DE60008243T2

DE60008243T2 - Wässrige Ceramer-Zusammensetzungen und daraus hergestellte antistatische abriebfeste Ceramere

Info

Publication number: DE60008243T2
Application number: DE60008243T
Authority: DE
Inventors: D. Bradley CRAIG; Zayn Bilkadi
Original assignee: 3M Innovative Properties Co
Current assignee: 3M Innovative Properties Co
Priority date: 1999-05-27
Filing date: 2000-05-24
Publication date: 2004-12-02
Anticipated expiration: 2020-05-25
Also published as: US20020099119A1; DE60008243D1; EP1194931B1; WO2000074074A1; JP2003501492A; EP1194931A1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft Ceramer-Zusammensetzungen, umfassend ein elektrisch leitendes, organisches Polymer, abriebfeste antistatische Ceramer-Gegenstände, die aus diesen Ceramer-Zusammensetzungen hergestellt sind und Verfahren zur Herstellung dieser Ceramere und Ceramer-Zusammensetzungen.
HINTERGRUND
Die chemischen und physikalischen Eigenschaften von Polymeren werden durch das Einbringen von Zusätzen in das Polymer modifiziert. Zum Beispiel sind Zusätze, wie Klarsichtmittel, Antioxidantien, Weichmacher, Stabilisatoren, Infrarot-Absorptionsmittel, Biozide, Flammverzögerungsmittel, Füllstoffe, Gleitmittel, nichtionische oberflächenaktive Mittel etc. organischen Matrices zugesetzt worden, um Polymere mit neuen Verwendungsmöglichkeiten bereitzustellen. Derartige Zusätze können in der Form von zum Beispiel Flüssigkeiten, Pasten, wachsartigen niedrig schmelzenden Lösungen oder Feststoffen vorliegen.
Zusätze, die Polymeren zugegeben werden, können Polymere mit einzigartigen elektrischen Eigenschaften bereitstellen. Ohne Zusätze sind Kunststoffe typischerweise elektrisch isolierend und können durch Kontakt mit oder Reibung an einem Material oder durch Abziehen von einem Material während der Herstellung oder Verwendung davon, statische Elektrizität erzeugen und akkumulieren. Kunststoffe mit hoher elektrischer Leitfähigkeit können die Akkumulation von Elektronen verhindern und sind deshalb antistatisch. Optisch transparente, elektrisch leitende Beschichtungen sind auf dem Fachgebiet zur Verwendung in Anzeigevorrichtungen, photoleitenden Komponenten und solaren photovoltaischen Zellen bekannt. Diese leitenden Beschichtungen werden aus organischen Matrices hergestellt, die Zusätze enthalten, die die Leitfähigkeit der Beschichtung erhöhen. U.S. Patent Nr. 5,770,216 berichtet über leitfähige Filme, die Zinkoxid-Teilchen als Zusätze enthalten. U.S. Patent Nr. 5,300,575 berichtet über Kunststofffilme, die Polythiophenverbindungen mit hoher elektrischer Leitfähigkeit enthalten.
Einige antistatische Beschichtungen leiten die Elektrizität unter relativ niedriger Luftfeuchtigkeit nicht. Beispielsweise benötigen antistatische Beschichtungen, die ionische Leiter in organischen Matrices verteilt umfassen, typischerweise Wasser, um Elektrizität zu leiten. Ladung wird in Gegenwart von Wasser transportiert und die Leitung von Elektrizität kann aufhören, wenn die antistatische Beschichtung in eine relative Feuchtigkeit unter etwa 20 Prozent oder weniger gebracht wird. Anders als ionische Leiter, ist ein elektrisch leitendes, organisches Material, wie Polythiophen, verteilt in einer organischen Matrix, in der Lage, Elektrizität unterhalb einer Feuchtigkeit von etwa 20 Prozent zu leiten. Die Leitung von Elektrizität findet in einer relativ trockenen Umgebung statt, da die Elektronen sich über konjugierte Doppelbindungen bewegen, die sich innerhalb des Polythiophen-Gerüsts befinden. Typischerweise sind organische Matrices, die ein elektrisch leitendes, organisches Polymer umfassen, wie eine Beschichtung, weich und werden leicht verkratzt oder abgerieben. Derartige Beschichtungen können ungeeignet für bestimmte Verwendungszwecke sein. Das Formulieren von Beschichtungen, die unter Bedingungen relativ niedriger Feuchtigkeit sowohl kratzfest als auch antistatisch sind, ist schwierig. Die Komponenten der organischen Zusammensetzungen müssen miteinander kompatibel sein, damit eine Beschichtung mit den gewünschten Eigenschaften hergestellt wird. Nur die richtigen Kombinationen an Komponenten werden eine derartige Beschichtung bilden.
ZUSAMMENFASSUNG
Die vorliegende Erfindung stellt wässrige Ceramer-Zusammensetzungen bereit, die gehärtet werden können, um abriebfeste, antistatische Ceramere bereitzustellen. Die Ceramere können in Form einer Ceramer-Beschichtung über einem Substrat bereitgestellt werden oder sie können in Form von Ceramer-Gegenständen vorliegen. Wässrige Ceramer-Zusammensetzungen der vorliegenden Erfindung umfassen eine kontinuierliche Phase aus Wasser, in der eine Mehrzahl von kolloidalen Siliciumdioxid-Teilchen, eine härtbare Bindervorstufe, wie in Anspruch 1 definiert, und ein elektrisch leitendes, organisches Polymer verteilt oder gelöst sind. Verschiedene optionale Inhaltsstoffe können in den Ceramer-Zusammensetzungen auch enthalten sein, zum Beispiel kolloidale anorganische Oxidteilchen, Kupplungsmittel, Mittel zur Modifizierung der Beschichtung, Cosolventien, oberflächenaktive Mittel und andere optionale Zusätze.
In einer anderen Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer wässrigen Ceramer-Zusammensetzung bereit, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: (a) Zusammenfügen eines wässrigen Siliciumdioxidsols, einer mit Wasser mischbaren oder in Wasser verteilbaren Bindervorstufe, wie in Anspruch 1 definiert, und eines Kupplungsmittels, um ein erstes Gemisch zu bilden; (b) Erwärmen des ersten Gemischs bis das Kupplungsmittel die Oberfläche der Siliciumdioxidteilchen bedeckt; (c) Hinzufügen eines Lösungsmittels und eines Härtungsmittels zum ersten Gemisch, um ein zweites Gemisch zu bilden; und (d) Hinzufügen eines elektrisch leitenden, organischen Polymers zum zweiten Gemisch, um die wässrige Ceramer-Zusammensetzung zu bilden.
Wie hierin mit Bezug auf die vorliegende Erfindung verwendet, soll das Folgende zutreffen:
„Bindemittel" bezieht sich auf eine fest gewordene oder gehärtete Bindervorstufe.
„Bindervorstufe" bezieht sich auf eine härtbare Zusammensetzung, die mindestens ein reaktives Monomer, Oligomer oder eine Kombinationen davon umfasst, die ausgewählt sind aus ethylenisch ungesättigten Monomeren, Oligomeren oder Kombinationen davon.
„Ceramer" bezieht sich auf eine gehärtete Ceramer-Zusammensetzung.
„Ceramer-Zusammensetzung" bezieht sich auf eine fließfähige Dispersion, die im Wesentlichen nicht aggregierte, kolloidale, anorganische Oxidteilchen (einschließlich mindestens Siliciumdioxidteilchen) umfasst, die gleichmäßig in mindestens eine Bindervorstufe eingeschlossen sind.
„Beschichtung" bezieht sich auf eine Schicht des Ceramers.
„Kupplungsmittel" bezieht sich auf organische Moleküle, wobei die Moleküle eine erste funktionelle Gruppe aufweisen, die zur kovalenten oder ionischen Bindung an ein Silikatteilchen fähig ist, eine optionale zweite funktionelle Gruppe aufweisen, die zur Reaktion mit einer organischen Vorstufe fähig ist und ein hydrophobes Segment aufweisen, das an die erste funktionelle Gruppe gebunden ist und das sich zwischen der ersten und zweiten funktionellen Gruppe befindet, sofern die zweite funktionelle Gruppe vorhanden ist. Ein Kupplungsmittel kann als Dispergiermittel dienen.
„Härtbar" bezieht sich auf ein fließfähiges Material, das mittels Kühlung (um heiße Schmelzen zu verfestigen), Erwärmung (um lösungsmittelhaltige Materialien zu trockenen und zu verfestigen) und/oder Polymerisation (z. B. Kettenverlängerung, chemisches Vernetzen, Vernetzen durch Bestrahlung oder dergleichen) in ein festes, im Wesentlichen nicht fließendes Material, umgewandelt werden kann.
„Stabilisiert" bezieht sich auf ein Material, das wohlverteilt bleibt und nicht agglomeriert oder einer Phasentrennung unterliegt.
„Wässrig" bezieht sich auf ein Material, das in Wasser verteilt oder gelöst (bevorzugt homogen verteilt oder gelöst) ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine perspektivische Ansicht eines Elektronik-Lagerungsbehälters, der mit einer Ceramer-Beschichtung beschichtet ist.
2 ist eine perspektivische Ansicht von einigen Ceramer-Gegenständen.
3 ist eine Querschnittsansicht einer Ceramer-Beschichtung auf einem Substrat.
3a ist eine Querschnittsansicht einer Ceramer-Beschichtung auf einem Substrat.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die vorliegende Erfindung stellt wässrige Ceramer-Zusammensetzungen bereit, die gehärtet werden können, um abriebfeste, antistatische Ceramer-Gegenstände zu bilden. Die wässrigen Ceramer-Zusammensetzungen umfassen Wasser, eine Vielzahl von kolloidalen Siliciumdioxidteilchen, eine Bindervorstufe und ein elektrisch leitendes, organisches Polymer. Die Ceramer-Zusammensetzungen können auf verschiedene Substrate, wie Holz, Keramiken, Polymere (z. B. Produkte aus Acryl, Polyestern, Polycarbonaten, Polyamiden, Polyolefinen, Polyurethanen und Vinylen), Metalle, Gläser, etc. aufgebracht werden. Die Ceramer-Zusammensetzungen sind insbesondere zur Anwendung als Elektronik-Lagerungsbehälter geeignet.
1 veranschaulicht einen antistatischen Lagerungsbehälter 30, der einen Lagerungsbehälter für elektronische Vorrichtungen 32 und eine Ceramer-Beschichtung 34 umfasst, die auf der Oberfläche des Lagerungsbehälters 32 angebracht ist. Von einem Beispiel eines Elektronik-Lagerungsbehälters, der mit einem Ceramer der vorliegenden Erfindung beschichtet sein kann, wird in U.S. Patent Nr. 5,051,351 (Niles et al.) berichtet. Vorzugsweise bedeckt die Ceramer-Beschichtung 34 sowohl die inneren als auch die äußeren Oberflächen des Lagerungsbehälters 32, um dem Lagerungsbehälter optimale antistatische Eigenschaften zu verleihen. Gegebenenfalls kann der Lagerungsbehälter nur teilweise mit der Ceramer-Zusammensetzung beschichtet sein. Die Ceramer-Beschichtung 34 ist abriebfest und antistatisch, sogar unter Bedingungen von geringer Feuchtigkeit. Die Beschichtung hilft dabei, die elektronischen Vorrichtungen, die in dem beschichteten Lagerungsbehälter 30 gelagert werden, zu schützen, indem statische Elektrizität eliminiert wird, die die Vorrichtungen beschädigen kann.
Die Ceramer-Zusammensetzungen der vorliegenden Erfindung können gehärtet werden, um Ceramer-Gegenstände zu bilden, die eine Vielzahl von Formen und Größen aufweisen. 2 veranschaulicht verschiedene geometrisch geformte Ceramer-Gegenstände 40, die aus Ceramer-Zusammensetzungen der vorliegenden Erfindung hergestellt sind. Die geformten Ceramer-Gegenständen können jede gewünschte Formen aufweisen, zum Beispiel können sie in der Form eines Kubus 42, eines Kegels 44, eines Zylinders 46 und einer Kugel 48 vorliegen. Die Form der Ceramer-Gegenstände kann regelmäßig (d. h. geometrisch) oder unregelmäßig sein. Die geformten Ceramer-Gegenstände können durch übliche Verfahren, einschließlich Formpressen, Prägen und Extrusion hergestellt werden. Die Ceramer-Gegenstände der vorliegenden Erfindung können in jeder Größe vorliegen, liegen jedoch vorzugsweise in dem Größenbereich von 0,1 bis 10 Millimetern.
Nunmehr Bezug nehmend auf 3 ist hier ein Ceramer der vorliegenden Erfindung in der Form einer Beschichtung auf einem plattenartigen Substrat veranschaulicht. Das Ceramer-beschichtete Substrat 50 schließt ein plattenartiges Substrat 52 mit einer ersten Hauptoberfläche 54 und einer zweiten Hauptoberfläche 56 ein. Die Ceramer-Beschichtung 58 ist an die erste Hauptoberfläche 54 des plattenartigen Substrats 52 gebunden und schließt mit der ersten Hauptoberfläche 54 ab. Die Ceramer-Beschichtung 58 umfasst eine Vielzahl von kolloidalen Siliciumdioxidteilchen und ein elektrisch leitendes, organisches Polymer, das durchgehend in einem gehärteten Bindemittel verteilt ist. Das plattenartige Substrat 52 kann eine Polymerfolie (z. B. Polyester, Acryl, Polycarbonat, Polyolefin, Polyimid, Polyamid, Vinyl), eine Glasplatte, eine Keramikplatte, ein Metall (z. B. Nickel) oder jedes andere elektrisch isolierende Material (z. B. Holz) sein. Zum Beispiel kann das Substrat ein Teil eines Lagerungsbehälters für elektronische Vorrichtungen, ein Schleifgegenstand, die Stirnseite einer elektronischen Anzeigevorrichtung, ein Verpackungsmaterial, ein Bodenbelag, ein Wandbelag, ein Fensterüberzug, eine Fahrzeug-Lasierung oder ein Haftklebstoffband sein. Gegebenenfalls kann die zweite Hauptoberfläche 56 des plattenartigen Substrats 52 ebenfalls mit einer Ceramer-Beschichtung 58 beschichtet sein.
Nunmehr Bezug nehmend auf 3a, ist hier ein Ceramer der vorliegenden Erfindung in der Form einer Beschichtung auf einem plattenartigen Substrat veranschaulicht. In Ausführungsform 60 ist die Ceramer-Beschichtung 58 mit einer elektrisch isolierenden, abriebfesten Deckschicht 62 überzogen. Die Deckschicht 62 kann jegliche gewünschte abriebfeste Beschichtung sein, z. B. eine polymerisierte, multifunktionelle, abriebfeste Acrylat-Beschichtung. Vorzugsweise ist die Abriebfestigkeit der Deckschicht 62 größer als die Abriebfestigkeit der Ceramer-Beschichtung 58. Auf diese Weise erhöht die Deckschicht 62 den Level der Abriebfestigkeit, die dem plattenartigen Substrat 52 verliehen wird. Um antistatische Eigenschaften beizubehalten, wird die Deckschicht 62 bevorzugt in einer sehr dünnen Schicht oder Beschichtung aufgetragen, um den isolierenden Effekt der Deckschicht zu minimieren.
Ceramere der vorliegenden Erfindung werden aus wässrigen Ceramer-Zusammensetzungen hergestellt, die eine kontinuierliche Phase aus Wasser umfassen, in der eine Vielzahl von kolloidalen Siliciumdioxidteilchen, eine Bindervorstufe und ein elektrisch leitendes, organisches Polymer verteilt oder gelöst sind. Verschiedenartige optionale Inhaltsstoffe können ebenfalls in der Ceramer-Zusammensetzung enthalten sein, zum Beispiel kolloidale, anorganische Oxidteilchen, Kupplungsmittel, Mittel zur Modifizierung der Beschichtung (z. B. Initiatoren und Photosensibilisatoren), Cosolventien (z. B. Alkohole), oberflächenaktive Mittel und optionale Zusätze. Die Komponenten der Ceramer-Zusammensetzung werden so ausgewählt, dass sie in Wasser homogen verteilt oder gelöst bleiben. Zum Beispiel kann das elektrisch leitende Polymer beim Härten der Ceramer-Zusammensetzung ausfallen, wenn es nicht angemessen stabilisiert ist. Wenn der finale gehärtete Ceramer-Gegenstand als eine homogen verteilte Ceramer-Zusammensetzung bereitgestellt wird, ist er typischerweise zumindest optisch einheitlich, stärker bevorzugt optisch transparent.
Die Komponenten einer Ceramer-Zusammensetzung der vorliegenden Erfindung werden nun detaillierter beschrieben.
Kolloidale anorganische Oxidteilchen
In der vorliegenden Erfindung schließen die Ceramer-Zusammensetzungen eine Vielzahl von kolloidalen Siliciumdioxidteilchen ein. Kolloidale Siliciumdioxidteilchen werden in den Ceramer-Zusammensetzungen der vorliegenden Erfindung verwendet, um den finalen Ceramer abriebfester zu machen und um bei der Stabilisierung des elektrisch leitenden, organischen Polymers zu helfen. Die Siliciumdioxidteilchen werden bevorzugt in der Form eines Siliciumdioxidsols bereitgestellt, das mittels auf dem Fachgebiet wohlbekannter Verfahren hergestellt werden kann. Wie hierin verwendet, soll sich „Sol" auf eine kolloidale Dispersion von im Wesentlichen nicht aggregierten, anorganischen Oxidteilchen in einem flüssigen Medium beziehen. Wenn das flüssige Medium Wasser ist, wird die Dispersion der Teilchen durch elektrostatische Abstoßung zwischen den Teilchen bei einem gegebenen pH-Wert aufrechterhalten. Wenn das flüssige Medium nicht wässrig ist, wird die Dispersität der Teilchen durch elektrostatische Abstoßung und/oder sterische Hinderung aufrechterhalten.
Kolloidale Siliciumdioxide, die gleichmäßig als Sole in wässrigen Lösungen enthalten sind, sind im Handel unter der Handelsbezeichnung „LUDOX" (im Handel erhältlich bei E. I. DuPont de Nemours and Co., Wilmington, DE), „NYACOL" (im Handel erhältlich bei Nyacol Co., Ashland, MA) und „NALCO" (im Handel erhältlich bei Nalco Chemical Co., Chicago, IL) erhältlich. Nicht wässrige Siliciumdioxidsole (auch Siliciumdioxid-Organosole genannt), die mit Wasser verdünnt werden können, sind im Handel unter der Handelsbezeichnung „NALCO 1057" (ein Siliciumdioxidsol in 2-Propoxyethanol, im Handel erhältlich bei Nalco Chemical Co.), „MA-ST", „IP-ST" und „EG-ST" (im Handel erhältlich bei Nissan Chemical Ind., Tokio, Japan) ebenfalls erhältlich. Die kolloidalen Siliciumdioxidteilchen weisen bevorzugt einen mittleren Teilchendurchmesser auf, der von etwa 5 bis etwa 100 nm, stärker bevorzugt von etwa 10 bis etwa 50 nm reicht. Die mittlere Teilchengröße kann unter Verwendung von Transmissionselektronenmikroskopie bestimmt werden. Von zusätzlichen Beispielen für geeignete kolloidale Siliciumdioxide wird in U.S. Patent Nr. 5,126,394 (Bilkadi) berichtet, deren Offenbarung hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist. Es ist bevorzugt, dass die wässrigen Siliciumdioxidsole, die bei der Ausführung der vorliegenden Erfindung verwendet werden, sauer sind, stärker bevorzugt einen pH-Wert im Bereich von etwa 2 bis etwa 6 aufweisen.
Vorzugsweise sind die kolloidalen Siliciumdioxidteilchen mit einem Kupplungsmittel funktionalisiert. Stärker bevorzugt sind die kolloidalen Siliciumdioxidteilchen (Meth)acrylat-funktionalisiert. Wie hierin verwendet, bezieht sich der Begriff „(Meth)acrylat-funktionalisiert" auf Siliciumdioxidteilchen, die mit einem Methacrylat-terminierten organofunktionellen Silan, einem Acrylat-terminierten organofunktionellen Silan oder beidem funktionalisiert sind. Die funktionalisierten Teilchen binden innig und isotrop mit dem Bindemittel. Typischerweise werden die kolloidalen Siliciumdioxidteilchen durch Hinzufügen eines (Meth)acrylat-funktionalisierten Silans zu einem Siliciumdioxidsol funktionalisiert. Von Beispielen für (Meth)acrylat-funktionalisiertes kolloidales Siliciumdioxid wird in U.S. Pat. Nr. 4,491,508 (Olsen et al.), 4,455,205 (Olsen et al.), 4,478,876 (Chung), 4,486,504 (Chung) und 5,258,225 (Katsamberis) berichtet. Typischerweise schließen Ceramer-Zusammensetzungen der vorliegenden Erfindung etwa 5 bis etwa 65 Gewichtsprozent kolloidale Siliciumdioxidteilchen, stärker bevorzugt etwa 10 bis etwa 50 Gewichtsprozent kolloidale Siliciumdioxidteilchen und am meisten bevorzugt etwa 30 bis etwa 50 Gewichtsprozent kolloidale Siliciumdioxidteilchen ein. Typischerweise steigt die Abriebfestigkeit des Ceramers in dem Maße an, wie der Gewichtsprozentsatz der Siliciumdioxidteilchen in dem Ceramer ansteigt. Härten der Ceramer- Zusammensetzungen ergibt die Ceramere der vorliegenden Erfindung. Folglich umfassen die Ceramere etwa die gleichen Gewichtsprozentsätze an kolloidalen Siliciumdioxidteilchen wie die Ceramer-Zusammensetzungen, abzüglich etwaiger flüchtiger Komponenten, die verwendet wurden, um die Ceramere herzustellen.
Zusätzlich zu Siliciumdioxid, können die kolloidalen, anorganischen Teilchen ferner kolloidale Teilchen mit höherem Brechungsindex als dem von Siliciumdioxid enthalten. Beispiele für derartige kolloidale Teilchen mit einem höheren Index schließen Aluminiumoxid-, Titanoxid-, Zirkonoxid-, Ceroxid- und Antimonoxidsole ein, von denen alle im Handel bei Lieferfirmen wie Nyacol Co. und Nalco Chemical Co. erhältlich sind, sind jedoch nicht auf diese beschränkt.
Es ist in hohem Maße erwünscht, dass die kolloidalen, anorganischen Teilchen, die verwendet werden, um einen Ceramer-Gegenstand herzustellen, aus einem Sol abgeleitet sind. Wenn ein Pulver aus kolloidalen Teilchen verwendet wird, um einen Ceramer-Gegenstand herzustellen, kann sich eine schwer zu bearbeitende Masse bilden, wenn die kolloidalen Teilchen mit mindestens einer Bindervorstufe vermischt werden. Zum Beispiel ist beobachtet worden, dass die Herstellung der Zusammensetzungen, die pyrogene Kieselsäure enthalten (d. h. eher als ein wässriges Siliciumdioxidsol), zu Ceramer-Beschichtungen führte, die relativ geringe optische Transparenz aufweisen und zu Ceramer-Zusammensetzungen, die schlechte Fließeigenschaften für Verfahren zur Beschichtungsaufbringung aufweisen. Deshalb ist die Verwendung eines Pulvers mit kolloidalen Dimensionen in dem Ceramer der vorliegenden Erfindung nicht bevorzugt.
Kupplungsmittel
Kupplungsmittel binden an die Oberflächen von anorganischen Teilchen, wie Siliciumdioxid, und erleichtern eine innige und isotrope Bindung der beschichteten Teilchen an eine organische Matrix. Kolloidale Siliciumdioxidteilchen können mit einem Kupplungsmittel gemischt werden, entweder bevor sie mit einer Bindervorstufe gemischt werden oder zur gleichen Zeit zu der die kolloidalen Siliciumdioxidteilchen mit einer Bindervorstufe gemischt werden. Ceramer-Zusammensetzungen, die Kupplungsmittel enthalten, sind bevorzugt, da sie Ceramer-Gegenstände ergeben, die bessere Abriebfestigkeit, Witterungsbeständigkeit und Lösungsmittelbeständigkeit aufweisen, als Ceramer-Zusammensetzungen, die im Wesentlichen frei von Kupplungsmittel sind. Beispiele für geeignete Kupplungsmittel zur Verwendung in der Ausführung der vorliegenden Erfindung schließen organofunktionelle Silan-Monomere, wie mono- und polyfunktionelle Organosiliziumverbindungen, ein. Die bevorzugten organofunktionellen Silane sind hydrolysierbare, organofunktionelle Silane, die auf dem Fachgebiet auch als „Kupplungsmittel" zur Kupplung von Siliciumdioxidteilchen an organische Materialien bekannt sind. Repräsentative Beispiele schließen Methyltrimethoxysilan, Methyltriethoxysilan, Phenyltrimethoxysilan, Phenyltriethoxysilan, (Meth)acryloyloxyalkyltrimethoxysilane, wie Methacryloyloxypropyltrimethoxysilan, (Meth)acryloyloxypropyltrichlorsilan, Phenyltrichlorsilan, Vinyltrimethoxysilan, Vinyltriethoxysilan, Propyltrimethoxysilan, Propyltriethoxysilan, Glycidoxypropyltrimethoxysilan, Glycidoxypropyltriethoxysilan, Glycidoxypropyltrichlorsilan, Perfluoralkyltrimethoxysilan, Perfluoralkyltriethoxysilan, Perfluormethylalkyltrimethoxysilane, wie 1,1,1-Trifluorethyltrimethoxysilan, Tridecafluor-1,1,2,2-tetrahydrooctyltrimethoxysilan, Perfluoralkyltrichlorsilane, Trifluormethylpropyltrimethoxysilan, Trifluormethylpropyltrichlorsilan und perfluoriertes Sulfonimidoalkyltrimethoxysilan (wie FC405, erhältlich bei der Minnesota Mining and Manufacturing Company, St. Paul, MN), Kombinationen davon und dergleichen ein. Bevorzugte Kupplungsmittel sind ausgewählt aus 3-(Trimethoxysilyl)propylmethacrylat, 3-(Triethoxysilyl)propylmethacrylat, 3-(Trimethoxysilyl)propylacrylat, Vinyltrimethoxysilan, Vinyltriethoxysilan und Kombinationen davon. Typischerweise schließen Ceramer-Zusammensetzungen der vorliegenden Erfindung etwa 0,5 bis etwa 15 Gewichtsprozent eines bestimmten Kupplungsmittels ein. Es ist bevorzugt, dass ein Ceramer der vorliegenden Erfindung etwa 1 bis etwa 10 Gewichtsprozent eines Kupplungsmittel einschließt und es ist am stärksten bevorzugt, dass ein Ceramer der vorliegenden Erfindung etwa 5 bis etwa 10 Gewichtsprozent eines bestimmten Kupplungsmittels einschließt.
Bindervorstufe
Die vorstehend erwähnten Siliciumdioxidteilchen werden, mit oder ohne Kupplungsmittel, mit einer mit Wasser mischbaren oder in Wasser verteilbaren Bindervorstufe gemischt, um eine Ceramer-Zusammensetzung zu bilden. Die Bindervorstufen, die in den Ceramer-Zusammensetzungen der vorliegenden Erfindung verwendet werden, sind ethylenisch ungesättigte Bindervorstufen, wie ein monofunktionelles, ethylenisch ungesättigtes Monomer, ein multifunktionelles, ethylenisch ungesättigtes Monomer, ein Oligomer oder eine Kombination davon.
Das multifunktionelle, ethylenisch ungesättigte Monomer ist bevorzugt ein Ester der (Meth)acrylsäure. Es ist stärker bevorzugt ausgewählt aus einem difunktionellen, ethylenisch ungesättigten Ester der Acryl- oder Methacrylsäure, einem trifunktionellen, ethylenisch ungesättigten Ester der Acryl- oder Methacrylsäure, einem tetrafunktionellen, ethylenisch ungesättigten Ester der Acryl- oder Methacrylsäure und einer Kombination davon. Von diesen sind difunktionelle und trifunktionelle, ethylenisch ungesättigte Ester der (Meth)acrylsäure am meisten bevorzugt.
Bevorzugte multifunktionelle, ethylenisch ungesättigte Ester der Acrylsäure weisen einen Brechungsindex von etwa 1,40 bis etwa 1,65 auf und können veranschaulicht werden durch die Formel:
wobei:
R⁴ ein Wasserstoffatom, ein Halogenatom oder ein C₁- bis C₄-Alkylrest ist, bevorzugt ist R⁴ ein Wasserstoffatom oder eine Methylgruppe;
R⁵ ein polyvalenter organischer Rest ist, der cyclisch, verzweigt oder linear; aliphatisch, aromatisch oder heterocyclisch sein kann; mit Kohlenstoff-, Wasserstoff-, Stickstoff-, nichtperoxidischen Sauerstoff-, Schwefel- oder Phosphoratomen;
Y_n ein Wasserstoffatom, ein C₁- bis C₄-Alkylrest oder eine protische, funktionelle Gruppe ist; m eine ganze Zahl ist, die die Anzahl der Acryl- oder Methacrylgruppen in dem Ester bezeichnet und einen Wert von mindestens 2 hat, und
n einen Wert besitzt, der der Valenz von R⁵ – m gleich ist.
Bezug nehmend auf diese Formel, weist R⁵ bevorzugt ein Molekulargewicht von etwa 14 bis etwa 100 auf, hat m bevorzugt einen Wert von 2 bis 6 (stärker bevorzugt hat m einen Wert von 2 bis 5 und am meisten bevorzugt hat m einen Wert von 2 bis 3, wo ein Gemisch von multifunktionellen Acrylaten und/oder Methacrylaten verwendet wird, hat m einen Durchschnittswert von etwa 2,05 bis 5) und hat n bevorzugt einen Wert von 1 bis 3. Bevorzugte protische, funktionelle Gruppen sind ausgewählt aus -OH, -COOH, -SH, -PO(OH)₂, -SO₃H und -SO(OH)₂.
Beispiele für geeignete multifunktionelle, ethylenisch ungesättigte Ester der (Meth)acrylsäure sind die Polyacrylsäure- oder Polymethacrylsäureester von mehrere Hydroxylgruppen enthaltenden Alkoholen einschließlich zum Beispiel die Diacrylsäure- und Dimethylacrylsäureester von aliphatischen Diolen, wie Ethylenglykol, Triethylenglykol, 2,2-Dimethyl-1,3-propandiol, 1,3-Cyclopentandiol, 1-Ethoxy-2,3-propandiol, 2-Methyl-2,4-pentandiol, 1,4-Cyclohexandiol, 1,6-Hexamethylendiol, 1,2-Cyclohexandiol, 1,6-Cyclohexandimethanol; die Triacrylsäure- und Trimethacrylsäureester von aliphatischen Triolen, wie Glycerin, 1,2,3-Propantrimethanol, 1,2,4-Butantriol, 1,2,5-Pentantriol, 1,3,6-Hexantriol und 1,5,10-Dekantriol; die Triacrylsäure- und Trimethacrylsäureester von Tris(hydroxyethyl)isocyanurat; die Tetraacrylsäure- und Tetamethacrylsäureester von aliphatischen Triolen, wie 1,2,3,4-Butantetrol, 1,1,2,2-Tetramethylolethan, 1,1,3,3-Tetramethylolpropan und Pentaerythritoltertaacrylat; die Pentaacrylsäure- und Penamethacrylsäureester von aliphatischen Pentolen, wie Adonitol; die Hexaacrylsäure- und Hexamethacrylsäureester von Hexanolen, wie Sorbitol und Dipentaerythritol; die Diacrylsäure- und Dimethacrylsäureester von aromatischen Diolen, wie Resorcinol, Pyrocatechol, Bisphenol A und Bis(2-hydroxyethyl)phthalat; die Trimethacrylsäureester von aromatischen Triolen, wie Pyrogallol, Phloroglucinol und 2-Phenyl-2,2-methylolethanol; und die Hexaacrylsäure- und Hexamethacrylsäureester des Dihydroxyethylhydantoins; und Gemische davon.
Vorzugsweise ist der multifunktionelle, ethylenisch ungesättigte Ester der (Meth)acrylsäure ein polyetherischer, multifunktioneller, ethylenisch ungesättigter Ester der (Meth)acrylsäure. Stärker bevorzugt ist der multifunktionelle, ethylenisch ungesättigte Ester der (Meth)acrylsäure ausgewählt aus einem ethoxylierten Pentaerythritoltriacrylat, ethoxyliertem Trimethylolpropantriacrylat, 2-(2'-Ethoxyethoxy)ethylacrylat, ethoxyliertem Bisphenol-A-dimethacrylat, ethoxyliertem Bisphenol-A-diacrylat, Polyethylenglykoldiacrylat, Polypropylenglykoldimethacrylat, Polyethylenglykoldimethacrylat, Methoxypolyethylenglykoldimethacrylat, metallischen Diacrylaten (z. B. Zinkdiacrylat) und Kombinationen davon. Am meisten bevorzugt ist der multifunktionelle, ethylenisch ungesättigte Ester der (Meth)acrylsäure Polyethylenglykoldiacrylat. Eine besonders bevorzugte Bindervorstufe schließt bis zu etwa 20 Gewichtsprozent Pentaerythritoltriacrylat (PETA) ein. Wenn Pentaerythritoltriacrylat oder andere Bindervorstufen mit niedriger Wasserlöslichkeit als Bindervorstufen verwendet werden, kann ein wasserlösliches Lösungsmittel, wie Ethanol, benötigt werden, um die schlecht wasserlösliche Bindervorstufe zu lösen.
Zusätzlich zu den multifunktionellen, ethylenisch ungesättigten Estern der Acrylsäure kann die Ceramer-Zusammensetzung einen monofunktionellen, ethylenisch ungesättigten Ester der (Meth)acrylsäure (d. h. ein Alkyl- und/oder Arylacrylat oder -methacrylat) einschließen. Vorzugsweise weist der Alkylrest des (Meth)acrylats etwa 4 bis 14 Kohlenstoffatome (im Mittel) auf. Der Alkylrest kann gegebenenfalls Sauerstoffatome in der Kette enthalten, die dadurch zum Beispiel Ether bilden. Vorzugsweise weist der Arylrest des (Meth)acrylats etwa 6 bis etwa 20 Kohlenstoffatome (im Mittel) auf. Beispiele schließen 2-Hydroxyethyl(meth)acrylat, 2-Methylbutyl(meth)acrylat, 4-Methyl-2-pentyl(meth)acrylat, Isoamyl(meth)acrylat, sec-Butyl(meth)acrylat, n-Butyl(meth)acrylat, n-Hexyl(meth)acrylat, 2-Ethylhexyl(meth)acrylat, Isodecyl(meth)acrylat und Isononyl(meth)acrylat, 2,2'-(Ethoxyethoxy)ethyl(meth)acrylat, 2-Hydroxypropyl(meth)acrylat, 3-Hydroxypropyl(meth)acrylat, t-Butyl(meth)acrylat, Isobornyl(meth)acrylat, 2-(Phenoxy)ethyl(meth)acrylat, Biphenyl(meth)acrylat, t-Butylphenyl(meth)acrylat, Cyclohexyl(meth)acrylat Dimethyladamantyl(meth)acrylat, 2-Naphthyl(meth)acrylat, Phenyl(meth)acrylat ein, sind jedoch nicht auf diese beschränkt. Andere Beispiele schließen polyethoxylierte oder polypropoxylierte Methoxy(meth)acrylat- (d. h. Poly(ethylen/propylenoxid)mono(meth)acrylat) Makromere (d. h. makromolekulare Monomere), Polymethylvinylethermono(meth)acrylat-Makromere und ethoxylierte oder propoxylierte Nonyl-phenolacrylat-Makromere ein, sind jedoch nicht auf diese beschränkt. Das Molekulargewicht derartiger Makromere (d. h. makromolekularer Monomere) beträgt typischerweise etwa 100 bis etwa 600 Gramm/Mol und bevorzugt etwa 300 bis etwa 600 Gramm/Mol. Bevorzugte monofunktionelle (Meth)acrylate, die verwendet werden können, schließen 2-Methylbutylacrylat, Isooctylacrylat, Laurylacrylat und terminal mit Methoxygruppen versehenes Poly(ethylenglykol)monomethacrylat ein.
Das monofunktionelle, ethylenisch ungesättigte Monomer kann auch aus ethylenisch ungesättigten Säuren oder Amiden ausgewählt werden. Beispiele schließen (Meth)acrylsäure, Itaconsäure, Crotonsäure, Maleinsäure, Fumarsäure, N,N-Dimethylacrylamid, N-Methylacrylamid, N-Ethylacrylamid, N-Methylolacrylamid, N-Hydroxyethylacrylamid, N-Ethyl-N-hydroxyethylacrylamid, N,N-Dimethylolacrylamid, N-Vinylformlamid, Hydroxystyrol ein, sind jedoch nicht auf diese beschränkt. Bevorzugte monofunktionelle Acryl-Monomere schließen Acrylsäure, Itaconsäure und N,N-Dimethylacrylamid ein.
Die Ceramer-Zusammensetzung der vorliegenden Erfindung schließt bevorzugt etwa 5 bis etwa 80 Gewichtsprozent mindestens eines ethylenisch ungesättigten Monomers ein. Wenn das ethylenisch ungesättigte Monomer ein Gemisch von multifunktionellen und monofunktionellen, ethylenisch ungesättigten Monomeren umfasst, ist das multifunktionelle Monomer vorzugsweise in einer Menge von mindestens etwa 20 Gewichtsprozent und das monofunktionelle Monomer vorzugsweise in einer Menge von mindestens etwa 5 Gewichtsprozent vorhanden. Vorzugsweise ist das multifunktionelle Monomer in einer Menge von nicht mehr als etwa 60 Gewichtsprozent vorhanden und das monofunktionelle Monomer wird in einer Menge von nicht mehr als etwa 20 Gewichtsprozent verwendet.
Härtungsmittel
Während der Herstellung des Ceramers der vorliegenden Erfindung wird eine Ceramer-Zusammensetzung der vorliegenden Erfindung einer Energiequelle (d. h. Wärme, ultraviolettem Licht oder einem Elektronenstrahl) ausgesetzt, die den Härtungsprozess der Ceramer-Zusammensetzung einleitet. Dieser Härtungsprozess geschieht typischerweise über einen radikalischen Mechanismus, der die Verwendung eines Radikalinitiators (hierin einfach als Initiator bezeichnet, z. B. Photoinitiator oder thermischer Initiator) erfordern kann. Wenn die Energiequelle ein Elektronenstrahl ist, erzeugt die Interaktion der Zusammensetzung und des Elektronenstrahls freie Radikale und es wird typischerweise kein Initiator benötigt. Wenn die Energiequelle Wärme, ultraviolettes Licht oder sichtbares Licht ist, wird typischerweise ein Initiator benötigt. Wenn der Initiator einer dieser Energiequellen ausgesetzt wird, erzeugt der Initiator freie Radikale, die dann das Härten der Bindervorstufe einleiten.
Beispiele für geeignete thermische Radikalinitiatoren schließen Peroxide, wie Benzoylperoxid, Azoverbindungen, Benzophenone und Chinone ein, sind jedoch nicht auf diese beschränkt. Beispiele für Photoinitiatoren, die ein freies Radikal erzeugen, wenn sie einer Bestrahlung mit sichtbarem Licht ausgesetzt werden, schließt Benzophenone ein, sind jedoch nicht auf diese beschränkt. Beispiele für Photoinitiatoren, die einen freies Radikal erzeugen, wenn sie ultraviolettem Licht ausgesetzt werden, schließen organische Peroxide, Azoverbindungen, Acylphosphate, Chinone, Benzophenone, Nitrosoverbindungen, Acrylhalogenide, Hydrazone, Mercaptoverbindungen, Pyryliumverbindungen, Triacrylimidazole, Bisimidazole, Chloralkyltriazine, Benzoin, Benzoinmethylether, Benzoinethylether, Benzoinisopropylether, Benzoinisobutylether und Methylbenzoin, Diketone, wie Benzil und Diacetyl, Phenone, wie Acetophenon, 2,2,2-Tribrom-1-phenylethanon, 2,2-Diethoxyacetophenon, 2,2-Dimethoxy-2-phenylacetophenon, 2,2,2-Tribrom-1-(2-nitrophenyl)ethanon, Benzophenon und 4,4-Bis(dimethylamino)benzophenon ein, sind jedoch nicht auf diese beschränkt. Beispiele für im Handel erhältliche Ultraviolett-Photoinitiatoren schließen solche ein, die unter den Handelsbezeichnungen „IRGACURE 184" (1-Hydroxycyclohexylphenylketon), „IRGACURE 361" und „DAROCUR 1173" (2-Hydroxy-2-methyl-1-phenylpropan-1-on) (im Handel erhältlich bei Ciba-Geigy, Hawthorn, NY) erhältlich sind. Typischerweise ist eine Menge eines Initiators, sofern einer verwendet wird, in der Vorstufen-Zusammensetzung eingeschlossen, um den gewünschten Grad und die gewünschte Geschwindigkeit der Härtung zu bewirken. Vorzugsweise wird der Initiator in einer Menge verwendet, die von etwa 0,1 bis etwa 10 Gewichtsprozent, stärker bevorzugt von etwa 2 bis etwa 4 Gewichtsprozent, bezogen auf das Gesamtgewicht der Bindervorstufe, reicht. Es soll verstanden werden, dass Kombinationen von verschiedenen Initiatoren verwendet werden können.
Zusätzlich zu dem Initiator kann die Ceramer-Zusammensetzung der vorliegenden Erfindung einen Photosensibilisator einschließen. Der Photosensibilisator ist bei der Bildung von freien Radikalen behilflich, die das Härten der Vorstufen-Zusammensetzung, insbesondere in einer Luftatmosphäre einleiten. Geeignete Photosensibilisatoren schließen aromatische Ketone und tertiäre Amine ein, sind jedoch nicht auf diese beschränkt. Geeignete aromatische Ketone schließen Benzophenon, Acetophenon, Benzil, Benzaldehyd und o-Chlorbenzaldehyd, Xanthon, Thioxanthon, 9,10-Anthrachinon und viele andere aromatische Ketone ein, sind jedoch nicht auf diese beschränkt. Geeignete tertiäre Amine schließen Methyldiethanolamin, Ethyldiethanolamin, Triethanolamin, Phenylmethylethanolamin, Dimethylaminoethylbenzoat und dergleichen ein, sind jedoch nicht auf diese beschränkt. Vorzugsweise reicht die Menge des Photosensibilisators, der in den Zusammensetzungen der vorliegenden Erfindung verwendet wird, von etwa 0,01 bis etwa 10 Gewichtsprozent, stärker bevorzugt von etwa 0,05 bis etwa 5 Gewichtsprozent und am meisten bevorzugt von etwa 0,25 bis etwa 3 Gewichtsprozent, bezogen auf das Gesamtgewicht der Bindervorstufe. Es soll verstanden werden, dass Kombinationen von verschiedenen Photosensibilisatoren verwendet werden können, wenn gewünscht.
Elektrisch leitendes, organisches Polymer
Elektrisch leitende, organische Polymere sind Polymere, die Elektronen transportieren können. Wenn diese Polymere Teil einer Beschichtung sind, die mit einem Substrat verbunden ist, helfen sie beispielsweise, Ladungen auf der Substratoberfläche zu eliminieren. Geeignete elektrisch leitende, organische Polymere, die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden, schließen Polypyrrole, Polythiophene, Polyaniline und Kombinationen davon ein. Es ist bevorzugt, dass das elektrisch leitende, organische Polymer mit einem Gegenion assoziiert ist, um das elektrisch leitende, organische Polymer in der Ceramer-Zusammensetzung zu stabilisieren. Die bevorzugten elektrisch leitenden, organischen Polymere sind geladen und schließen 3,4-Polyethylendioxythiophen, Polypyrrol, Polyanilin und Kombinationen davon ein. Das am stärksten bevorzugte elektrisch leitende, organische Polymer ist 3,4-Polyethylendioxythiophen, stabilisiert mit Polystyrolsulfonat als Gegenion. Ceramer-Zusammensetzungen der vorliegenden Erfindung schließen typischerweise etwa 0,05 bis etwa 50 Gewichtsprozent des elektrisch leitenden, organischen Polymers ein. Vorzugsweise schließt eine Ceramer-Zusammensetzung der vorliegenden Erfindung etwa 0,05 bis etwa 5 Gewichtsprozent eines elektrisch leitenden, organischen Polymers ein. Am stärksten bevorzugt umfasst eine Ceramer-Zusammensetzung der vorliegenden Erfindung etwa 0,05 bis etwa 1 Gewichtsprozent des elektrisch leitenden, organischen Polymers, um einen optisch transparenten Ceramer bereitzustellen.
Optionale Zusätze
Ceramer-Zusammensetzungen der vorliegenden Erfindung können auch andere Zusätze einschließen, wie ein Egalisierhilfsmittel oder ein oberflächenaktives Mittel, um das Fließen der Ceramer-Zusammensetzung auf einem Substrat oder das Benetzen eines Substrats mit der Ceramer-Zusammensetzung zu verbessern. Wenn die Ceramer-Zusammensetzung das Substrat nicht richtig benetzt, kann dies zu sichtbaren Mängeln (zum Beispiel kleinen Löchern und/oder Furchen) in der Beschichtung sowie zu unvollständiger Beschichtung des Substrats führen, was zu unbeschichteten leeren Flecken führt. Beispiele für Egalisierhilfsmittel schließen Alkoxy-terminierte Polysilicone ein, wie die, die unter der Handelsbezeichnung „DOW 57" (ein Gemisch aus Dimethyl-, Methyl- und Polyethylenoxidacetat-terminierten Siloxan) (im Handel erhältlich bei Dow Corning, Midland, MI) erhältlich sind und schließen fluorchemische oberflächenaktive Mittel ein, wie solche, die unter den Handelsbezeichnungen „FC430", „FC431" und „FX313" (im Handel erhältlich bei der Minnesota Mining and Manufacturing Company, St. Paul, MN) erhältlich sind, sind jedoch nicht auf diese beschränkt. Die Ceramer-Zusammensetzung kann, um das gewünschte Ergebnis zu gewähren, eine Menge eines Egalisierhilfsmittels einschließen. Vorzugsweise ist das Egalisierhilfsmittel in einer Menge bis zu etwa 3 Gewichtsprozent vorhanden und stärker bevorzugt bis zu etwa 1 Gewichtsprozent, bezogen auf das Gesamtgewicht der Ceramer-Zusammensetzung. Es soll verstanden werden, dass Kombinationen von verschiedenen Egalisierhilfsmitteln verwendet werden können, wenn gewünscht.
Zusätzlich kann es, wenn Silan-Kupplungsmittel verwendet werden, wünschenswert sein, etwa 1 Gewichtsprozent, relativ zum Gewicht des Kupplungsmittels, bis etwa 3 Gewichtsprozent Eisessig oder ähnliche Carbonsäuren als Katalysator für die Hydrolyse des organofunktionellen Silans zuzugeben.
Von Polymermaterialien ist bekannt, dass sie sich durch eine Vielzahl von Mechanismen abbauen. Übliche Zusätze, die dies ausgleichen können, sind als Stabilisatoren, Absorptionsmittel, Antioxidantien und dergleichen bekannt. Die Ceramer-Zusammensetzungen der vorliegenden Erfindung können einen oder mehrere der folgenden enthalten: einen Ultraviolettstabilisator, ein Ultraviolettabsorptionsmittel, einen Ozonstabilisator und einen ein thermischen Stabilisator/Antioxidans.
Ein Ultraviolettstabilisator und/oder ein Ultraviolettabsorptionsmittel können einer Ceramer-Zusammensetzung zugegeben werden, zur Verbesserung der Witterungsbeständigkeit und zur Verminderung des „Vergilbens" der antistatischen Beschichtung mit der Zeit. Ein Beispiel für einen Ultraviolettstabilisator schließt den ein, der unter der Handelsbezeichnung „TINUVIN 292" (Bis(1,2,2,6,6-pentamethyl-4-piperidinyl)sebacat) erhältlich ist und ein Beispiel für ein Ultraviolettabsorptionsmittel schließt das ein, das unter der Handelsbezeichnung „TINUVIN 1130" (Hydroxyphenylbenzotriazol) erhältlich ist (beide im Handel bei Ciba-Geigy Co. erhältlich). Die Ceramer-Zusammensetzung kann eine Menge, entweder eines Ultraviolettstabilisators und/oder eines Ultraviolettabsorptionsmittels einschließen, um das gewünschte Ergebnis zu gewähren. Vorzugsweise ist der Ultraviolettstabilisator oder das Ultraviolettabsorptionsmittel in einer Menge bis zu etwa 10 Gewichtsprozent vorhanden und stärker bevorzugt liegt sie im Bereich von etwa 1 bis etwa 5 Gewichtsprozent, bezogen auf das Gesamtgewicht der Ceramer-Zusammensetzung. Es soll verstanden werden, dass Kombinationen von verschiedenen Ultraviolettstabilisatoren und Ultraviolettabsorptionsmitteln verwendet werden könnten, wenn gewünscht.
Ein Ozonstabilisator schützt gegen Abbau, der aus einer Reaktion mit Ozon folgt. Beispiele für Ozonstabilisatoren schließen sterisch gehinderte Amine ein, wie die, die unter der Handelsbezeichnung „IRGONOX 1010" (im Handel erhältlich bei Ciba-Geigy) und Phenoltriazin (im Handel erhältlich bei Aldrich Chemical Co., Milwaukee, WI) erhältlich sind, sind jedoch nicht auf diese beschränkt. Die Ceramer-Zusammensetzung kann eine Menge eines Ozonstabilisators einschließen, um das gewünschte Ergebnis zu gewähren. Vorzugsweise ist der Ozonstabilisator in einer Menge bis zu etwa 1 Gewichtsprozent vorhanden, stärker bevorzugt liegt sie im Bereich von etwa 0,1 bis etwa 1,0 Gewichtsprozent und am meisten bevorzugt liegt sie im Bereich von etwa 0,3 bis etwa 0,5 Gewichtsprozent, bezogen auf das Gesamtgewicht der Ceramer-Zusammensetzung.
Verfahren zur Herstellung von Ceramer-Zusammensetzungen und Cerameren
Eine Ceramer-Zusammensetzung der vorliegenden Erfindung kann durch Zusammenfügen wässriger kolloidaler Siliciumdioxidteilchen mit mindestens einer Bindervorstufe und einem elektrisch leitenden, organischen Polymer hergestellt werden. Gegebenenfalls kann ein Kupplungsmittel der Zusammensetzung vor oder nach dem Hinzufügen der Siliciumdioxidteilchen zu der Bindervorstufe zugegeben werden. Ein Härtungsmittel und ein Lösungsmittel können dann dem Gemisch zugegeben werden. Geeignete Lösungsmittel schließen Alkohole (zum Beispiel Isopropylalkohol oder Ethanol) und Ketone (z. B. Methylethylketon oder Aceton) oder Kombinationen davon ein. Lösungsmittel, die dem Gemisch zugegeben werden, werden bevorzugt vor dem Hinzufügen der wässrigen Dispersion des elektrisch leitenden, organischen Polymers zugegeben.
Die Ceramer-Zusammensetzung kann auf ein Substrat durch jegliche Technik, wie Sprühbeschichten, Rakeln, Tauchbeschichten, Flutbeschichten, Walzenauftrag und dergleichen aufgebracht werden. Beim Sprühbeschichten wird die Ceramer-Zusammensetzung atomisiert und dann auf die Oberfläche des Substrats aufgebracht. Beim Tauchbeschichten wird das Substrat in die Ceramer-Zusammensetzung getaucht und so aus der Ceramer-Zusammensetzung entfernt, dass überschüssige Beschichtung vom Substrat abtropft. Beim Flutbeschichten wird das thermoplastische Substrat in einer senkrechten Position gehalten und die Ceramer-Zusammensetzung wird nahe dem oberen Ende des Substrats aufgebracht. Die Ceramer-Zusammensetzung fließt dann das Substrat hinunter. Beim Walzenauftrag wird die Ceramer-Zusammensetzung auf das Substrat durch eine Übertragungswalze aufgebracht.
Nach dem Trocknen kann die Ceramer-Zusammensetzung einer Energiequelle ausgesetzt werden, um die Zusammensetzung zu härten und um eine abriebfeste (oder eine harte) Beschichtung zu bilden. Diese Energiequelle kann thermische Energie, ein Elektronenstrahl, ultraviolettes Licht oder sichtbares Licht sein. Die benötigte Energiemenge ist in erster Linie von der Chemie der Vorstufen-Zusammensetzung, sowie von deren Dicke und Dichte abhängig. Für thermische Energie wird die Ofentemperatur typischerweise im Bereich von etwa 50°C bis etwa 250°C (bevorzugt im Bereich von etwa 90°C bis etwa 110°C) für etwa 15 Minuten bis etwa 16 Stunden liegen. Elektronenstrahlstrahlung kann bei einem Energieniveau von etwa 0,1 Megarad bis etwa 10 Megarad (Mrad), bevorzugt bei einem Energieniveau von etwa 1 Mrad bis etwa 10 Mrad angewendet werden. Ultraviolette Strahlung bezieht sich auf nicht teilchenförmige Strahlung mit einer Wellenlänge innerhalb des Bereichs von etwa 200 bis etwa 400 Nanometern, bevorzugt innerhalb des Bereichs von etwa 250 bis etwa 400 Nanometern. Es ist bevorzugt, dass das ultraviolette Licht ein Energieniveau von mindestens 300 Watt/Inch (120 Watt/cm), bevorzugt von mindestens 600 Watt/Inch (240 Watt/cm) aufweist. Sichtbare Strahlung bezieht sich auf nicht teilchenförmige Strahlung mit einer Wellenlänge innerhalb des Bereichs von etwa 400 Nanometern bis etwa 800 Nanometern, bevorzugt innerhalb des Bereichs von etwa 400 Nanometern bis etwa 550 Nanometern.
Die Ceramer-Zusammensetzung kann auf der ganzen Substratsoberfläche oder auf einem Teil davon aufgebracht werden. Vorzugsweise und vorteilhafterweise wird die Ceramer-Zusammensetzung direkt auf das Substrat aufgebracht. Gegebenenfalls kann die Ceramer-Zusammensetzung auf das Substrat aufgebracht werden, das grundiert worden ist, z. B. mit einem handelsüblichen Grundiermittel. Die gewünschte Beschichtungsdicke der Ceramer-Zusammensetzung wird von der Formulierung und der Menge an flüchtigen Trägern (z. B. Wasser, Lösungsmittel) in der Zusammensetzung abhängen. Typischerweise weist die gehärtete Beschichtung eine Dicke von mindestens etwa 1 μm und bevorzugt von mindestens etwa 3 μm auf. Typischerweise weist die gehärtete Beschichtung eine Dicke von nicht mehr als etwa 50 μm, bevorzugt von nicht mehr als etwa 30 μm und stärker bevorzugt von nicht mehr als etwa 10 μm und am stärksten bevorzugt von nicht mehr als etwa 4 μm auf. Die Menge der Ceramer-Zusammensetzung, die auf das Substrat aufgebracht wird, kann angepasst werden, um die gewünschte Beschichtungsdicke bereitzustellen. Die Abriebfestigkeit der Ceramer-Beschichtung nimmt typischerweise ab, wenn die Dicke der Beschichtung unter etwa 3 μm abfällt. Die optische Transparenz der Beschichtung scheint abzunehmen, wenn die Dicke der Beschichtung etwa 30 μm übersteigt.
Der Oberflächenwiderstand des Ceramers kann durch ein Widerstandsmessgerät unter Verwendung ring- oder stabförmiger Kontaktgeometrien bei Umgebungstemperatur gemessen werden. Ceramere der vorliegenden Erfindung weisen bevorzugt einen Oberflächenwiderstand im Bereich von etwa 10⁴ bis etwa 10¹² Ohm/Quadrat auf.
Beispiele
Die nachstehenden Beispiele werden unter Verwendung von Standardtechniken durchgeführt, die wohlbekannt und für den Fachmann Routine sind, außer, wo anders detailliert beschrieben. Die Beispiele sind veranschaulichend, schränken jedoch die Erfindung nicht ein.
Testverfahren
Testverfahren 1: Test des Oberflächenwiderstands
Der Oberflächenwiderstand der Beschichtungen der Beispiele 1 bis 8 wurde unter Verwendung eines ETS Modell 872 Widerstandsmessgeräts mit weitem Messbereich, das mit einer Modell 803B Sonde (im Handel erhältlich bei Electro-Tech Systems, Inc., Glenside, PA) ausgestattet war, gemessen. Die Messungen wurden bei einer Temperatur von 23 ± 1°C durchgeführt. Zwei konzentrische Ringelektroden wurden auf der Oberfläche einer Ceramer-Beschichtung befestigt und eine äußere Spannung von 100 Volt wurde an die Oberfläche angelegt. Das Messgerät konnte Anzeigewerte des Oberflächenwiderstands messen, die im Bereich von 10³ bis 10¹² Ohm/Quadrat lagen, wobei 6 × 10¹³ Ohm/Quadrat der oberste, mit dem Gerät detektierbare Grenzwert war. Beschichtungen mit Oberflächenwiderständen von etwa 10¹² Ohm/Quadrat oder weniger wurden als antistatische Beschichtungen betrachtet.
Testverfahren 2: Bestimmung der Ableitungszeit statischer Ladung
Die Ableitungszeit statischer Ladung bezieht sich auf die Zeit, die benötigt wird, eine Hochspannungsladung, die an eine Oberfläche angelegt wird, abzuleiten. Eine Ceramer-Beschichtung mit einer niedrigen Ableitungszeit für statische Ladung besitzt typischerweise bessere antistatische Eigenschaften als eine Ceramer-Beschichtung mit einer hohen Ableitungszeit für statische Ladung. Die Ableitungzeiten statischer Ladung von Cerameren der Beispiele 1 bis 8 wurden unter Verwendung einer ETS Model 406C Testeinheit für den statischen Abfall (im Handel erhältlich bei Electro-Tech Systems, Inc) bestimmt. Dieses Gerät führt zu einer Hochspannungs- (5000 Volt) Coronaentladung auf der Oberfläche einer bestimmten Ceramer-Beschichtung und es wurde die Zeit des Abfalls der Oberflächespannung von 5000 Volt auf 0 Volt durch ein Feldmessgerät gemessen. Alle berichteten Werte der Ableitungzeit statischer Ladung wurden als Mittelwert von mindestens 3 getrennten Bestimmungen der Ableitungszeit statischer Ladung berechnet.
Testverfahren 3: Bestimmung der Abriebfestigkeit
Die Abriebfestigkeit von Ceramer-Beschichtungen der Beispiele 1 bis 8 wurden durch Abreiben der Oberfläche der Ceramere mit 0000 Stahlwolle bestimmt. Die Stahlwolle wurde über die Oberfläche des Ceramers unter moderatem Druck (einem für etwa 5 bis 10 Sekunden per Hand ausgeübten Druck) gerieben und die Probe wurde visuell untersucht, um das Ausmaß an Kratzern, die auf der Oberfläche des Ceramers vorhanden waren, zu bestimmen. Ein Ceramer, das dem Stahlwolle-Test unterzogen worden war, wurde dann wie folgt charakterisiert: a) Aufweisen einer Oberfläche, die im Wesentlichen frei von Kratzern ist; b) Aufweisen einer Oberfläche, die einige Kratzer umfasst; c) Aufweisen einer Oberfläche, die beträchtliche Kratzer umfasst.
Testverfahren 4: Bestimmung der Taber-Abriebfestigkeit
Die Abriebfestigkeit einer Testprobe wurde unter Verwendung einer Taber-Abriebmaschine Modell 503 (im Handel erhältlich bei Taber Co., Tonawanda, NY) bestimmt. Die Testprobe wurde auf einer rotierenden Plattform mit zwei beschwerten Abriebsrädern platziert, die über die Oberfläche der Probe rollten. Insbesondere wurden beschwerte Taber CS-10F Abriebsräder mit einer Gewichtsbeladung von etwa 500 Gramm/Rad verwendet. Vakuum wurde in der Umgebung der Probe während des Testverfahrens angelegt, um Reibgut zu entfernen, das während des Tests in Folge des Abriebprozesses gebildet wurde. Das verwendete Vakuum war Teil der Taber-Abriebmaschine Modell 503 und die Einstellung für die Stärke des Vakuums wurde auf 100 Prozent eingestellt. Der Test wurde für eine bestimmte Anzahl von Zyklen durchgeführt, wobei jeder Zyklus einer kompletten Umdrehung der Probe, die währenddessen in Kontakt mit den Abriebsrädern stand, entsprach.
Die Abriebfestigkeit einer Probe wurde durch Beobachtung des Grads der Trübungsbildung im Abriebbereich der Probe als Funktion der Anzahl der Abriebzyklen bestimmt. Die Trübung wurde unter Verwendung eines ASTM Standards D-1003-95 „Standard Test Method for Haze and Luminous Transmittance of Transparent Plastics" bestimmt, wobei das in Absatz X2 „Alternative Haze (Short-Cut) Procedure" vorgeschlagene Verfahren verwendet wurde. Das Gerät zur Bestimmung der Trübung einer Probe war ein Pacific Instruments Model XL211 Trübungsmesser (im Handel erhältlich bei Gardner Neotec Instrument Division, Silver Springs, MD), ausgestattet mit einer Integrationskugel (integrating sphere).
Die Abriebfestigkeit der Probe ist umgekehrt mit der Trübungsmessung korreliert, die unter Verwendung des vorstehenden Verfahrens bestimmt wurde. Ein Schleifgegenstand, der dazu bestimmt ist, einen hohen gemessenen Trübungswert aufzuweisen, wird weniger abriebfest sein, als ein Gegenstand mit einem niedrigen gemessenen Trübungswert.
Beispiele und Vergleichsbeispiele
Vergleichsbeispiel A: unbeschichtete Acrylplatte
Vergleichsbeispiel B: unbeschichtete Polyesterfolie
Beispiel 3
Schritt 1: In einem Glasfläschchen wurden 14 Gramm Nalco 1042 Siliciumdioxidsol, eine Säure-stabilisierte Dispersion, mit einem pH-Wert von 3,2, aus kolloidalen Siliciumdioxidteilchen (34 Prozent Feststoffanteil) mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 20 Nanometern, erhältlich bei Nalco Chemical Co, 6 Gramm entionisiertes Wasser, 10 Gramm Hydroxyethylacrylat-Monomer (Aldrich Chemical Co.), 0,25 Gramm Pentaerythritoltriacrylat (Aldrich Chemical Co.) und 1,4 Gramm Silan-Kupplungsmittel (3-Methacryloxypropyltrimethoxysilan, Aldrich Chemical Co.) gemischt. Das so erhaltene Gemisch wurde von Hand geschüttelt, um das Vermischen sicherzustellen, und wurde dann in einem Ofen für 30 Minuten auf 50°C erwärmt. Das so erhaltene Gemisch soll für den Rest des Beispiels 3 als Lösung A bezeichnet werden.
Schritt 2: In einem Glasfläschchen wurden 5 Gramm der Lösung A, 1 Gramm Wasser, 4 Gramm Isopropylalkohol, 0,5 Gramm Pentaerythritoltriacrylat, 0,08 Gramm Irgacure 184 Photoinitiator (1-Hydroxycyclohexylphenylketon), 1 Gramm Bayer AI 4071 (Gemisch aus 1,3 Gewichtsprozent leitender 3,4-Polyethylendioxythiophen-polystyrolsulfonat-Polymerdispersion in Wasser) und 1 Tropfen Dow-57 oberflächenaktives Mittel (50-prozentig in Isopropylalkohol, Dow Chemical Company, Midland, MI) per Hand geschüttelt, um das Vermischen sicherzustellen.
Schritt 3: Die in vorstehendem Schritt 2 abschließend erhaltene Lösung wurde auf ein Acrylsubstrat aufgebracht und 4 Minuten bei 25°C getrocknet und dann 2 Minuten bei 50°C abgelüftet. Als Nächstes wurden die beschichteten Platten auf dem Förderband einer UV-Härtungsstation (Modell MC-6RQN, Fusion UV Curing Inc., Rockville, MD), die mit einer „H"-Fusionslampe ausgestattet war, platziert. Die so erhaltenen, gehärteten Beschichtungen auf den Acrylplatten erschienen für das Auge klar.
Beispiel 4
Schritt 1: In einem Glasfläschchen wurden 14 Gramm Nalco 1042 Siliciumdioxidsol (eine Säure-stabilisierte Dispersion) mit einem pH-Wert von 3,2, aus kolloidalen Siliciumdioxidteilchen (34 Prozent Feststoffanteil) mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 20 Nanometern, erhältlich bei Nalco Chemical Co., 6 Gramm entionisiertes Wasser, 10 Gramm Hydroxyethylacrylat-Monomer (Aldrich Chemical Co.), 0,25 Gramm Pentaerythritoltriacrylat (Aldrich Chemical Co.) und 1,4 Gramm Silan-Kupplungsmittel (3-Methacryloxypropyltrimethoxysilan, Aldrich Chemical Co.) gemischt. Das so erhaltene Gemisch wurde von Hand geschüttelt, um das Vermischen sicherzustellen, und wurde dann in einem Ofen für 30 Minuten auf 50°C erwärmt. Das so erhaltene Gemisch soll für den Rest des Beispiels 4 als Lösung A bezeichnet werden.
Schritt 2: In einem Glasfläschchen wurden 5 Gramm der Lösung A (vorstehend), 1 Gramm Wasser, 4 Gramm Ethylalkohol, 0,5 Gramm Pentaerythritoltriacrylat, 0,08 Gramm Irgacure 184 Photoinitiator (1-Hydroxycyclohexylphenylketon) und 1 Gramm Bayer AI 4071 (Gemisch aus 1,3 Gewichtsprozent leitender 3,4-Polyethylendioxythiophen-polystyrolsulfonat-Polymerdispersion in Wasser) und 1 Tropfen Dow-57 (50-prozentig in Isopropylalkohol) oberflächenaktives Mittel (Dow Chemical Company) per Hand geschüttelt, um das Vermischen sicherzustellen.
Schritt 3: Die in vorstehendem Schritt 2 abschließend erhaltene Lösung wurde auf ein Acrylsubstrat aufgebracht und 4 Minuten bei 25°C getrocknet und dann 2 Minuten bei 50°C abgelüftet. Als Nächstes wurden die beschichteten Platten auf dem Förderband einer UV-Härtungsstation (Modell MC-6RQN, Fusion UV Curing Inc.), die mit einer „H"-Fusionslampe ausgestattet war, platziert. Die so erhaltenen, gehärteten Beschichtungen auf den Acrylplatten erschienen für das Auge klar.
Beispiel 5
Schritt 1: In einem Glasfläschchen wurden 14 Gramm Nalco 1042 Siliciumdioxidsol (eine Säure-stabilisierte Dispersion) mit einem pH-Wert von 3,2, aus kolloidalen Siliciumdioxidteilchen (34 Prozent Feststoffanteil) mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 20 Nanometern, erhältlich bei Nalco Chemical Co., 6 Gramm entionisiertes Wasser, 6 Gramm Hydroxyethylacrylat-Monomer (Aldrich Chemical Co.), 0,25 Gramm Pentaerythritoltriacrylat (Aldrich Chemical Co.) und 1,4 Gramm Silan-Kupplungsmittel (3-Methacryloxypropyltrimethoxysilan, Aldrich Chemical Co.) gemischt. Das so erhaltene Gemisch wurde von Hand geschüttelt, um das Vermischen sicherzustellen, und wurde dann in einem Ofen für 30 Minuten auf 50°C erwärmt. Das so erhaltene Gemisch soll für den Rest des Beispiels 5 als Lösung A bezeichnet werden.
Schritt 2: In einem Glasfläschchen wurden 5 Gramm der Lösung A, 1 Gramm Wasser, 4,5 Gramm Ethylalkohol, 0,5 Gramm Pentaerythritoltriacrylat, 0,08 Gramm Irgacure 184 Photoinitiator (1-Hydroxycyclohexylphenylketon), 1 Gramm Bayer AI 4071 (Gemisch aus 1,3 Gewichtsprozent leitender 3,4-Polyethylendioxythiophen-polystyrolsulfonat-Polymerdispersion in Wasser) und 1 Tropfen Dow-57 oberflächenaktives Mittel (50-prozentig in Isopropylalkohol, Dow Chemical Company) per Hand geschüttelt, um das Vermischen sicherzustellen.
Schritt 3: Die in vorstehendem Schritt 2 abschließend erhaltene Lösung wurde auf ein Acrylsubstrat aufgebracht und 4 Minuten bei 25°C getrocknet und dann 2 Minuten bei 50°C abgelüftet. Als Nächstes wurden die beschichteten Platten auf dem Förderband einer UV-Härtungsstation (Modell MC-6RQN, Fusion UV Curing Inc.), die mit einer „H"-Fusionslampe ausgestattet war, platziert. Die so erhaltenen, gehärteten Beschichtungen auf den Acrylplatten erschienen für das Auge klar.
Beispiel 6
Schritt 1: In einem Glasfläschchen wurden 14 Gramm Nalco 1042 Siliciumdioxidsol (eine Säure-stabilisierte Dispersion) mit einem pH-Wert von 3,2, aus kolloidalen Siliciumdioxidteilchen (34 Prozent Feststoffanteil) mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 20 Nanometern, erhältlich bei Nalco Chemical Co., 6 Gramm entionisiertes Wasser, 6 Gramm Hydroxyethylmethacrylat-Monomer (Aldrich Chemical Co.), 0,25 Gramm Pentaerythritoltriacrylat (Aldrich Chemical Co.) und 1,4 Gramm Silan-Kupplungsmittel (3-Methacryloxypropyltrimethoxysilan, Aldrich Chemical Co.) gemischt. Das so erhaltene Gemisch wurde von Hand geschüttelt, um das Vermischen sicherzustellen, und wurde dann in einem Ofen für 30 Minuten auf 50°C erwärmt. Das so erhaltene Gemisch soll für den Rest des Beispiels 6 als Lösung A bezeichnet werden.
Schritt 2: In einem Glasfläschchen wurden 5 Gramm der Lösung A, 1 Gramm Wasser, 4,5 Gramm Ethylalkohol, 0,5 Gramm Pentaerythritoltriacrylat, 0,08 Gramm Irgacure 184 Photoinitiator (1-Hydroxycyclohexylphenylketon), 1 Gramm Bayer AI 4071 (Gemisch aus 1,3 Gewichtsprozent leitender 3,4-Polyethylendioxythiophen-polystyrolsulfonat-Polymerdispersion in Wasser) und 1 Tropfen Dow-57 oberflächenaktives Mittel (50-prozentig in Isopropylalkohol, Dow Chemical Company) per Hand geschüttelt, um das Vermischen sicherzustellen.
Schritt 3: Die in vorstehendem Schritt 2 abschließend erhaltene Lösung wurde auf ein Acrylsubstrat aufgebracht und 4 Minuten bei 25°C getrocknet und dann 2 Minuten bei 50°C abgelüftet. Als Nächstes wurden die beschichteten Platten auf dem Förderband einer UV-Härtungsstation (Modell MC-6RQN, Fusion UV Curing Inc.), die mit einer „H"-Fusionslampe ausgestattet war, platziert. Die so erhaltenen, gehärteten Beschichtungen auf den Acrylplatten erschienen für das Auge klar.
Beispiel 7
Schritt 1: In einem Glasfläschchen wurden 10 Gramm Nalco 1042 Siliciumdioxidsol (eine Säure-stabilisierte Dispersion) mit einem pH-Wert von 3,2, aus kolloidalen Siliciumdioxidteilchen (34 Prozent Feststoffanteil) mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 20 Nanometern, erhältlich bei Nalco Chemical Co., 4 Gramm entionisiertes Wasser, 8 Gramm Hydroxyethylacrylat-Monomer (Aldrich Chemical Co.) und 1 Gramm Silan-Kupplungsmittel (3-Methacryloxypropyltrimethoxysilan, Aldrich Chemical Co.) gemischt. Das so erhaltene Gemisch wurde von Hand geschüttelt, um das Vermischen sicherzustellen, und wurde dann in einem Ofen für 30 Minuten auf 50°C erwärmt. Das so erhaltene Gemisch soll für den Rest des Beispiels 7 als Lösung A bezeichnet werden.
Schritt 2: In einem Glasfläschchen wurden 5 Gramm der Lösung A, 9 Gramm Ethylalkohol, 1 Gramm Tetra(ethylenglykol)diacrylat, 0,08 Gramm Irgacure 184 Photoinitiator (1-Hydroxycyclohexylphenylketon) und 1,5 Gramm Bayer AI 4071 (Gemisch aus 1,3 Gewichtsprozent leitender 3,4-Polyethylendioxythiophen-polystyrolsulfonat-Polymerdispersion in Wasser) und 1 Tropfen Dow-57 oberflächenaktives Mittel (50-prozentig in Isopropylalkohol, Dow Chemical Company) per Hand geschüttelt, um das Vermischen sicherzustellen.
Schritt 3: Die in vorstehendem Schritt 2 abschließend erhaltene Lösung wurde auf ein Acrylsubstrat aufgebracht und 4 Minuten bei 25°C getrocknet und dann 2 Minuten bei 50°C abgelüftet. Als Nächstes wurden die beschichteten Platten auf dem Förderband einer UV-Härtungsstation (Modell MC-6RQN, Fusion UV Curing Inc.), die mit einer „H"-Fusionslampe ausgestattet war, platziert. Die so erhaltenen, gehärteten Beschichtungen auf den Acrylplatten erschienen für das Auge klar.
Beispiel 8
Schritt 1: In einem Glasfläschchen wurden 14 Gramm Nalco 1042 Siliciumdioxidsol (eine Säure-stabilisierte Dispersion) mit einem pH-Wert von 3,2, aus kolloidalen Siliciumdioxidteilchen (34 Prozent Feststoffanteil) mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 20 Nanometern, erhältlich bei Nalco Chemical Co., 6 Gramm entionisiertes Wasser, 6 Gramm Hydroxyethylacrylat-Monomer (Aldrich Chemical Co.) und 1,4 Gramm Silan-Kupplungsmittel (3-Methacryloxypropyltrimethoxysilan, Aldrich Chemical Co.) gemischt. Das so erhaltene Gemisch wurde von Hand geschüttelt, um das Vermischen sicherzustellen, und wurde dann in einem Ofen für 30 Minuten auf 50°C erwärmt. Das so erhaltene Gemisch soll für den Rest des Beispiels 8 als Lösung A bezeichnet werden.
Schritt 2: In einem Glasfläschchen wurden 5 Gramm der Lösung A, 8 Gramm Ethylalkohol, 1 Gramm Tetra(ethylenglycol)diacrylat, 0,08 Gramm Irgacure 184 Photoinitiator (1-Hydroxycyclohexylphenylketon) und 1,5 Gramm Bayer AI 4071 (Gemisch aus 1,3 Gewichtsprozent leitender 3,4-Polyethylendioxythiophen-polystyrolsulfonat-Polymerdispersion in Wasser) und 1 Tropfen Dow-57 oberflächenaktives Mittel (50-prozentig in Isopropylalkohol, Dow Chemical Company) per Hand geschüttelt, um das Vermischen sicherzustellen.
Schritt 3: Die in vorstehendem Schritt 2 abschließend erhaltene Lösung wurde auf ein Acrylsubstrat aufgebracht und 4 Minuten bei 25°C getrocknet und dann 2 Minuten bei 50°C abgelüftet. Als Nächstes wurden die beschichteten Platten auf dem Förderband einer UV-Härtungsstation (Modell MC-6RQN, Fusion UV Curing Inc.), die mit einer „H"-Fusionslampe ausgestattet war, platziert. Die so erhaltenen, gehärteten Beschichtungen auf den Acrylplatten erschienen für das Auge klar.
Beispiel 9
Schritt 1: In einem Glasfläschchen wurden 100 Gramm Nalco 1042 Siliciumdioxidsol, eine Säure-stabilisierte Dispersion, mit einem pH-Wert von 3,2, aus kolloidalen Siliciumdioxidteilchen (34 Prozent Feststoffanteil) mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 20 Nanometern, erhältlich bei Nalco Chemical Co., 25 Gramm entionisiertes Wasser, 30 Gramm Polyethylenglykoldiacrylat-Monomer (Aldrich Chemical Co.), 5 Gramm Hydroxyethylacrylat-Monomer (Aldrich Chemical Co.) und 4 Gramm Dow Z-6040-Kupplungsmittel (Dow Chemical Co., Midland, MI) gemischt. Das so erhaltene Gemisch wurde von Hand geschüttelt, um das Vermischen sicherzustellen, und wurde dann in einem Ofen für 30 Minuten auf 50°C erwärmt. Das so erhaltene Gemisch soll für den Rest des Beispiels 9 als Lösung A bezeichnet werden.
Schritt 2: Zu Lösung A wurden 131 Gramm Ethanol, 33 Gramm entionisiertes Wasser, 33 Gramm Bayer AI 4071 leitende Polymerlösung (Gemisch aus 1,3 Gewichtsprozent leitender 3,4-Polyethylendioxythiophen-polystyrolsulfonat-Polymerdispersion in Wasser), 2,625 Gramm Irgacure 184 Photoinitiator (1-Hydroxycyclohexylphenylketon) und 0,28 Gramm Dow-57 oberflächenaktives Mittel (50-prozentig in Isopropylalkohol, Dow Chemical Co., Midland, MI) gegeben.
Schritt 3: Die in vorstehendem Schritt 2 abschließend erhaltene Lösung wurde auf ein PET-Substrat aufgebracht und 4 Minuten bei 25°C getrocknet und dann 2 Minuten bei 50°C abgelüftet. Als Nächstes wurden die beschichteten PET-Platten auf dem Förderband einer UV-Härtungsstation (Modell MC-6RQN, Fusion UV Curing Inc., Rockville, MD), die mit einer „H"-Fusionslampe ausgestattet war, platziert. Die so erhaltenen, gehärteten Beschichtungen auf den PET-Platten erschienen für das Auge klar.
Vergleichsbeispiel C
Schritt 1: In einem Glasfläschchen wurden 38 Gramm entionisiertes Wasser, 22 Gramm Polyethylenglykoldiacrylat-Monomer (Aldrich Chemical Co.) und 5 Gramm Hydroxyethylacrylat-Monomer (Aldrich Chemical Co.) gemischt. Das so erhaltene Gemisch wurde von Hand geschüttelt, um das Vermischen sicherzustellen, und wurde dann in einem Ofen für 30 Minuten auf 50°C erwärmt. Das so erhaltene Gemisch soll für den Rest des Beispiels 10 als Lösung A bezeichnet werden.
Schritt 2: Zu Lösung A wurden 40 Gramm Ethanol, 10 Gramm entionisiertes Wasser, 10 Gramm Bayer AI 4071 leitende Polymerlösung (Gemisch aus 1,3 Gewichtsprozent leitender 3,4-Polyethylendioxythiophen-polystyrolsulfonat-Polymerdispersion in Wasser) und 1,76 Gramm Irgacure 184 Photoinitiator (1-Hydroxycyclohexylphenylketon) gegeben.
Schritt 3: Die in vorstehendem Schritt 2 abschließend erhaltene Lösung wurde auf ein PET-Substrat aufgebracht und 4 Minuten bei 25°C getrocknet und dann 2 Minuten bei 50°C abgelüftet. Als Nächstes wurden die beschichteten PET-Platten auf dem Förderband einer UV-Härtungsstation (Modell MC-6RQN, Fusion UV Curing Inc., Rockville, MD), die mit einer „H"-Fusionslampe ausgestattet war, platziert. Die so erhaltenen, gehärteten Beschichtungen auf den PET-Platten erschienen für das Auge klar.
Testergebnisse
Der Oberflächenwiderstand der Beispiele 3 bis 8 und der Vergleichsbeispiele A und B wurde unter Verwendung des Testverfahrens 1 bestimmt. Die Oberflächenwiderstände sind in Tabelle 1 veranschaulicht.
Tabelle 1 Oberflächenwiderstand
Die Ableitungszeiten statischer Ladung der Beispiele 3 bis 8 und der Vergleichsbeispiele A und B wurden unter Verwendung des Testverfahrens 2 bestimmt. Die Ableitungszeiten statischer Ladung sind in Tabelle 2 veranschaulicht.
Tabelle 2 Ableitungszeit statischer Ladung
Die Abriebfestigkeit der Beispiele 3 bis 8 und der Vergleichsbeispiele A und B wurde unter Verwendung des Testverfahrens 3 bestimmt. Die Abriebfestigkeiten sind in Tabelle 3 veranschaulicht.
Tabelle 3 Abriebfestigkeit
Die Abriebfestigkeit von Beispiel 9 und der Vergleichsbeispiele B und C wurde unter Verwendung des Testverfahrens 4 bestimmt. Die Abriebfestigkeiten sind in Tabelle 4 veranschaulicht.
Tabelle 4 Taber-Abriebfestigkeit
Die vorstehende, detaillierte Beschreibung und die Beispiele wurden lediglich zum besseren Verständnis gegeben. Es werden keine unnötigen Einschränkungen darunter verstanden. Die Erfindung ist nicht auf die gezeigten und beschriebenen exakten Details beschränkt, da Variationen, die für den Fachmann offensichtlich sind, in die Erfindung, die durch die Ansprüche definiert ist, eingeschlossen sind.

Claims

Wässrige Ceramer-Zusammensetzung, die gehärtet werden kann, um einen abriebfesten, elektrisch leitenden Ceramer zu bilden, wobei die Ceramer-Zusammensetzung Wasser mit: einer Mehrzahl von kolloidalen Siliziumoxidteilchen; einer aus ethylenisch ungesättigten Monomeren, Oligomeren oder Kombinationen davon ausgewählten Bindervorstufe; und einem elektrisch leitenden, organischen Polymer darin verteilt oder gelöst umfaßt.
Wässrige Ceramer-Zusammensetzung nach Anspruch 1, des weiteren umfassend ein mit Wasser mischbares oder in Wasser verteilbares Lösungsmittel.
Wässrige Ceramer-Zusammensetzung nach Anspruch 1, des weiteren umfassend eine Mehrzahl von kolloidalen, anorganischen Oxidteilchen, ausgewählt aus Aluminiumoxidteilchen, Titanoxidteilchen, Zirkonoxidteilchen, Ceroxidteilchen, Antimonoxidteilchen und Kombination davon.
Wässrige Ceramer-Zusammensetzung nach Anspruch 1, des weiteren umfassend ein Kupplungsmittel, ausgewählt aus monofunktionellen Organosiliziumverbindungen, polyfunktionellen Organosiliziumverbindungen und Kombinationen davon.
Wässrige Ceramer-Zusammensetzung nach Anspruch 1, wobei das elektrisch leitende, organische Polymer aus Polypyrrolen, Polythiophenen und Polyanilinen ausgewählt ist.
Wässrige Ceramer-Zusammensetzung nach Anspruch 1, wobei das elektrisch leitende, organische Polymer 3,4-Polyethylendioxythiophen ist.
Ceramer-Zusammensetzung nach Anspruch 1, wobei die Bindervorstufe eine (Meth)acrylsäure, einen (Meth)acrylsäureester oder eine Kombination davon umfaßt.
Ceramer, hergestellt aus einer wässrigen Ceramer-Zusammensetzung nach Anspruch 1.
Ceramer nach Anspruch 8, wobei der Ceramer transparent ist und eine Oberflächenwiderstand im Bereich von ungefähr 10⁴ bis ungefähr 10¹² Ohm/Quadrat hat.
Verfahren zum Herstellen einer wässrigen Ceramer-Zusammensetzung, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: (a) Zusammenfügen eines wässrigen Siliziumoxidsols, einer mit Wasser mischbaren oder in Wasser verteilbaren Bindervorstufe, ausgewählt aus ethylenisch ungesättigten Monomeren, Oligomeren oder Kombinationen davon und einem Kupplungsmittel, um ein erstes Gemisch zu bilden; (b) Erwärmen des ersten Gemischs bis das Kupplungsmittel die Oberfläche der Siliziumoxidteilchen bedeckt; (c) Hinzufügen eines Lösungsmittels und eines Härtungsmittels zum ersten Gemisch, um ein zweites Gemisch zu bilden; und (d) Hinzufügen eines elektrisch leitenden, organischen Polymers zum zweiten Gemisch, um die wässrige Ceramer-Zusammensetzung zu bilden.