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Diese Erfindung betrifft eine verbesserte
permanente antistatische Polymerfolie, ein Verfahren zur Herstellung
einer solchen Folie und die antistatische Beschichtungszusammensetzung.
Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine antistatische
Beschichtung, die beim Auftragen auf eine Polymerfolie eine Folie mit
besseren permanenten antistatischen Eigenschaften ergibt.
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Das Wachstum des Verpackungs-, Reprographie-,
Mikrofilmund Magnetmarktes hat die Verwendung von Kunststofffolienmaterialien
auf diesen Märkten
erheblich gesteigert. Insbesondere biaxial orientierte Kunststofffolien
aus Polyethylen, Polypropylen, Nylon, Polyester, Polystyrol und
Polycarbonat können
für diese Zwecke
verwendet werden. Eines der Probleme hinsichtlich der Verwendung
solcher biaxial orientierten Folien ist die Tendenz dieser Materialien,
als eine Folge der Handhabung oder Verarbeitung der Folie, insbesondere bei
niedriger relativer Feuchte, eine elektrostatische Ladung an der
Oberfläche
zu akkumulieren. Da die meisten Polymerfolien Nichtleiter sind,
kann sich dabei ein hohes elektrostatisches Potenzial aufbauen.
Diese elektrostatischen Ladungen sind bei Oberflächentrennungen der Folie, beispielsweise
beim Aufwickeln oder Abwickeln, oder bei der Weiterverarbeitung
der Folie über
Walzen und ähnlichen
Ausrüstungsteilen
besonders ausgeprägt.
Die elektrostatischen Ladungen ziehen nicht nur Staub und andere
Verunreinigungen an, sondern auch andere Folien, beispielsweise
die nächste
Folienschicht auf einer Folienrolle, wodurch die Folie während der
Verarbeitung blockiert wird. Zur Minderung der Unterbrechungen können der
Polymerfolie zwar Gleitmittel zugesetzt werden, diese mindern oder
verhindern jedoch nicht die elektrostatischen Ladungen. Zur Lösung dieses
ernsthaften Problems wurden antistatische Folien entwickelt. Antistatische
Folien werden in der Regel durch eine Oberflächenbehandlung eines antistatischen Überzugs
auf einer oder beiden der Oberflächen
der Folie ausgebildet. Zahlreiche Überzüge haben die elektrostatischen Eigenschaften
der Folie erfolgreich auf ein zufriedenstellend niedriges Maß gesenkt.
Die Überzüge lassen
sich jedoch einfach durch normales Berühren (Abreiben) oder durch
Anwendung organischer Lösungsmittel
oder Wasser bei der weiteren Verarbeitung der Folie (Ablösen) von
der Oberfläche
entfernen (das heißt,
sie sind nicht dauerhaft anstatt permanent).
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Aus dem Stand der Technik sind mehrere
antistatische Überzüge bekannt.
So offenbaren die US-Patente 4,214,035 und 4,302,505 an Heberger
eine Polymerfolie mit einem Latexüberzug mit einem Nitratsalz und
einem Polyacrylatoder Acryl-Terpolymer. Dieser antistatische Überzug gleitet
zwar ausreichend, ist jedoch nicht permanent und kann problemlos
in einem heißen
Wasserbad entfernt oder abgerieben werden.
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Eine andere antistatische beschichtete
Folie ist in dem US-Patent 4,642,263 an Culbertson offenbart, in
dem eine antistatische Folie mit einem polymeren Bindemittel und
einem quartären
Ammoniumsalz offenbart ist. Eine mit einer solchen antistatischen
Beschichtungszusammensetzung beschichtete Folie hat eine gute Klarheit,
eine gute Gleitfähigkeit
und bemerkenswert gute antistatische Eigenschaften, aber die antistatischen Eigenschaften
lassen sich erheblich reduzieren, wenn die Folie einem heißen Wasserbad
ausgesetzt wird.
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Die Europäische Patentanmeldung 0 512
540, veröffentlicht
am 11.11.1992, beschreibt eine antistatische beschichtete Folie,
deren Überzug
nicht einfach in einem heißen
Wasserbad entfernt werden kann. Die antistatische Beschichtungszusammensetzung
ist ein Copolymer, umfassend (bezogen auf das Trockengewicht): 1)
60–85
Gew.-% eines quartären
Salzes entweder eines Alkylaminoacrylats oder eines Alkylaminoacrylamids;
2) 15–40
Gew.-% eines oder mehrerer Acrylate und 3) 0–10 eines geeigneten Vernetzers.
Darüber hinaus
hat sich die Aufnahme einer antistatisch wirkenden Verbindung in
die vorstehend beschriebene antistatische Beschichtungszusammensetzung
zur Bewahrung der antistatischen Eigenschaften unter Fertigungsbedingungen
als besonders nützlich
erwiesen. Geeignete antistatisch wirkende Verbindungen zur Verwendung umfassen
jede beliebige langkettige quartäre
Ammoniumverbindung. Die sich daraus ergebende Folie ist jedoch etwas
trüb, weswegen
ihre Endnutzung in der Layoutmontage verbessert werden könnte.
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Ein weiteres Problem der bekannten
antistatischen Folien ist die Tatsache, dass viele der antistatischen Überzüge ein Blockieren
verursachen. Ein Blockieren tritt dann auf, wenn die antistatische
Schicht auf der Folie eine Reibungszahl hat, die so hoch ist, dass
eine Schicht der Folie nur unter Schwierigkeiten über eine
andere oder über
Walzen oder andere Ausrüstungsteile
gleitet. Es besteht demnach ein Bedarf an der Entwicklung eines
antistatischen Überzugs,
der an die Oberfläche
der Folie gebunden bleibt, das heißt nicht abgerieben wird, und
an der Entwicklung einer antistatischen beschichteten Folie, deren
Reibungszahl ausreichend gering ist, so dass die Folie akzeptable
Gleiteigenschaften aufweist, und an der Entwicklung einer antistatischen
Folie ohne oder mit nur geringer Trübung.
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Die vorliegende Erfindung betrifft
in ihrer breitesten Ausführung
eine permanente antistatische Beschichtungszusammensetzung, enthaltend:
a) etwa 2 bis etwa 11 eines antistatisch wirkenden Copolymers; b) 0
bis etwa 0,45 einer antistatisch wirkenden Verbindung; c) etwa 0,25
bis 2 Glycidoxysilan; d) etwa 0,3 bis 2 Gew.-% kugelförmige Siliciumdioxidteilchen
mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 10 bis 100 Nanometer;
und e) Wasser oder eine Mischung aus Wasser und organischem Lösungsmittel,
wobei die Summe der Gewichtsanteile der Komponenten a–e gleich
100% ist.
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Das antistatisch wirkende Copolymer
ist ein Copolymer aus: 1) etwa 60 Gew.-% bis etwa 85 eines quartären Salzes
eines Alkylaminoacrylamids oder eines Alkylaminoacrylats, 2) etwa
5 Gew.-% bis etwa 40 Gew.-% eines oder mehrerer Acrylate und 3)
0 bis etwa 10 eines Vernetzers, wobei die Summe der Gewichtsanteile
der Komponenten 1, 2 und 3 gleich 100 ist.
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In der breitesten Ausführung umfasst
die vorliegende Erfindung ebenfalls eine Polymerfolie mit permanenten
antistatischen Eigenschaften, enthaltend:
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- A) eine orientierte Polymerfolie und
- B) einen Überzug
auf mindestens einer Seite der Folie, der durch Beschichten der
mindestens einen Seite der Folie mit der vorstehend genannten permanenten,
antistatischen Beschichtungszusammensetzung erhalten wird.
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In einer bevorzugten Ausführungsform
umfasst die Erfindung eine Polymerfolie mit einer permanenten, antistatischen
Beschichtungszusammensetzung darauf, wobei der permanente, antistatische Überzug, bezogen
auf das Trockengewicht, enthält:
a) etwa 31 bis etwa 96 eines antistatisch wirkenden Copolymers;
b) 0 bis etwa 15 einer antistatisch wirkenden Verbindung; c) etwa
1 bis 47 Glycidoxysilan; d) etwa 2 bis 48 kugelförmige Siliciumdioxidteilchen
mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 10 bis 100 Nanometer,
wobei die Summe der Gewichtsanteile der Komponenten a–d gleich
100 ist.
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Im breitesten Sinne der vorliegenden
Erfindung wird auch ein Verfahren zur antistatischen Ausrüstung einer
Polymerfolie offenbart, umfassend: i) Beschichten der Folie mit
einer permanenten antistatischen Zusammensetzung auf Wasserbasis,
enthaltend etwa 2 bis etwa 11 des antistatisch wirkenden Copolymers;
0 bis etwa 0,45 Gew.-% einer antistatisch wirkenden Verbindung;
etwa 0,25 bis 2 Gew.-% Glycidoxysilan; etwa 0,3 bis 2 kugelförmige Siliciumdioxidteilchen
mit einem durchschnittlichen Durchmessser von 10 bis 100 Nanometer;
und Wasser oder eine Mischung aus Wasser und organischem Lösungsmittel,
wobei die Summe der Gewichtsanteile aller Komponenten gleich 100
ist; und ii) Trocknen des Überzugs
auf der Folie.
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Die vorliegende Erfindung kann in
Verbindung mit jeder Polymerfolie verwendet werden, die als Substrat
für die
Ausrüstbeschichtung
dienen kann. Die vorliegende Erfindung ist insbesondere anwendbar
bei Polymerfolien, wie solchen aus Polyamiden, wie beispielsweise
Nylon, Polyolefinen, wie Polypropylen und Polyethylen, Polyester,
wie Polyethylenterephthalat, Polyacetal, Polycarbonat und dergleichen.
Die Erfindung ist besonders anwendbar bei Polyester, aber nicht
auf Polyethylenterephthalat oder Polybutylenterephthalat beschränkt. Die
vorliegende Erfindung kann auch Copolyester, wie Polyethylentherephthalatisophthalat,
nutzen. Generell kann bei der vorliegenden Erfindung jede beliebige
Polyesterfolie auf der Grundlage eines Polymers, das aus der Polykondensation
eines Glycols oder Diols mit einer Dicarbonsäure (oder deren Estern), wie
Terephthalsäure,
Isophthalsäure,
Sebacinsäure,
Malonsäure,
Adipinsäure,
Azelainsäure,
Glutarsäure,
Suberinsäure,
Bernsteinsäure
und dergleichen oder Gemischen davon entsteht, verwendet werden.
Zu den geeigneten Glycolen gehören
Ethylenglycol, Diethylenglycol, Polyethylenglycol und Polyole, wie
Butandiol und dergleichen.
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Jede beliebige der vorstehend genannten
Polymerfolien kann herkömmliche
Zusätze
wie Antioxidanzien, Mattierungsmittel, Pigmente, Füllstoffe
wie Siliciumdioxid, Calciumcarbonat, Kaolin, Titandioxid, UV-Stabilisatoren, Weichmacher
usw. enthalten, die auf dem Fachgebiet bekannt sind.
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Außerdem kann die Polymerfolie
ein Polymerlaminat umfassen, wie ein Polymer-Polymer-Laminat, wie
beispiels weise Polyester-Polyolefin, oder ein Polymer-Metall-Laminat, wie Polyester-Aluminium,
oder ein Polymer-Papier-Laminat
oder dergleichen. Die bevorzugte Folie ist eine Polyethylenterephthalat-
(Polyester-)Folie.
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Die Folie kann mit Herstellungstechniken
hergestellt werden, die auf dem Fachgebiet bekannt sind. Die Polyesterfolie
kann beispielsweise durch Schmelzspinnen des Polyesters als amorphe
Schicht auf eine polierte, sich drehende Gießtrommel zur Ausbildung einer
gegossenen Polymerfolie hergestellt werden. Dann wird die Polyesterfolie
tatsächlich
in eine oder mehrere Richtungen verstreckt oder gezogen, um die
Folie zu orientieren und ihr ausreichende physikalische Eigenschaften
zu verleihen. Die Folie kann beispielsweise in Extrudierrichtung
(Längsrichtung)
oder senkrecht zur Extrudierrichtung (Querrichtung) gezogen werden.
Eine biaxial orientierte Folie wird in beide Richtungen gezogen.
Bei Polyesterfolien liegt das Verstreckausmaß zur Verleihung von Festigkeit
und Zähigkeit
im Allgemeinen im Bereich von etwa 2,5 bis etwa 5,0 mal die Abmessungen
der ursprünglich
gegossenen Folie in einer oder mehreren Richtungen. Die Verstreckvorgänge an einer
Polymerfolie werden im Allgemeinen bei einer Temperatur im Bereich
von etwa der Übergangstemperatur zweiter
Ordnung des Polymers bis unter dem Erweichungs- und Schmelzpunkt
des Polymers durchgeführt.
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Falls erforderlich wird die Folie
nach dem Verstrecken einer Wärmebehandlung
von einer Dauer unterworfen, die zur Kristallisation der Polymerfolie
notwendig ist. Die Kristallisation verleiht der Folie Stabilität und gute
Zugeigenschaften. Wenn eine Polyethylenterephthalatfolie einer Wärmebehandlung
unterworfen wird, wird sie einer Temperatur für die Thermofixierung im Bereich
zwischen 190°C.
und 240°C
ausgesetzt.
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Die erfindungsgemäße antistatische Beschichtungszusammensetzung
liegt vorzugsweise in Form einer wässrigen Dispersion vor, kann
aber auch als organische Lösungsmittellösung, wie
beispielsweise Alkohol, vorliegen oder als eine Mischung davon.
Aus Umweltschutzgründen
und zum Schutz der Gesundheit von. Arbeitnehmern ist die wässrige Dispersion
bevorzugt. Die permanente antistatische Beschichtungszusammensetzung
kann in-line während
des Verfahrens zur Herstellung der Folie (bevorzugtes Verfahren)
oder off-line nach dem Verfahren zur Herstellung der Folie aufgetragen
werden. Bei der In-line-Beschichtung kann die Beschichtungszusammensetzung
vor der Verstreckstufe, das heißt
vor dem Verstrecken der Folie in einer beliebigen Richtung, aufgetragen
werden, wie im britischen Patent Nr. 1,411,564 beschrieben, oder
zwischen den Stufen, wenn eine biaxial orientierte Folie hergestellt
wird, wie beispielsweise im US-Patent 4,214,035 beschrieben; die
Beschichtungszusammensetzung kann aber auch nach dem Verstrecken,
aber vor dem Thermofixieren aufgetragen werden, wie beispielsweise
im US-Patent 3,322,553
beschrieben. In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Fteschichtung
in-line nach einem uniaxialen Verstrecken der Folie, aber vor dem Verstrecken
der Folie in der anderen Richtung aufgetragen.
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Ungeachtet des Zeitpunkts für das Auftragen
der permanenten antistatischen Beschichtungszusammensetzung auf
die Polymerfolie wird es bevorzugt, die Oberfläche der Polymerfolie für die Bindung
mit der permanenten antistatischen Beschichtungszusammensetzung
empfänglicher
zu machen. Solche Oberflächenbehandlungen
sind aus dem Stand der Technik bekannt; die beliebteste ist die
Koronabehandlung. Bei Polyester ist eine Koronabehandlung mit etwa
3–7 Watt/ft2/min üblich.
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Die Folie kann auf einer oder auf
beiden Seiten mit der permanenten antistatischen Beschichtungszusammensetzung
mit Hilfe jeder bekannten, auf dem Fachgebiet verwendeten Technik
beschichtet werden. Die Beschichtung kann beispielsweise mit Hilfe
einer Walze, mittels Sprühen,
Spritzdüsenbeschichten,
Tauchbeschichten, Umkehrgravur walzbeschichten oder Gravurwalzbeschichten
aufgetragen werden.
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Sobald die permanente antistatische
Beschichtungszusammensetzung auf die Folie aufgetragen ist, verdampft
der wässrige
Anteil (und/oder das organische Lösungsmittel) der Zusammensetzung
und hinterlässt einen
getrockneten Überzug
auf der Folie, enthaltend a) etwa 31 bis etwa 96 Gew.-% eines antistatisch
wirkenden Copolymers; b) 0 bis etwa 15 einer antistatisch wirkenden
Verbindung; c) etwa 1 bis 47 Glycidoxysilan; d) etwa 2 bis 48 Gew.-%
kugelförmige
Siliciumdioxidteilchen mit einem durchschnittlichen Durchmesser
von 10 bis 100 Nanometer, wobei die Summe der Gewichtsanteile der
Komponenten a–d
gleich 100 ist. Die Beschichtungszusammensetzung ist so beschaffen,
dass sie nach dem Auftragen auf die Folie einen endgültigen trockenen Überzug von
0,00305 bis 0,400 Gramm/Quadratmeter bezogen auf das Gewicht ergibt.
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Wasser ist zwar der bevorzugte Träger für die Beschichtungszusammensetzung,
geeignete Mischungen aus Wasser und organischen Lösungsmitteln
können
aber ebenfalls eingesetzt werden. Zu geeigneten organischen Lösungsmitteln
gehören
Alkohole, chlorierte Kohlenwasserstoffe, Ester, Ether, Glycol und Ether-/Esterderivate,
Ketone und Dimethylformainid.
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Das antistatisch wirkende Copolymer
verbessert die Leitfähigkeit
des Überzugs.
Es kann in einer Menge von etwa 2 bis etwa 11 Feststoff bezogen
auf die wässrige
(und/oder lösungsmittelhaltige)
Beschichtung verwendet werden. Das antistatisch wirkende Copolymer
ist ein Copolymer aus: 1) etwa 60 bis etwa 85 Gew.-% eines quartären Salzes
eines Alkylaminoacrylamids (AAA) oder eines Alkylaminoacrylats (AAL),
2) etwa 5 Gew.-% bis etwa 40 eines oder mehrerer Acrylate und 3)
0 bis etwa 10 eines Vernetzers, wobei die Summe der Gewichtsanteile
der Komponenten 1, 2 und 3 gleich 100% ist.
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Quartäre Salze von Alkylaminoacrylaten
(AAL), die in erfindungsgemäßen Ausführungsformen
verwendbar sind, können
durch folgende allgemeine Formel dargestellt werden:
worin R
1,
R
2 und R
3 gleich
oder verschieden sein können
und für
Wasserstoff oder eine Alkylgruppe mit 1-8 Kohlenstoffatomen stehen
können;
y gleich 1 bis 8 ist und X für
Anionen aus der Gruppe bestehend aus Halogenen, wie Chlorid; Sulfaten;
Sulfonaten; Alkylsulfaten, insbesondere C
1-C
8-Alkylsulfaten, wie Methylsulfat; Alkylsulfonaten,
insbesondere C
1-C
8-Alkylsulfonaten,
wie Methylsulfonat; Carbonaten; Alkylcarbonaten, insbesondere C
1-C
8-Alkylcarbonaten,
wie Methylcarbonat; Nitraten; Phosphaten; Alkylphosphaten, insbesondere C
1-C
8-Alkylphosphonaten;
und dergleichen oder Gemischen davon stehen kann.
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Vorzugsweise stehen R1 und
R2 für
Wasserstoff, R3 steht für Methyl, y ist gleich 2 und
X steht für
Methylsulfat, wodurch das quartäre
Dimethylsulfatsalz von Dimethylaminoethylmethacrylat (CAS-Registry-Nr. 6891-44-7)
gebildet wird, das unter der Handelsbezeichnung MAD QUAT Q5 von
Norsolac, Inc., N. C., USA, vertrieben wird.
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Quartäre Salze von Alkylaminoacrylamiden
(AAA), die in der vorliegenden Erfindung verwendbar sind, können durch
folgende allgemeine Formel dargestellt werden:
worin R
1,
R
2 und R
3 gleich
oder verschieden sein können
und für
Wasserstoff oder eine Alkylgruppe mit 1-8 Kohlenstoffatomen stehen
können;
y gleich 1 bis 8 ist und X für
Anionen aus der Gruppe bestehend aus Halogenen, wie Chlorid; Sulfaten,
insbesondere C
1-C
8-Alkylsulfaten;
Sulfonaten; Alkylsulfonaten, insbesondere C
1-C
8-Alkylsulfonaten,
wie Methylsulfonat; Carbonaten; Alkylcarbonaten, insbesondere C
1-C
8-Alkylcarbonaten,
wie Methylcarbonat; Nitraten; Phosphaten; Alkylphosphaten, insbesondere
C
1-C
8-Alkylphosphonaten;
und dergleichen oder Gemischen davon stehen kann. Die quartären Salze
von Alkylaminoacrylamiden (AAA) können gemäß US-Patent Nr. 4,910,325,
erteilt an Shen, et al., hergestellt werden.
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Geeignete Acrylate zur Verwendung
in dem antistatisch wirkenden Copolymer umfassen Methylacrylat,
Ethylacrylat, Propylacrylat, Butylacrylat, Hexylacrylat, Octylacrylat,
2-Ethylhexylacrylat, Methacrylat, Methylmethacrylat, Ethylmethacrylat,
Propylmethacrylat und dergleichen. Es kann mehr als ein Acrylat.
verwendet werden. Vorzugsweise werden Ethylacrylat und/oder Methylmethacrylat
verwendet.
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Geeignete Vernetzer zur Verwendung
in dem antistatisch wirkenden Copolymer umfassen selbstvernetzende
Komponenten, wie N-Methylolacrylamid und N-Methylolmethacrylamid,
Itaconsäure,
Itaconsäureanhydrid,
Acrylsäure,
Allylalkohol, Maleinsäure,
Maleinsäureanhydrid,
Acrylamid oder Methacrylamid vernetzt mit Melamin-Formaldehyd oder
Harnstoff-Formaldehyd, Aziridine, Glycoluril-Formaldehyd, Benzoguanamine, Acrylamidoglycolsäure, Bisacrylamidglycol,
Glyoxal, Formaldehyd, Diacrylamidessigsäure oder andere geeignete Vernetzer.
Der erfindungsgemäß bevorzugte
Vernetzer ist N-Methylolacrylamid.
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Die antistatisch wirkende Verbindung
verleiht dem Überzug
zusätzliche
Leitfähigkeit
und hat sich unter Herstellungsbedingungen als besonders nützlich erwiesen.
Geeignete antistatisch wirkende Verbindungen zur Verwendung umfassen
jede beliebige langkettige quartäre
Ammoniumverbindung. Die erfindungsgemäß bevorzugte quartäre Ammoniumverbindung
ist Stearamidopropyldimethyl-β-hydroxyethylammoniumnitrat.
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Das Glycidoxysilan kann Glycidoxypropyltrimethoxysilan
oder Glycidoxypropylmetriyldiethoxysilan oder generell jedes beliebige
Glycidoxysilan der Formel X-Y-Si-R
1R
2R
3 sein, das heißt
worin X für eine Glycidoxygruppe
steht, Y für
eine Alkylengruppe, wie Methylen, Ethylen, Propylen usw., steht, R
1 und R
2 für hydrolysierbare
Gruppen, wie Methoxy, Ethoxy, Acetoxy und dergleichen, stehen und
R
3 für
eine hydrolysierbare Gruppe oder eine nicht hydrolysierbare Gruppe
steht. Wenn R
3 für eine nicht hydrolysierbare Gruppe
steht, kann es eine Alkylgruppe, wie Methyl, Ethyl und dergleichen,
oder eine Arylgruppe, wie Phenyl, Naphthyl und dergleichen, sein.
Diese Silane können
Wasserlöslichkeit
oder Wasserdispersionsvermögen
sowie Löslichkeit/Dispersionsvermögen im Lösungsmittel
besitzen. Die eingesetzte Menge Glycidoxysilan beträgt etwa
0,25 bis 2 , bezogen auf das Gewicht der nassen Beschichtung. Die
Trübung
ist im Vergleich zu der antistatischen Zusammensetzung aus der europäischen.
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Patentanmeldung 0-512,540 im gesamten
Bereich der Silanzugabe deutlich verbessert.
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Die Siliciumdioxidteilchen sind zur
Verhinderung einer Blockierung notwendig. Die Menge und Größe der verwendeten
Siliciumdioxidteilchen basieren auf dem verwendeten gewichtsprozentualen
Anteil des Überzugs,
dem Teilchendurchmesser und der Teilchenverteilung. Die Teilchen
sind am meisten bevorzugt von einer etwa kugelförmigen Art (für die Zwecke
der vorliegenden Erfindung weisen die Teilchen keine perfekte Kugelform
auf, sondern sind fast kugelförmig
und gelten daher als solche) . Im Allgemeinen reicht ein Anteil
von weniger als etwa 0,3 Siliciumdioxid, bezogen auf das Gesamtgewicht
der nassen Beschichtungzusammensetzung, nicht aus, um ein Blockieren
zu verhindern, was die weitere Verarbeitung der Folie verhindert.
Andererseits können
mehr als 2 Siliciumdioxidteilchen Folieneigenschaften wie Trübung und
Adhäsion
allmählich
negativ beeinflussen. Vorzugsweise sind etwa 0,7 Siliciumdioxid
optimal. Die Größe der Siliciumdioxidteilchen liegt
im Nennbereich von 10 bis 100 Nanometer Durchmesser. Es können zwar
größere Teilchen
verwendet werden, die mittlere Größenverteilung sollte jedoch
innerhalb des genannten Bereichs liegen, um optimale Ergebnisse
zu liefern. Wenn die durchschnittliche Größenverteilung unterhalb des
genannten Bereichs liegt, können
die Teilchen so klein werden, dass eine deutliche Verhinderung der
Blockierung nicht länger
möglich
ist. Es wird eine enge Verteilung des Größenbereichs zwischen 20–60 Nanometer
bevorzugt. Die verwendete Menge Siliciumdioxid ist abhängig von
der verwendeten Teilchengröße; beispielsweise
können
die besten Ergebnisse mit geringeren Mengen Siliciumdioxid erreicht
werden, wenn die Teilchennenngröße hoch
ist, wenn die Teilchennenngröße jedoch
eher in der Nähe
des unteren Endes des genannten Bereichs liegt, sollten größere Mengen
an Siliciumdioxidteilchen verwendet werden. Außerdem wurde für die bevorzugte
Ausführungsform ein
kolloides Siliciumdioxid gewählt,
dessen Teilchen eine positiv geladene Oberfläche haben, um ein Ausflocken
des kationischen, antistatisch wirkenden Copolymers zu verhindern.
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In der bevorzugten Ausführungsform
liegt die Beschichtungszusammensetzung auf Wasserbasis vor. Das
antistatisch wirkende Copolymer kann durch Polymerisation in einer
herkömmlichen
Polymersynthese bei einer Temperatur von etwa 40 bis 60°C hergestellt
werden. In der Praxis werden die drei Komponenten (AAA/AAL, Acrylat(e)
und Vernetzer) und ein oder mehrere verschiedene Tenside langsam
zu einer wässrigen Lösung dosiert.
Die verschiedenen Tenside können
anionische oder nichtionische Tenside sein. Geeignete nichtionische
Tenside sind Alkylphenolethoxylate, wie Octylphenolethoxylat, erhältlich von
Rohm & Haas Co., Philadelphia,
Pa., USA, oder von Union Carbide Corp., New York, N. Y., USA oder
von BASF, Spartanburg, S. C., USA. Geeignete anionische Tenside
umfassen Natriumlatirylsulfat oder Natriumdodecylbenzolsulfonat.
Die wässrige
Lösung
kann auch ein Redox-Initiatorsystem
enthalten. Übliche
Initiatoren für
Polymerisationsreaktionen sind Peroxid-Verbindungen, wie Laurylperoxid,
Benzoylperoxid, Methylethylketonperoxid und dergleichen.
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Wie bei allen Polymerisationsreaktionen
ist die Wasserqualität
ein wichtiger Faktor. Es sollte entionisiertes Wasser verwendet
werden, da die Gegenwart bestimmter mehrwertiger Ionen in unkontrollierten
Konzentrationen sowohl das Initiierungsverfahren als auch die Wirkung
jedes Emulgators beeinträchtigen
kann.
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Sobald die Comonomere langsam zum
Wasser mit den Tensiden und dem Initiator dosiert werden, beginnt
die Copolymerisation der drei Comonomere, wodurch sich Teilchen
für die
Beschichtungszusammensetzung bilden.
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Wenn die Copolymerisationsreaktion
fast abgeschlossen ist, enthält
die Reaktionsmischung kleine Teilchen, die aufgrund der nichtionischen
und anionischen Tenside in Wasser suspendiert sind. Diese Mischung
hat üblicherweise
einen Feststoffanteil von 25 bis 30%, weswegen sie mit Wasser oder
einem Lösungsmittel
verdünnt
werden muss, um einen für
die Beschichtung nützlicheren
Bereich zu erhalten. Ein üblicher
Beschichtungsbereich für
eine verdünnte
Beschichtungszusammensetzung beträgt 2 bis 16 Feststoffe, wobei
der Rest Wasser oder Wasser/organisches Lösungsmittel ist. Ein höherer Feststoffanteil
würde zu
einer Agglomeration der Teilchen zu größeren Teilchen oder Teilchenklumpen
führen,
die. dazu neigen, aus der Lösung
als grobe Körner
auszufallen. Ein niedrigerer Feststoffanteil bedeutet eine Belastung
des Verfahrens bei der ausreichenden Trocknung der gesamten Beschichtungszusammensetzung,
die zum Erreichen des gewünschten,
nachstehend beschriebenen Feststoffanteils erforderlich ist.
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Das vorstehend beschriebene Polymerisationsverfahren
ist bekannt und in "Principles of Polymerization" von George Odian,
zweite Ausgabe, herausgegeben von John Wiley and Sons, beschrieben.
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Die antistatisch wirkende Verbindung,
Glycidoxysilan und Siliciumdioxidteilchen können zu der antistatisch wirkenden
Copolymerzusammensetzung, die mit Wasser oder Lösungsmittel wie vorstehend
beschrieben verdünnt
werden muss, gegeben werden. Der bevorzugte Feststoffanteil ist
so gewählt,
dass er einen endgültigen
trockenen Überzug
von 0,00305 bis 0,400 g/m2 (Gramm/Quadratmeter)
bezogen auf das Gewicht ergibt.
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Geeignete antistatische Folien sind
solche Folien, deren Oberflächenwiderstand
weniger als 1012 Ohm/Quadrat und vorzugsweise
etwa 109 bis 1011 Ohm/Quadrat
beträgt.
Folien mit einem Oberflächenwiderstand,
der über
diesem Wert liegt, leiten die statische Ladung nicht ausreichend
ab. Folien mit einem Oberflächenwiderstand
von weniger als 109 Ohm gelten als leitend
oder halbleitend, haben aber für
die meisten antistatischen Anwendungen keinen wirtschaftlichen Nutzen.
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Der Oberflächenwiderstand wurde in Ohm/Quadrat
gemäß ASTM.
D-257-66 bei 23°C
und 50% relativer Feuchte ermittelt. Der Oberflächenwiderstand wurde mit einem
Modell 6105 von Keithley ermittelt, dessen Messbereich bei 50% relativer
Feuchte zwischen 103 und 5 × 1018 Ohm/Quadrat liegt.
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BEISPIEL 1
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Zwei unterschiedliche Foliendicken
(48 Gauge und 300 Gauge) der Polyesterfolie Hostaphan 4000 von Hoechst
Diafoil Company, Greer, S.C., USA, wurden verwendet. Jede hier beschriebene
Folie wurde mit einer Folie verglichen, die zur Kontrolle mit einer
antistatischen Beschichtungszusammensetzung beschichtet war, die
aus der Erfindung der in der europäischen Patentanmeldung 0,512,540
offenbarten antistatischen Besschichtungszusammensetzung besteht,
welche anschließend
durch die Zugabe einer antistatisch wirkenden Verbindung modifiziert
wurde. Die antistatische Kontrollbeschichtung basierte auf einer
wässrigen
Beschichtungszusammensetzung von 4,0 Genauer gesagt umfasste die
Beschichtungszusammensetzung 3,85 eines antistatisch wirkenden Copolymers
in Form eines quartären
Methacrylat-Copolymers (vertrieben von ABCO Industries) und 0,15
der antistatisch wirkenden Verbindung Stearamidopropyldimethyl-J-hydroxyethylammoniumnitrat
(vertrieben von Cyanamid unter der Bezeichnung Cyastat®SN). Jede
Foliendicke wurde mit einer Beschichtungszusammensetzung geprüft, die
durch die Zugabe von 1 Glycidoxysilan (3-Glycidoxypropyltrimethoxysilan)(vertrieben
von Dow Corning unter der Bezeichnung Z-6040) für Beschichtungszwecke zur antistatischen.
Kontrollbeschichtungszusammensetzung hergestellt wurde. Schließlich wurde
die 300-Gauge-Folie ebenfalls mit einer Zusammensetzung beschichtet,
die die antistatische Kontrollbeschichtung mit einer Zugabe von 0,5
Gew.-% Glycidoxysilan für
Beschichtungszwecke umfasste. Bei jeder dieser Proben wurden der
Oberflächenwiderstand
(gemäß ASTM D-257-66),
die statische und die kinetische Reibungszahl (μs bzw. μk)(gemäß ASTM 1894), die Gesamttrübung (gemäß ASTM 1003,
Trübungsmessgerät von Gardner), das
Ausmaß an Überzugsmustern,
das Adhäsionsverhalten
mit Klebeband und das Abwischen mit Lösungsmittel geprüft. Das
Ausmaß an Überzugsmustern
wurde subjektiv durch eine visuelle Prüfung der beschichteten Folienoberfläche vor
einem schwarzen Hintergrund beurteilt. Es ist zwar bevorzugt, eine
Folie ohne sichtbare Überzugsmuster
herzustellen, die Gegenwart von geringfügigen sichtbaren Mustern ist
jedoch im Allgemeinen akzeptabel. Das Adhäsionsverhalten mit Klebeband
wurde mit Hilfe eines Instron-Geräts bestimmt. Ein 3 Zoll langer
Streifen eines 1 Zoll breiten Klebebands 616 von 3M wurde auf jede
Probe geklebt und die Kraft, die zum Entfernen des Klebebands von
der Probe unter einem Zugwinkel von 180° erforderlich war, gemessen. Das
Adhäsionsverhalten
mit Klebeband ist ein Ausdruck für
die durchschnittlich erforderliche Kraft zum Trennen der Oberflächen auf
der Grundlage von drei Wiederholungen. Die Beständigkeit gegen Abwischen mit
Lösungsmittel
wurde mit Anchor Film Kleen® #7065
als Lösungsmittel
ermittelt. Die Oberfläche
der Folie wurde 10 Sekunden langen unter leichtem Druck in kreisförmigen Bewegungen
mit einem Stück
Baumwollvlies, das mit Anchor Film Kleen® #7065 gesättigt war, abgerieben. Die
Folienoberfläche
wurde dann 1 Minute bei Raumtemperatur getrocknet, wonach die Folie
visuell auf Unregelmäßigkeiten
im Überzug,
wie gelöste
Bereiche oder Schlieren, überprüft wurde.
Die Ergebnisse sind in Tabelle I dargestellt.
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Wie aus Tabelle I hervorgeht, verbessert
der Zusatz von Glycidoxysilan die Gesamttrübung und die Überzugsmuster
bei beiden Foliendicken ohne nachteilige Wirkung auf den Oberflächenwiderstand
oder die Lösungsmittelbeständigkeit.
Die Zugabe von Glycidoxysilan erhöhte jedoch die Reibungszahlen
der Proben, so dass zwei von drei Proben während der Prüfung "blockierten".
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BEISPIEL 2
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Elf verschiedene Beschichtungszusammensetzungen
wurden mit unterschiedlichen Anteilen an Glycidoxysilan und Siliciumdioxidteilchen
in der in Beispiel 1 beschriebenen Beschichtungszusammensetzung
untersucht. Die Siliciumdioxidteilchen reduzieren durch ihre Aufnahme
in die Zusammensetzung die Reibungszahl. Die Siliciumdioxidteilchen
ragen aus der Folienoberfläche
heraus und schaffen so beim Aufrollesn zu einer Rolle einen kleinen
Luftspalt zwischen jeder Folienschicht, wodurch die Reibung verringert
wird, die beim anschließenden Übereinandergleiten
der Folienschichten, wie dies beim Abrollen der Fall ist, verursacht
wird. Die Bildung der Luftspalte trägt zur Reduzierung des Aufbaus
einer statischen Ladung bei der weiteren Folienverarbeitung bei.
Das hier verwendete Siliciumdioxid war Nalco® 1056 (erhältlich von Nalco Chemical Co.). Die
Ergebnisse dieses Beispiels sind in Tabelle II dargestellt. Keine
der elf Proben zeigte ein nachweisbares Überzugsmuster. Außerdem zeigten
alle, wie aus Tabelle II hervorgeht, auch weiterhin hervorragende
Gesamttrübung,
Oberflächenwiderstand
und Reibungszahlen, innbesondere verglichen mit den Kontrollen aus
Tabelle I. Es wurde jeweils eine Hostaphan 4000 Folie mit 48 Gauge
verwendet.
