Farbpigmente kleiner als die der Kunststoff­ teilchen. Im übrigen sei erwähnt, daß dies nur bei wäßrigen Dispersionen gilt, also nicht bei Kunststofflösungen, da diese schon bei sehr geringer Zugabe von Aerosil stark verdicken.

Allerdings kann man gemäß der vorliegenden Erfindung für spezielle Anwendungszwecke anstelle der wässrigen Kunststoffdispersion Dispersionen verwenden, bei denen die Kunststoffteilchen in solchen organischen Flüssigkeiten dispergiert sind, die bei Zugabe von Aerosil nicht stark verdicken.

Die zur Herstellung der erfindungsgemäßen Beschichtungs­ masse dienenden Pigmente werden vorzugsweise in Form von wässrigen Dispersionen eingesetzt, die 30 bis 55 Gew.-%, vorzugsweise 30 bis 40 Gew.-%, Pigment enthalten. Das gleiche gilt für die Kunststoffdispersionen, die aller­ dings vorzugsweise 45 bis 55 Gew.-% an Kunststoffteilchen enthalten. Dabei werden vorzugsweise solche Kunststoffdis­ persionen gewählt, deren Kunststoffkügelchen eine Teil­ chengröße zwischen 0,1 und 0,5 µm haben. Die Teilchen­ bereiche der erfindungsgemäß eingesetzten Pigmente liegen dagegen vorzugsweise zwischen 10 und 50 nm.

Den Beschichtungsmassen, die keine hochelastischen Be­ schichtungen ergeben sollen, kann man zusätzlich eine Wasserglaslösung, bestehend aus Kali- oder Natriumwasser­ glas zusetzen, wobei die Wasserglasmenge 50 Gew.-% der SiO₂-Dispersion nicht überschreiten sollte.

Die Teilchen der erfindungsgemäß eingesetzten Kunststoff­ dispersion bestehen vorzugsweise aus Polyacrylsäure­ estern, Polymethacrylsäureestern und/oder Copolymeren aus Acrylsäureestern und/oder Methacrylsäureestern mit anderen Vinylmonomeren oder anderen Monomeren mit einer oder mehreren C-C-Doppelbindungen oder aus heißsiegel­ fähigen carboxylgruppenhaltigen Polyvinylidenchloriden und/oder Mischpolymerisaten davon. Derartige Dispersionen sind beispielsweise bei der BASF unter den geschützten Warenzeichen "Acronal", "Diofan" oder "Lutofan" erhältlich, wovon es die verschiedensten Typen gibt.

Neben den erwähnten Bestandteilen kann die erfindungs­ gemäße Beschichtungsmasse selbstverständlich auch noch bei Dispersionsfarben übliche Hilfsmittel enthalten, z.B. zwecks Einstellung der Streichfähigkeit oder des Tropf­ verhaltens.

Vorzugsweise bringt man gemäß der Erfindung in die Kunst­ stoffdispersion so viele Pigmentteilchen ein, bis die ge­ samte Oberfläche aller Kunststoffteilchen vollständig damit bedeckt ist. Die Bedeckung der Oberfläche der Kunststoffteilchen ist dabei umso vollständiger, je klei­ ner die Pigmentteilchen gegenüber den Kunststoffteilchen sind. Vorzugsweise ist das Verhältnis Durchmesser der Pigmentteil­ chen zu Durchmesser der Kunststoffteilchen gleich oder kleiner 1 : 20, insbesondere 1 : 100 oder kleiner. Mit anderen Worten, beträgt z.B. der Durchmesser der Pigmentteil­ chen nur 1/100 oder weniger des Durchmessers der Kunst­ stoffteilchen, so erhält man einerseits eine sehr gute Bedeckung der Oberfläche der Kunststoffteilchen und andererseits bei der Filmbildung eine sehr dichte Pigment­ packung an der Oberfläche des Films. Aus dem Verhältnis Durchmesser der Pigmentteilchen zu Durchmesser der Kunst­ stoffteilchen und dem Ziel, eine möglichst dichte Be­ deckung der Oberfläche der Kunststoffteilchen zu errei­ chen, ergibt sich für den Fachmann durch einfache Rechen­ operationen, in welchen Mengenverhältnissen die Pigmentdis­ persion mit der Kunststoffdispersion gemischt werden muß.

Erhalten wird die gegen UV-Strahlung zu schützende Beschich­ tung durch Auftragen der erfindungsgemäßen Beschichtungs­ masse auf einen Träger und Abdunsten der Flüssigkeit. Während der Trocknung vereinigen sich die Kunststoff­ kügelchen durch plastisches Ineinanderfließen aufgrund der erheblichen Kohäsionskräfte zu einem Film. Dabei werden die bedeutend kleineren Pigmentteilchen dort zur Seite bzw. an die Oberfläche verschoben, wo Berührungs­ punkte von Kunststoffteilchen zu Kunststoffteilchen ge­ bildet werden. Auch dort, wo die Kunststoffkügelchen Be­ rührung zu der zu beschichtenden Trägerfläche finden, werden die Pigmentteilchen zur Seite geschoben, so daß der Film gut am Träger haftet. Nachdem die beschichtete Fläche vollständig getrocknet ist, ist die gesamte Ober­ fläche mit Pigment bedeckt. Die Pigmentteilchen sind fest über die Kunststoffteilchen, die zu einem Film vereinigt sind, mit der Trägerfläche verbunden. Die Filmstärke soll etwa 100 µm betragen. Die Beschichtung zeigt auch bei 100facher UV-Einstrahlumg ein praktisch 100%iges Reflektionsvermögen.

Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Beschichtungsmasse lassen sich alle Gegenstände beschichten, die man vor UV-Strahlumg schützen will. Ein besonderes Anwendungs­ beispiel ist die Beschichtung von Polyäthylen- und Poly­ propylenfolien. In einigen Fällen kann es von Vorteil sein, wenn man vor dem Aufbringen der Beschichtungsmasse auf den zu beschichtenden Gegenstand einen Haftvermitt­ ler aufträgt.

Die für organische Verbindungen schädliche Strahlung liegt im Wellenlängenbereich von 280 bis 400 nm.

Obwohl die erfindungsgemäße Beschichtung auch im soge­ nannten UVC-Bereich mit Wellenlängen unterhalb 280 nm reflektierend wirksam ist, gilt der Hauptanwendungsbe­ reich den Wellenlängen von 290 nm bis 600 nm, da UV-Strah­ lung mit Wellenlängen unterhalb 280 nm (UVC-Strahlung) von der Ozonschicht der Atmosphäre abgefangen wird.

Der Bereich der UVB-Strahlung reicht von 295 bis 320 nm, der des UVA-Bereichs von 320 bis 380 nm.

Die folgenden Vergleichsbeispiele und Beispiele erläutern die Herstellung der erfindungsgemäßen Beschichtungs­ masse zur Herstellung von UV-reflektierenden Oberflächen­ beschichtungen. Die Auftragung der Beschichtungsmasse auf die vor UV-Strahlung zu schützenden Gegenstände er­ folgt mittels bekannter Techniken.

Vergleichsbeispiel 1

Es werden 50 Gew.-Teile einer 40-gew.-%igen wässrigen SiO₂-Dispersion angesetzt. In die Dispersion werden 100 Gew.-Teile einer 50-gew.-%igen Polyacrylatdispersion gegeben und ca. 15 Minuten verrührt. Nach dem Auftrag ist der sich während des Auftrocknens bildende Film hochtransparent und zeigt keine Reflektionswirkung für UV-Licht.

Vergleichsbeispiel 2

Es werden 100 Gew.-Teile einer wässrigen 40-gew.-%igen SiO ₂-Dispersion vorgelegt und 150 Gew.-Teile einer 50-gew.-%igen Acrylharzdispersion eingerührt. Nach dem Auftrag und dem Auftrocknen zeigt der Film eine völlige Transparenz für UV- und sichtbares Licht.

Vergleichsbeispiel 3

Es werden 100 Gew.-Teile einer 40-gew.-%igen wässrigen SiO₂-Dispersion vorgelegt. In die Dispersion werden 100 Gew.-Teile einer 50-gew.-%igen Acrylharzdispersion eingerührt. Nach dem Auftrocknen zeigt der Film ein leichtes Nachlassen der Transparenz, jedoch fast keine Reflektionswirkung für UV-Strahlung.

Beispiel 1

Es werden 125 Gew.-Teile einer 40-gew.-%igen wässrigen SiO₂-Dispersion vorgelegt, in die 100 Gew.-Teile einer 50-gew.-%igen wässrigen Kunststoffdispersion gerührt werden (15 Minuten). Nach dem Auftrag und dem Auftrocknen des Films liegt eine weiße, das UV-Licht reflektierende Beschichtung vor.

Beispiel 2

Es werden 150 Gew.-Teile einer 40-gew.-%igen wässrigen SiO₂-Dispersion vorgelegt, in die 100 Gew.-Teile einer 50-gew.-%igen wässrigen Kunststoffdispersion gerührt werden (15 Minuten). Nach dem Auftrag und dem Auftrocknen des Films liegt eine weiße, das UV-Licht reflektierende Beschichtung vor.

Ein höherer Füllungsgrad geht zu Lasten der mechanischen Festigkeitswerte des Films.

Claims (10)

1. Wässrige Beschichtungsmasse, bestehend im wesent­ lichen aus einer wässrigen Kunststoffdispersion und einem oder mehreren anorganischen Pigmenten, ausge­ nommen Ruß, mit einer durchschnittlichen Teilchen­ größe von 7 bis 70 nm, vorzugsweise von 7 bis 50 nm, insbesondere von 7 bis 30 nm, wobei das Gewichtsver­ hältnis Kunststoffteilchen zu Pigmentteilchen minde­ stens 1:1 beträgt.

2. Beschichtungsmasse nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die anorganischen Pigmente anorganische Polysäuren, Metalloxide, Metallmischoxide oder an­ organische Salze sind, die nach pyrogenen Verfahren oder durch Fällungsreaktionen hergestellt wurden.

3. Beschichtungsmasse nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie als anorganische Hellpigmente pyrogene Kieselsäure, gefällte Kieselsäure, gefälltes Aluminiumsilikat, gefälltes Calciumsilikat und/oder gefälltes Calciumcarbonat, insbesondere pyrogene und/oder gefällte Kieselsäuren, enthält.

4. Beschichtungsmasse nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie neben den anorganischen Hell­ pigmenten zusätzlich zur Einfärbung anorganische Farbpigmente mit einer Teilchengröße, wie in Anspruch 1 angegeben, enthält.

5. Beschichtungsmasse nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie als anorganische Pigmente nur ein oder mehrere Farbpigmente enthält.

6. Beschichtungsmasse nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie unter Verwendung einer 45- bis 55-gew.-%igen wässrigen Kunststoffdispersion hergestellt wurde.

7. Beschichtungsmasse nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen der Kunststoffdis­ persion aus Polyacrylsäureestern, Polymethacryl­ säureestern und/oder Copolymeren aus Acrylsäure­ estern und/oder Methacrylsäureestern mit anderen Vinylmonomeren oder anderen Monomeren mit einer oder mehreren C-C-Doppelbindungen bestehen.

8. Beschichtungsmasse nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen der Kunststoffdis­ persion aus heißsiegelfähigen carboxylgruppenhalti­ gen Polyvinylidenchloriden und/oder Mischpolymeri­ saten davon bestehen.

9. Beschichtungsmasse nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie die bei Dispersionsfarben üblichen Hilfsmittel und/oder Wasserglas enthält.

10. Verwendung einer Beschichtungsmasse gemäß Anspruch 1 bis 9 zur Beschichtung von gegen UV-Strahlung zu schützenden Gegenständen.