EP2417176A1 - Hydroxygruppen umfassende kohlenstoffnanoröhren, verfahren zu deren herstellung und diese kohlenstoffnanoröhren umfassende polyurethanpolymere - Google Patents

Hydroxygruppen umfassende kohlenstoffnanoröhren, verfahren zu deren herstellung und diese kohlenstoffnanoröhren umfassende polyurethanpolymere

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EP2417176A1
EP2417176A1 EP10711355A EP10711355A EP2417176A1 EP 2417176 A1 EP2417176 A1 EP 2417176A1 EP 10711355 A EP10711355 A EP 10711355A EP 10711355 A EP10711355 A EP 10711355A EP 2417176 A1 EP2417176 A1 EP 2417176A1
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EP
European Patent Office
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carbon nanotubes
butyl
reaction
group
dispersion
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP10711355A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Stephanie Vogel
Hartmut Nefzger
Jörg Hofmann
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Bayer Intellectual Property GmbH
Original Assignee
Bayer MaterialScience AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Bayer MaterialScience AG filed Critical Bayer MaterialScience AG
Priority to EP10711355A priority Critical patent/EP2417176A1/de
Publication of EP2417176A1 publication Critical patent/EP2417176A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • C01B32/15—Nano-sized carbon materials
    • C01B32/158—Carbon nanotubes
    • C01B32/168—After-treatment
    • C01B32/174—Derivatisation; Solubilisation; Dispersion in solvents
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y30/00—Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y40/00—Manufacture or treatment of nanostructures
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    • C08K3/02—Elements
    • C08K3/04—Carbon
    • C08K3/041—Carbon nanotubes

Definitions

  • Carbon nanotubes comprising hydroxy groups, processes for their preparation and polyurethane polymers comprising these carbon nanotubes
  • the present invention relates to carbon nanotubes comprising hydroxy groups, the surface of which comprises covalently attached hydroxyalkyl ester groups thereon. It further relates to a process for the preparation of carbon nanotubes comprising such hydroxy groups, a process for producing polyurethane polymers comprising carbon nanotubes, and a polyurethane polymer comprising carbon nanotubes, wherein at least a part of the carbon nanotubes is covalently bonded to the polyurethane polymer.
  • Carbon nanotubes are known for their exceptional properties. For example, their strength is about 100 times that of steel, whose thermal conductivity is about twice that of diamond, their thermal stability reaches up to 2800 0 C in a vacuum and their electrical conductivity can be many times that of
  • Conductivity of copper amount. These structural characteristics are on a molecular level
  • the first variant of this is the activation of the acid groups by thionyl chloride, followed by further reaction with a nucleophile.
  • a disadvantage of this is the released by the use of thionyl chloride SO 2 and HCl.
  • the second variant is the reaction of the carboxyl groups of the carbon nanotubes with coupling reagents, such as the DCC known from peptide chemistry, followed by reaction with a nucleophile.
  • this method requires the use of an expensive coupling reagent and, depending on the coupling reagent used, produces a poorly soluble urea as a by-product.
  • VGCF vapor-grown carbon fibers
  • polyester-polyol synthesis The functionalization of carboxyl groups in the polyester-polyol synthesis is disclosed in DE 36 13 875 Al.
  • a hydroxyl number of about 20 to about 400 and a functionality of preferably 2 to 3 polycarboxylic acids and / or their anhydrides and polyhydric alcohols are condensed. This is advantageously done in the absence of conventional esterification catalysts at temperatures of 150 0 C to 250 0 C and optionally under reduced pressure.
  • the tertiary amine is selected from the group consisting of N-methylimidazole, diazabicyclo [2,2,2] octane, diazabicyclo [5,4,0] undec-7-ene and pentamethylene-diethylenetriamine.
  • the catalyst is expediently used in an amount of 0.001 to 1.0% by weight, based on the polycondensate weight.
  • the invention therefore proposes a carbon nanotube comprising hydroxyl groups, the surface of which comprises covalently attached thereto hydroxyalkyl ester groups selected from the group according to the general formula (1) and / or the general formula (2), wherein (CNT) for the surface of Carbon nanotube and R 1 and R 2 independently of one another are hydrogen, an alkyl radical or an aryl radical:
  • the structures according to the isomeric general formulas (1) and (2) can be derived from the reaction of carboxyl or carboxylate groups located on the surface of the carbon nanotubes with epoxides bearing R 1 and R 2. This is under opening of the
  • Epoxy ring a carboxylic acid ester having an OH group at a distance of 2 carbon atoms to the ester group.
  • the connection of the epoxy ring is a carboxylic acid ester having an OH group at a distance of 2 carbon atoms to the ester group.
  • alkyl generally in the context of the entire invention comprises substituents from the group n-alkyl, branched alkyl and / or cycloalkyl.
  • aryl generally includes, in the context of the entire invention, substituents from the group of mononuclear carbo- or heteroaryl substituents and / or polynuclear carbo- or heteroaryl substituents.
  • the resulting free OH group can then be used for subsequent reactions to further functionalize the surface of the carbon nanotube.
  • the content of these free OH groups expressed in mmol OH groups per gram of carbon nanotubes, can be, for example,> 0.1 mmol / g to> 5 mmol / g, preferably> 0.5 mmol / g to> 1 mmol / g, be.
  • R 1 and R 2 independently of one another are hydrogen, methyl, ethyl, n-propyl, isopropyl, n-butyl, sec-butyl, isobutyl, tert-butyl and / or phenyl or together for - (CH 2 ⁇ -.
  • R 1 and R 2 together represent - (CH 2 ) ,! -
  • the structure of such carbon nanotubes according to the invention would be derived from the reaction of carboxyl or carboxylate groups on the surface of the carbon nanotubes with cyclohexene oxide however, R 1 and R 2 are hydrogen or R 1 is hydrogen and R 2 is methyl - A -
  • Carbon nanotubes are attributed to the reaction of located on the surface of the carbon nanotubes carboxyl or carboxylate groups with ethylene oxide or propylene oxide.
  • the carbon nanotube is selected from the group comprising single-walled carbon nanotubes, multi-walled carbon nanotubes, multi-walled carbon nanotubes of the cylinder type, of the scroll type, of the multiscroll type and / or of onion-like structure. It is favorable if the carbon nanotubes have a ratio of length to outer diameter of> 5, preferably> 100.
  • the carbon nanotube comprising hydroxy groups according to the invention has a diameter of> 3 nm to ⁇ 100 nm.
  • the diameter here refers to the mean diameter of the carbon nanotubes. It can also be in a range from> 5 nm to ⁇ 80 nm and advantageously from> 6 nm to ⁇ 60 nm.
  • the length of the carbon nanotubes is initially not limited. However, it may, for example, be in a range of> 1 ⁇ m to ⁇ 100 ⁇ m and advantageously of> 10 ⁇ m to ⁇ 30 ⁇ m.
  • a further subject of the present invention is a process for the preparation of carbon nanotubes comprising hydroxy groups according to the invention, comprising the steps:
  • R 1 R 2 wherein R 1 and R 2 are independently hydrogen, an alkyl radical or an aryl radical.
  • This synthetic route is at least one step shorter compared to the esterification via carbonyl chlorides on the surface of the carbon nanotubes. It is also of particular advantage that this synthesis can be carried out under comparatively mild reaction conditions. As a rule, significantly higher temperatures are required for a direct esterification of carboxyl groups on the surface of a carbon nanotube, as a result of which a reagglomeration of the nanotubes can take place, or else the singulation of the nanotubes due to the chemical functionalization does not take place. Larger nanotube agglomerates with diameters in the range of 100 .mu.m to 200 .mu.m then still have to be separated in a complicated filtration process.
  • the process according to the invention is an addition reaction which only has to make do with small amounts of a catalyst. In the esterification of an acid chloride, however, stoichiometric amounts of hydrogen chloride would be released, which would eventually have to be removed.
  • the carbon nanotube comprising hydroxy groups according to the invention can be described as being obtainable from this process according to the invention.
  • the carbon nanotubes covalently bonded to the surface as the starting material can be obtained from unfunctionalized carbon nanotubes by oxidative methods such as the HNO 3 method.
  • the content of surface carboxyl groups can be determined by conductometric titration and expressed in mmol of carboxyl groups per gram of carbon nanotubes. The content may be, for example,> 0.1 mmol / g to> 5 mmol / g, preferably> 0.5 mmol / g to> 1 mmol / g.
  • the provision of carbon nanotubes in step (a) is advantageously carried out as a dispersion in a solvent.
  • This solvent should be selected so that it does not undergo any unwanted side reactions with the epoxide used.
  • Suitable solvents include aromatic hydrocarbons such as toluene or xylene, cycloalkanes such as cyclohexane, alkanes such as hexane and ethers, especially cyclic ethers such as tetrahydrofuran or dioxane.
  • the concentration of the carbon nanotubes in a dispersion may, for example, in a range of> 0.1% by weight to> 10% by weight, preferably from > 1% by weight to> 5% by weight.
  • the dispersion can be obtained by using a stirrer with a rotor / stator system at high speeds, such as between> 20,000 rpm and> 25,000 rpm. In addition, ultrasound can act on the dispersion.
  • the epoxide can be used in large excess over the carboxyl groups on the surface of the carbon nanotubes. If the epoxide is gaseous under the reaction conditions, the reaction pressure (absolute) may be, for example, from> 2 bar to ⁇ 5 bar.
  • the reaction of the carbon nanotubes in step (b) is carried out in the presence of a tertiary amine as a catalyst.
  • a tertiary diamine Preference is given here tertiary diamines. Examples of these are diazabicycloalkanes, such as 1,4-
  • the catalyst bis (2-dimethylaminoethyl) ether causes only one molecule of the epoxide with the carboxyl group reacts, so it is not so
  • R 1 and R 2 independently of one another are hydrogen, methyl, ethyl, n-propyl, isopropyl, n-butyl, sec-butyl, isobutyl, tert-butyl and / or phenyl or together for - (CH 2 ) ,! -.
  • the epoxide in step (b) is preferably a terminal alkylene oxide.
  • at least one of R 1 or R 2 is hydrogen.
  • alkylene oxides are ethylene oxide, propylene oxide and n-butylene oxide. Preferred are ethylene oxide and propylene oxide.
  • the carbon nanotubes in step (a) are selected from the group consisting of single-walled carbon nanotubes, multi-walled carbon nanotubes, multi-walled carbon nanotubes of the cylinder-type, scroll-type, multiscroll-type and / or onion-like structure.
  • the carbon nanotubes in step (a) have a diameter of> 3 nm to ⁇ 100 nm. Further details and preferred lengths and diameters have already been described above in connection with the carbon nanotubes according to the invention. Therefore, to avoid repetition, reference is made to the above.
  • the reaction in step (b) is carried out at a temperature of> 100 ° C. to ⁇ 150 ° C.
  • the reaction temperature is in this case between> 120 0 C to ⁇ 130 0 C.
  • the carbon nanotubes comprising hydroxy groups according to the invention can advantageously be used in the synthesis of polyurethane polymers and thus incorporated covalently into the polymer matrix. Therefore, a further subject of the present invention is a process for the production of polyurethane polymers comprising carbon nanotubes, comprising the steps:
  • step (b) Reaction of the dispersion from step (a) with an epoxide
  • R 1 and R 2 are independently hydrogen, an alkyl group or an aryl group
  • step (c) reaction of the dispersion obtained in step (b) with a polyisocyanate.
  • the carbon nanotubes of the invention obtained after step (b) also react at least partially with isocyanate groups during the formation of the polyurethane polymer with its free hydroxyl groups. As a result, a polyurethane polymer chain is covalently attached to the surface of the carbon nanotube.
  • the carbon nanotubes covalently bonded to the surface as the starting material can be obtained from unfunctionalized carbon nanotubes by oxidative methods such as the HNO 3 method.
  • the content of surface carboxyl groups can be determined by conductometric titration and expressed in mmol of carboxyl groups per gram of carbon nanotubes. The content may be, for example,> 0.1 mmol / g to> 5 mmol / g, preferably> 0.5 mmol / g to> 1 mmol / g.
  • the carbon nanotubes in step (a) may be selected from the group consisting of single-walled carbon nanotubes, multi-walled carbon nanotubes, multi-walled ones Cylinder-type, scroll-type, multiscroll-type carbon nanotubes and / or onion-like structure.
  • the carbon nanotubes in step (a) have a diameter of> 3 nm to ⁇ 100 nm. Further details and preferred lengths and diameters have already been described above in connection with the carbon nanotubes according to the invention. Therefore, to avoid repetition, reference is made to the above.
  • the provision of carbon nanotubes in step (a) is carried out as a dispersion in a polyol.
  • concentration of the carbon nanotubes in the dispersion may be, for example, in a range from> 0.1% by weight to> 10% by weight, preferably from> 1% by weight to> 5% by weight.
  • the dispersion can be obtained by using a stirrer with a rotor / stator system at high speeds, such as between> 20,000 rpm and> 25,000 rpm.
  • ultrasound can act on the dispersion.
  • Suitable polyols are basically the polyols customary in polyurethane chemistry, for example polyether, polyacrylate, polycarbonate, polycaprolactone, polyurethane and polyester polyols.
  • polyether polyacrylate
  • polycarbonate polycarbonate
  • polycaprolactone polyurethane
  • polyester polyols Such polyols are described in "Ulimann's Enzyklopadie der ischen Chemie", 4th Edition, Volume 19, pp. 304-305, Verlag Chemie, Weinheim, or in “Polyurethanes - Paints, Adhesives and Sealants” by Ulrich Meier-Westhues, Vincentz Network , Hannover, 2007, described.
  • the epoxide can be used in large excess over the carboxyl groups on the surface of the carbon nanotubes. If the epoxide is gaseous under the reaction conditions, the reaction pressure (absolute) may, for example, be> 2 bar to ⁇ 10 bar.
  • Suitable polyisocyanates are aromatic, araliphatic, aliphatic or cycloaliphatic polyisocyanates having an NCO functionality of> 2.
  • polyisocyanates examples include 1,4-butylene diisocyanate, 1,6-hexamethylene diisocyanate (HDI), isophorone diisocyanate (IPDI), 2,2,4- and / or 2,4,4-
  • Trimethylhexamethylene diisocyanate the isomeric bis (4,4'-isocyanatocyclohexyl) methanes or mixtures thereof of any desired isomer content, 1,4-cyclohexylene diisocyanate, 1,4-
  • MDI 2,2'- and / or 2,4'- and / or 4,4'-diphenylmethane diisocyanate
  • MDI 1,3- and / or 1,4-bis- (2-isocyanato-prop-2-yl) benzene
  • TMXDI 1,3-bis (isocyanatomethyl) benzene
  • alkyl 2,2'- and / or 2,4'- and / or 4,4'-diphenylmethane diisocyanate
  • TMXDI 1,3- and / or 1,4-bis- (2-isocyanato-prop-2-yl) benzene
  • XDI 1,3-bis (isocyanatomethyl) benzene
  • alkyl 2,2'- and / or 2,4'- and / or 4,4'-diphenylmethane diisocyanate
  • TMXDI 1,3- and / or 1,4-bis- (2-isocyanato-prop-2-
  • 2,6-diisocyanatohexanoates having Q to Cg alkyl groups.
  • modified or diisocyanates with a uretdione, isocyanurate, urethane, allophanate, biuret, iminooxadiazinedione and / or oxadiazinetrione structure and unmodified polyisocyanate with more than 2 NCO groups per molecule such as Example 4 isocyanatomethyl-l, 8-octane diisocyanate (nonane triisocyanate) or triphenylmethane 4,4 ', 4 "triisocyanate are used.
  • NCO-terminated prepolymers of the abovementioned polyisocyanates and polyols are used as the polyisocyanate component.
  • the molar ratio of NCO groups of the polyisocyanate to NCO-reactive OH groups may be, for example,> 0.90 to ⁇ 1.15, preferably> 1.0 to ⁇ 1.1, more preferably> 1.02 to ⁇ 1.07 ,
  • the reaction of the dispersion with an alkylene oxide in step (b) is carried out in the presence of a tertiary amine as a catalyst.
  • a tertiary diamine Preference is given here tertiary diamines. Examples of these are diazabicycloalkanes such as 1,4-diazabicyclo [2.2.2] octane, diazabicycloalkenes such as l, 8-diazabicyclo [5.4.0] undec-7-ene, triamines such as pentamethylene-diethylenetriamine and bis (2-dialkylaminoalkyl) ethers such as bis (2-dimethylaminoethyl) ether.
  • the catalyst bis (2-dimethylaminoethyl) ether causes only one molecule of the epoxide to react with the carboxyl group, so that it does not come to the formation of polyether chains. Furthermore, it has been found that in systems with the catalyst bis (2-dimethylaminoethyl) ether good dispersions are obtained.
  • the polyol in step (a) is a polyether polyol and / or a polyester polyol.
  • Preferred polyether polyols have hydroxyl numbers of> 25 mg KOH / g to ⁇ 550 mg KOH / g, advantageously from> 100 mg KOH / g to ⁇ 520 mg KOH / g. It is advantageous if the polyether polyols are exclusively or predominantly based on propylene oxide.
  • Preferred polyester polyols have hydroxyl numbers of> 100 mg KOH / g to ⁇ 550 mg KOH / g, advantageously from> 200 mg KOH / g to ⁇ 500 mg KOH / g.
  • the said polyols have molar masses in the range of> 250 to ⁇ 5000 g / mol, preferably> 400 to ⁇ 3500 g / mol and a functionality of> 1.8 and ⁇ 6, preferably between> 1.95 and ⁇ 3.5 have.
  • R 1 and R 2 independently of one another represent hydrogen, methyl, ethyl, n-propyl, isopropyl, n-butyl, sec-
  • the epoxide in step (b) is a terminal alkylene oxide .
  • at least one of the radicals R is or R2 hydrogen.
  • alkylene oxides are ethylene oxide, propylene oxide and n-butylene oxide. Preferred are ethylene oxide and propylene oxide.
  • the polyisocyanate in step (c) is a polyisocyanate based on diphenyl-4,4'-diisocyanate (MDI).
  • MDI diphenyl-4,4'-diisocyanate
  • the fact that the polyisocyanate is based on MDI means that it is either monomeric, polynuclear or polymeric MDI.
  • it may have an NCO content of> 25% by weight to ⁇ 35% by weight.
  • the NCO content may also be in a range from> 29% by weight to ⁇ 31% by weight.
  • Another object of the present invention is a polyurethane polymer comprising carbon nanotubes, wherein at least a portion of the carbon nanotubes are covalently bonded to the
  • Polyurethane polymer is bonded.
  • the polyurethane polymer is characterized in that urethane bonds are present between the carbon nanotubes and the polyurethane polymer from hydroxyalkyl ester groups and free isocyanate groups of the polyurethane polymer covalently bonded to the surface of the carbon nanotubes, the urethane bonds being selected from the group according to the general formulas (3) and / or ( 4):
  • CNT stands for the surface of the carbon nanotube
  • PUR stands for a polyurethane polymer
  • R 1 and R 2 independently of one another, are hydrogen, an alkyl radical or an aryl radical.
  • the structures of the general formulas (3) and (4) can be derived by reacting, starting from inventive, hydroxy-containing carbon nanotubes according to the general formulas (1) and (2) the free OH group with an isocyanate group, whereby a connection to the Polyurethane polymer is achieved. Consequently, the polyurethane polymer according to the invention can also be described as being obtainable from the above process according to the invention. In the polyurethane polymer according to the invention, stiffening can be observed with respect to a polyurethane not provided with carbon nanotubes and also to a carbon nanotube which is not functionalized according to the invention.
  • the reactive attachment of the polyurethane to the surface of the carbon nanotube results in a more uniform distribution within the polymer matrix, and at the same time, the rigid attachment of the polyurethane beneficially affects the mechanical properties.
  • the proportion of carbon nanotubes in the polyurethane polymer according to the invention may be, for example,> 0.1% by weight to ⁇ 5% by weight, preferably> 0.5% by weight to ⁇ 1% by weight. Such a small proportion of carbon nanotubes can already lead to a noticeable reinforcement of the material.
  • the polyurethane polymer according to the invention may for example have a modulus of elasticity of> 1 N / mm 2 to ⁇ 10000 N / mm 2 .
  • this is an elastomer having a modulus of elasticity of> 10 N / mm 2 to ⁇ 5000 N / mm 2 , preferably from> 100 N / mm 2 to ⁇ 1000 N / mm 2 .
  • the modulus of elasticity can be determined as a slope at the operating point of the stress-strain curve from the tensile test according to DIN 53 504 with vanishing deformation between 0.025% and 0.05% elongation.
  • Another object of the present invention is the use of hydroxyl-comprising carbon nanotubes according to the invention for the production of polymers comprising carbon nanotubes.
  • This may be, for example, a method in which the carbon nanotubes of the invention are added to the polymer itself or to the reaction mixture from which the polymer is obtained. Such a reaction mixture can lead to a polyurethane.
  • Another example is a reaction mixture that results in an epoxy resin.
  • the carbon nanotubes according to the invention can be covalently bound in the polymer matrix.
  • the carbon nanotubes according to the invention are present without covalent bonding in the polymer matrix.
  • the present invention will be further illustrated by the following examples. Here, the materials and abbreviations used have the following meaning:
  • Desmophen® VP.PU 22HS51 bifunctional polyether polyol with an OH number of 1 12 mg
  • Desmodur® CD-S modified polyisocyanate based on diphenyl-4,4'-diisocyanate, with an NCO content of 29.5% (Bayer MaterialScience)
  • DABCO 33-LV amine catalyst; 1,4-diazabicyclo [2.2.2] octane; 33% solution in
  • Niax Al amine catalyst; ether bis (2-dimethylaminoethyl); 70% solution in
  • Oxidized CNTs Baytubes® Cl 5OP oxidized carbon nanotubes (Bayer MaterialScience), where carboxyl groups were introduced on the surface by known methods
  • Modulus of elasticity [N / mm 2 ]: as the slope at the operating point of the stress-strain curve from the tensile test according to DIN 53 504 with vanishing deformation between 0.025% and 0.05% elongation
  • the Baytubes C 150P (multi-walled carbon nanotubes) oxidized by the HNO 3 process had a carboxyl group concentration of 0.5 mmol / g (conductometric titration). These oxidized carbon nanotubes were transformed into a supported polyether polyol in two various concentrations (1% by weight and 3% by weight). For this purpose, they were roughly predispersed with a rotor / stator system (T 18 basic ULTRA-TURRAX®, IKA Werke GmbH & Co. KG, Staufen, Germany) in order to obtain a first distribution of the nanotubes in the medium and a wetting with the medium to obtain. Simple stirring of the nanotubes was not enough to produce a stable dispersion that could be used for a subsequent chemical reaction.
  • This dispersion was initially charged in a corresponding reactor with an amine catalyst and admixed with propylene oxide. The course of the reaction was monitored by the acid number determination. After the reaction, excess propylene oxide was distilled off.
  • the polyol dispersion with PO-functionalized carbon nanotubes thus obtained was sheared again in the rotor / stator system (UltraTURRAX) immediately before the reaction with the isocyanate and ultrasonically (Sonicator HD 3200 probe, BANDELIN electronic GmbH & Co. KG, Berlin, Germany). treated to ensure the highest possible dispersing quality.
  • This fine dispersion was briefly degassed both before and after the addition of the catalyst under reduced pressure.
  • the isocyanate was stirred briefly with the dispersion.
  • This reaction mixture was poured into a metal folding mold and annealed at 70 0 C.
  • the carbon nanotube-containing polyurethane elastomers thus obtained were examined for hardness and tensile strength.
  • Example 1 (predispersion, 1% by weight, dispersion 1)
  • Example 2 (predispersion, 3% by weight, dispersion 2)
  • Example 5 (fine dispersion, 1% by weight, dispersion 3A)
  • Example 6 (fine dispersion, 3% by weight, dispersion 4A)
  • the polyols (with and without Baytubes C150P) or the oxidized CNTs comprising polyol dispersions (3A or 4A) were placed in a 1L planschluchtopf and briefly degassed both before and after the catalyst addition.
  • the isocyanate was briefly stirred in at room temperature, the reaction mixture poured into a metal folding mold and then subjected to a tempering cycle.
  • the reinforcing influence of the inventively functionalized carbon nanotubes on the polyurethane elastomer Compared to the unfilled elastomer PURl, the elastomer PUR3 equipped with carbon nanotubes according to the invention had a 10% greater Shore A hardness, a 19.5% higher tensile strength, a 6.7% reduction in maximum elongation and a 5.9% higher modulus of elasticity on.
  • the elastomer PUR2 with the in no way functionalized Baytubes® Cl 5OP carbon nanotubes showed only an increase of the Shore hardness, a marginal increase of the tensile strength, even an increase of the maximum elongation and a decrease of the modulus of elasticity compared to the unfilled elastomer PURl.
  • the elastomer PUR6 equipped with the carbon nanotubes according to the invention had 19% greater Shore A hardness compared to the corresponding unfilled elastomer PUR4, 82.9% higher tensile strength, 33% lower maximum
  • Type functionalized carbon nanotubes of the type Baytubes® Cl 50P showed only a slight increase in the Shore hardness and tensile strength compared to the unfilled elastomer PUR4 and a small reduction in the maximum elongation and a significantly lower increase in the

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Abstract

Die Erfindung betrifft Hydroxygruppen umfassende Kohlenstoffnanoröhre, wobei ihre Oberfläche kovalent hieran gebundene Hydroxyalkylestergruppen umfasst, die ausgewählt sind aus der Gruppe gemäß der allgemeinen Formel (1) und/oder der allgemeinen Formel (2), wobei (CNT) für die Oberfläche der Kohlenstoffnanoröhre steht und R1 und R2 unabhängig voneinander Wasserstoff, ein Alkylrest oder ein Arylrest sind: Sie betrifft weiterhin ein Verfahren zu deren Herstellung mittels Reaktion von Carbonsäuregruppen der Kohlenstoffnanoröhren mit einem Epoxid, weiterhin ein Polyurethanpolymer, in welchem diese Kohlenstoffnanoröhren kovalent angebunden sind, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Polymers und die Verwendung der Kohlenstoffnanoröhren zur Herstellung von Polymeren.

Description

Hydroxygruppen umfassende Kohlenstoffnanoröhren, Verfahren zu deren Herstellung und diese Kohlenstoffnanoröhren umfassende Polyurethanpolymere
Die vorliegende Erfindung betrifft Hydroxygruppen umfassende Kohlenstoffnanoröhren, wobei ihre Oberfläche kovalent hieran gebundene Hydroxyalkylestergruppen umfasst. Sie betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung von solchen Hydroxygruppen umfassenden Kohlenstoffnanoröhren, ein Verfahren zur Herstellung von Kohlenstoffnanoröhren umfassenden Polyurethanpolymeren sowie ein Kohlenstoffnanoröhren umfassendes Polyurethanpolymer, wobei zumindest ein Teil der Kohlenstoffnanoröhren kovalent an das Polyurethanpolymer gebunden ist.
Kohlenstoffnanoröhren (carbon nanotubes, CNTs) sind für ihre außergewöhnlichen Eigenschaften bekannt. So beträgt beispielsweise deren Festigkeit das ungefähr 100-fache des Stahls, deren thermische Leitfähigkeit ist etwa doppelt so groß wie die von Diamant, ihre thermische Stabilität reicht bis hoch zu 2800 0C im Vakuum und deren elektrische Leitfähigkeit kann ein Vielfaches der
Leitfähigkeit von Kupfer betragen. Diese strukturbedingten Charakteristika sind auf molekularer
Ebene allerdings nur dann zugänglich, wenn es gelingt, Kohlenstoffnanoröhren homogen zu verteilen und einen möglichst großen Kontakt zwischen den Röhren und dem Medium herzustellen, also diese mit dem Medium verträglich und somit stabil dispergierbar zu machen.
Eine chemische Funktionalisierung von Kohlenstoffnanoröhren oder Kohlenstoff-Fasern kann unter anderem deren Dispergierbarkeit verbessern. In einem Übersichtsartikel von N. Tsubokawa (Polymer Journal 2005, 37, 637-655) wird eine Vielzahl von Möglichkeiten zu einer solchen Funktionalisierung aufgeführt. Neben aufwendigen chemischen Reaktionen wie beispielsweise Ligandenaustauschreaktionen an l,l'-Dicarboxyferrocen, der lebenden radikalischen Polymerisation mit Polystyrol und der Umsetzung mit Aziden wurde auch die auf diesem Gebiet bekannte Oxidation der Kohlenstoffnanoröhren mit HNO3 und entsprechende darauf aufbauende Modifikationen genannt. Tsubokawa berichtet von drei Möglichkeiten der Folgechemie nach der oxidativen Einführung von Carboxylgruppen.
Die erste Variante hierzu ist die Aktivierung der Säuregruppen durch Thionylchlorid, gefolgt von einer weiteren Umsetzung mit einem Nucleophil. Nachteilig hieran ist das durch die Verwendung von Thionylchlorid freiwerdende SO2 und HCl. Die zweite Variante ist die Umsetzung der Carboxylgruppen der Kohlenstoffnanoröhren mit Kopplungsreagenzien wie dem aus der Peptidchemie bekannten DCC mit anschließender Reaktion mit einem Nucleophil. Diese Methode erfordert jedoch den Einsatz eines teuren Kopplungsreagenzes und produziert, je nach verwendetem Kopplungsreagenz, einen schwer löslichen Harnstoff als Nebenprodukt. Eine dritte Variante schließlich wird in diesem Übersichtsartikel anhand von aus der Gasphase erhaltenen Kohlenstoff-Fasern (vapor grown carbon fibers, VGCF) beschrieben. Hierbei findet eine anionische Polymerisation von Epoxiden und Säureanhydriden durch alterniernde Ringöffnung statt. Dieses wurde vom gleichen Autor bereits separat in Polymer Journal 2004, 36, 316-322 beschrieben. Initiiert wird die Synthesesequenz durch die Deprotonierung der Carboxylgruppe durch KOH. Dadurch muss die Polymerisation in Gegenwart von Kronethern durchgeführt werden, was diese Chemie sehr teuer macht und Abfallprobleme mit sich bringt. In dem konkreten Beispiel wird die Carboxylatgruppe der Kohlenstoff-Faser mit Styroloxid und Phthalsäureanhydrid umgesetzt. Aus einer Tabelle lässt sich entnehmen, dass die Reaktion der Carboxylatgruppe mit Styroloxid alleine zu keiner Umsetzung führt.
Die Funktionalisierung von Carboxylgruppen bei der Polyester-Polyolsynthese wird in DE 36 13 875 Al offenbart. Zur Herstellung von Polyester-Polyolen mit einer Säurezahl von kleiner als 1, einer Hydroxylzahl von ungefähr 20 bis ungefähr 400 und einer Funktionalität von zweckmäßigerweise 2 bis 3 Polycarbonsäuren und/oder deren Anhydride und mehrwertige Alkohole kondensiert werden. Dieses geschieht vorteilhafterweise in Abwesenheit von üblichen Veresterungskatalysatoren bei Temperaturen von 150 0C bis 250 0C und gegebenenfalls unter vermindertem Druck. Es wird bis zu einer Säurezahl von 20 bis 5 polykondensiert und die erhaltenen Polykondensate danach pro Carboxylgruppe mit 1 bis 5 Mol Alkylenoxid, zum Beispiel 1 ,2-Propylenoxid und/oder vorzugsweise Ethylenoxid, in Gegenwart eines tertiären Amins alkoxiliert. Das tertiäre Amin ist ausgewählt aus der Gruppe N-Methylimidazol, Diazabicyclo- [2,2,2]octan, Diazabicyclo[5,4,0]undec-7-en und Pentamethylen-diethylen-triamin. Der Katalysator wird zweckmäßigerweise in einer Menge von 0,001 bis 1 ,0 Gewichts-%, bezogen auf das Polykondensatgewicht, eingesetzt. Vorteilhafterweise wird bei Temperaturen von 100 0C bis 170 0C und unter einem Druck von 1 bis 10 bar alkoxiliert.
Bislang noch nicht beschrieben wurden funktionalisierte Kohlenstoffnanoröhren, bei denen aufbauend auf an der Oberfläche befindlichen Carboxylgruppen Hydroxyalkylestergruppen mit einem Abstand von 2 Kohlenstoffatomen zwischen der Esterfunktion und der freien OH-Gruppe vorliegen. Solche Hydroxylgruppen tragenden Kohlenstoffnanoröhren wären für Funktionalisierungen nützlich, bei denen aufgrund der speziellen chemischen Gegebenheiten eine Anbindung über eine OH-Gruppe erforderlich ist.
Erfindungsgemäß vorgeschlagen wird daher eine Hydroxygruppen umfassende Kohlenstoffnanoröhre, wobei ihre Oberfläche kovalent hieran gebundene Hydroxyalkylestergruppen umfasst, die ausgewählt sind aus der Gruppe gemäß der allgemeinen Formel (1) und/oder der allgemeinen Formel (2), wobei (CNT) für die Oberfläche der Kohlenstoffnanoröhre steht und Rl und R2 unabhängig voneinander Wasserstoff, ein Alkylrest oder ein Arylrest sind:
(1 ) (2)
Die Strukturen gemäß der isomeren allgemeinen Formeln (1) und (2) lassen sich aus der Reaktion von an der Oberfläche der Kohlenstoffnanoröhren befindlichen Carboxyl- oder Carboxylatgruppen mit die Reste Rl und R2 tragenden Epoxiden herleiten. Hierbei wird unter Öffnung des
Epoxidrings ein Carbonsäureester mit einer OH-Gruppe im Abstand von 2 Kohlenstoffatomen zu der Estergruppe erhalten. Je nachdem, wie sich der Epoxidring öffnet, findet die Anbindung der
Estergruppe an das Rl tragende Kohlenstoffatom gemäß Formel (1) oder an das R2 tragende Kohlenstoffatom gemäß Formel (2) statt. Wenn einer der Reste Rl oder R2 Wasserstoff ist und der andere der beiden Reste nicht, so können primäre beziehungsweise sekundäre Alkohole erhalten werden.
Der Begriff "Alkyl" umfasst allgemein im Zusammenhang der gesamten Erfindung Substituenten aus der Gruppe n-Alkyl, verzweigtes Alkyl und/oder Cycloalkyl. Der Begriff "Aryl" umfasst allgemein im Zusammenhang der gesamten Erfindung Substituenten aus der Gruppe einkernige Carbo- oder Heteroarylsubstituenten und/oder mehrkernige Carbo- oder Heteroarylsubstituenten.
Die erhaltene freie OH-Gruppe kann dann für Folgereaktionen genutzt werden, um die Oberfläche der Kohlenstoffnanoröhre weiter zu funktionalisieren. Der Gehalt an diesen freien OH-Gruppen, ausgedrückt in mmol OH-Gruppen pro Gramm Kohlenstoffnanoröhren, kann beispielsweise > 0, 1 mmol/g bis > 5 mmol/g, vorzugsweise > 0,5 mmol/g bis > 1 mmol/g, betragen.
In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hydroxygruppen umfassenden Kohlenstoffnanoröhre stehen Rl und R2 unabhängig voneinander für Wasserstoff, Methyl, Ethyl, n-Propyl, iso-Propyl, n-Butyl, sec-Butyl, iso-Butyl, tert-Butyl und/oder Phenyl oder gemeinsam für -(CH2^-. Wenn Rl und R2 gemeinsam für -(CH2),!- stehen, würde sich die Struktur solcher erfindungsgemäßer Kohlenstoffnanoröhren aus der Reaktion von an der Oberfläche der Kohlenstoffnanoröhren befindlichen Carboxyl- oder Carboxylatgruppen mit Cyclohexenoxid herleiten. Bevorzugt ist jedoch, dass Rl und R2 für Wasserstoff stehen oder aber dass Rl für Wasserstoff und R2 für Methyl steht. Dann kann die Struktur solcher erfindungsgemäßer - A -
Kohlenstoffnanoröhren auf die Reaktion von an der Oberfläche der Kohlenstoffnanoröhren befindlichen Carboxyl- oder Carboxylatgruppen mit Ethylenoxid oder Propylenoxid zurückgeführt werden.
In einer weiteren Ausfuhrungsform der erfindungsgemäßen Hydroxygruppen umfassenden Kohlenstoffnanoröhre ist die Kohlenstoffnanoröhre ausgewählt aus der Gruppe umfassend einwandige Kohlenstoffnanoröhren, mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren, mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren vom Zylinder-Typ, vom Scroll-Typ, vom Multiscroll-Typ und/oder mit zwiebelartiger Struktur. Günstig ist es, wenn die Kohlenstoffnanoröhren ein Verhältnis von Länge zu Außendurchmesser von > 5, bevorzugt > 100 haben.
Im Unterschied zu den bereits erwähnten bekannten Kohlenstoffnanoröhren vom Scroll-Typ mit nur einer durchgehenden oder unterbrochenen Graphenlage existieren auch Kohlenstoffnanoröhren-Strukturen, die aus mehreren Graphenlagen bestehen, welche zu einem Stapel zusammengefasst und aufgerollt vorliegen. Man spricht hierbei vom Multiscroll-Typ. Diese Kohlenstoffnanoröhren werden in DE 10 2007 044031 Al beschrieben, auf die in vollem Umfang Bezug genommen wird. Diese Struktur verhält sich zu den Kohlenstoffnanoröhren vom einfachen Scroll-Typ vergleichsweise wie die Struktur mehrwandiger zylindrischer Kohlenstoffnanoröhren (cylindrical MWNT) zur Struktur der einwandigen zylindrischen Kohlenstoffnanoröhren (cylindrical SWNT).
Es ist günstig, wenn die erfindungsgemäßen Hydroxygruppen umfassenden Kohlenstoffnanoröhre einen Durchmesser von > 3 nm bis < 100 nm aufweist. Der Durchmesser bezieht sich hierbei auf den mittleren Durchmesser der Kohlenstoffnanoröhren. Er kann auch in einem Bereich von > 5 nm bis < 80 nm und vorteilhafterweise von > 6 nm bis < 60 nm liegen. Die Länge der Kohlenstoffnanoröhren ist zunächst nicht begrenzt. Sie kann aber beispielsweise in einem Bereich von > 1 um bis < 100 um und vorteilhafterweise von > 10 μm bis < 30 μm liegen.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von erfindungsgemäßen Hydroxygruppen umfassenden Kohlenstoffnanoröhren, umfassend die Schritte:
(a) Bereitstellen von Kohlenstoffnanoröhren, deren Oberfläche kovalent hieran gebundene Carboxylgruppen umfasst; und
(b) Reaktion der Kohlenstoffnanoröhren aus Schritt (a) mit einem Epoxid O
R1 R2 , wobei Rl und R2 unabhängig voneinander Wasserstoff, ein Alkylrest oder ein Arylrest sind.
Diese Syntheseroute ist im Vergleich zur Veresterung über Carbonsäurechloride an der Oberfläche der Kohlenstoffnanoröhren um mindestens einen Schritt kürzer. Von besonderem Vorteil ist auch, dass diese Synthese unter vergleichsweise milden Reaktionsbedingungen durchgeführt werden kann. In der Regel sind für eine direkte Veresterung von Carboxylgruppen an der Oberfläche einer Kohlenstoffnanoröhre deutlich höhere Temperaturen nötig, wodurch eine Reagglomeration der Nanoröhren stattfinden kann oder aber die Vereinzelung der Nanoröhren aufgrund der chemischen Funktionalisierung ausbleibt. Größere Nanoröhren-Agglomerate mit Durchmessern im Bereich von 100 μm bis 200 μm müssen dann noch in einem aufwendigen Filtrierverfahren abgetrennt werden. Ansonsten würde nach einer weiteren Verarbeitung, zum Beispiel in einem Polymerformteil, Sollbruchstellen erzeugt werden. Gegenüber der Säurechloridroute besteht ein weiterer Vorteil darin, dass es sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren um eine Additionsreaktion handelt, die nur mit geringen Mengen eines Katalysators auskommen muss. Bei der Veresterung über ein Säurechlorid würden hingegen stöchiometrische Mengen Chlorwasserstoff freigesetzt werden, die letztendlich entfernt werden müssten.
Die erfindungsgemäße, Hydroxygruppen umfassende Kohlenstoffnanoröhre lässt sich so beschreiben, dass es aus diesem erfindungsgemäßen Verfahren erhältlich ist.
Die als Ausgangsmaterial eingesetzten, an der Oberfläche kovalent gebundene Carboxylgruppen umfassenden Kohlenstoffnanoröhren können aus unfunktionalisierten Kohlenstoffnanoröhren mittels oxidativer Verfahren wie dem HNθ3-Verfahren erhalten werden. Der Gehalt an Carboxylgruppen an der Oberfläche lässt sich durch konduktometrische Titration bestimmen und in mmol Carboxylgruppen pro Gramm Kohlenstoffnanoröhren angeben. Der Gehalt kann beispielsweise > 0,1 mmol/g bis > 5 mmol/g, vorzugsweise > 0,5 mmol/g bis > 1 mmol/g, betragen.
Die Bereitstellung von Kohlenstoffnanoröhren in Schritt (a) erfolgt vorteilhafterweise als Dispersion in einem Lösungsmittel. Dieses Lösungsmittel sollte danach ausgewählt sein, dass es mit dem eingesetzten Epoxid keine unerwünschten Nebenreaktionen eingeht. Geeignete Lösungsmittel sind unter anderem aromatische Kohlenwasserstoffe wie Toluol oder Xylol, Cycloalkane wie Cyclohexan, Alkane wie Hexan sowie Ether, insbesondere cyclische Ether wie Tetrahydrofuran oder Dioxan. Die Konzentration der Kohlenstoffnanoröhren in einer Dispersion kann beispielsweise in einem Bereich von > 0,1 Gewichts-% bis > 10 Gewichts-%, bevorzugt von > 1 Gewichts-% bis > 5 Gewichts-%, liegen. Die Dispersion kann durch Verwendung eines Rührers mit einem Rotor/Stator-System bei hohen Drehzahlen wie zum Beispiel zwischen > 20000 U/min und > 25000 U/min erhalten werden. Zusätzlich kann hierbei Ultraschall auf die Dispersion einwirken.
Um die Reaktion in Schritt (b) in die gewünschte Richtung zu treiben, kann der Epoxid in einem großen Überschuss gegenüber den Carboxylgruppen auf der Oberfläche der Kohlenstoffnanoröhren eingesetzt werden. Wenn das Epoxid unter den Reaktionsbedingungen gasförmig ist, kann der Reaktionsdruck (absolut) beispielsweise von > 2 bar bis < 5 bar liegen.
In einer Ausfuhrungsform dieses Verfahrens wird die Reaktion der Kohlenstoffnanoröhren in Schritt (b) in Gegenwart eines tertiären Amins als Katalysators durchgeführt. Bevorzugt sind hierbei tertiäre Diamine. Beispiele hierfür sind Diazabicycloalkane wie 1,4-
Diazabicyclo[2.2.2]octan, Diazabicycloalkene wie l,8-Diazabicyclo[5.4.0]undec-7-en, Triamine wie Pentamethylen-diethylen-triamin sowie Bis(2-dialkylaminoalkyl)ether wie Bis(2- dimethylaminoethyl)ether. Insbesondere der Katalysator Bis(2-dimethylaminoethyl)ether führt dazu, dass nur ein Molekül des Epoxids mit der Carboxylgruppe reagiert, so dass es also nicht zur
Bildung von Polyetherketten kommt.
In einer weiteren Ausführungsform dieses Verfahrens stehen in dem Epoxid in Schritt (b) Rl und R2 unabhängig voneinander für Wasserstoff, Methyl, Ethyl, n-Propyl, iso-Propyl, n-Butyl, sec- Butyl, iso-Butyl, tert-Butyl und/oder Phenyl oder gemeinsam für -(CH2),!-. Vorzugsweise ist dabei das Epoxid in Schritt (b) ein terminales Alkylenoxid. Dann ist mindestens einer der Reste Rl oder R2 Wasserstoff. Beispiele für solche Alkylenoxide sind Ethylenoxid, Propylenoxid sowie n- Butylenoxid. Bevorzugt sind hierbei Ethylenoxid und Propylenoxid.
In einer weiteren Ausführungsform dieses Verfahrens sind die Kohlenstoffnanoröhren in Schritt (a) ausgewählt aus der Gruppe umfassend einwandige Kohlenstoffnanoröhren, mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren, mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren vom Zylinder-Typ, vom Scroll-Typ, vom Multiscroll-Typ und/oder mit zwiebelartiger Struktur. Vorteilhafterweise weisen die Kohlenstoffnanoröhren in Schritt (a) einen Durchmesser von > 3 nm bis < 100 nm auf. Weitere Details und bevorzugte Längen und Durchmesser wurden bereits im Zusammenhang mit den erfϊndungsgemäßen Kohlenstoffnanoröhren weiter oben beschrieben. Daher wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf das Vorstehende Bezug genommen.
In einer weiteren Ausführungsform dieses Verfahrens wird die Reaktion in Schritt (b) bei einer Temperatur von > 100 0C bis < 150 0C durchgeführt. Vorteilhafterweise liegt die Reaktionstemperatur hierbei zwischen > 120 0C bis < 130 0C. Solche vergleichsweise niedrigen Reaktionstemperaturen ermöglichen die Funktionalisierung der Kohlenstoffhanoröhren, ohne dass ihre Reagglomeration in den Vordergrund tritt. Aus prozesstechnischer Sicht ist mit solchen Temperaturen, welche unterhalb der in der Regel für eine direkte Veresterung der Carboxylgruppen mit Alkoholen benötigten Temperatur liegen, weiterhin eine Energieeinsparung verbunden.
Die erfindungsgemäßen Hydroxygruppen umfassenden Kohlenstoffnanoröhren können vorteilhafterweise bei der Synthese von Polyurethanpolymeren mit eingesetzt werden und so kovalent in die Polymermatrix eingebaut werden. Daher ist ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Kohlenstoffnanoröhren umfassenden Polyurethanpolymeren, umfassend die Schritte:
(a) Bereitstellen einer Dispersion von Kohlenstoffnanoröhren, deren Oberfläche kovalent hieran gebundene Carboxylgruppen umfasst, in einem Polyol;
(b) Reaktion der Dispersion aus Schritt (a) mit einem Epoxid
2 , wobei Rl und R2 unabhängig voneinander Wasserstoff, ein Alkylrest oder ein Arylrest sind; und
(c) Reaktion der in Schritt (b) erhaltenen Dispersion mit einem Polyisocyanat.
Ohne auf eine Theorie festgelegt zu sein, wird angenommen, dass die nach Schritt (b) erhaltenen, erfindungsgemäßen Kohlenstoffnanoröhren während der Bildung des Polyurethanpolymers mit ihren freien Hydroxylgruppen zumindest teilweise ebenfalls mit Isocyanatgruppen reagieren. Hierbei wird im Ergebnis eine Polyurethanpolymer-Kette kovalent an die Oberfläche der Kohlenstoffnanoröhre angebunden.
Die als Ausgangsmaterial eingesetzten, an der Oberfläche kovalent gebundene Carboxylgruppen umfassenden Kohlenstoffnanoröhren können aus unfunktionalisierten Kohlenstoffnanoröhren mittels oxidativer Verfahren wie dem HNO3-Verfahren erhalten werden. Der Gehalt an Carboxylgruppen an der Oberfläche lässt sich durch konduktometrische Titration bestimmen und in mmol Carboxylgruppen pro Gramm Kohlenstoffnanoröhren angeben. Der Gehalt kann beispielsweise > 0,1 mmol/g bis > 5 mmol/g, vorzugsweise > 0,5 mmol/g bis > 1 mmol/g, betragen.
Die Kohlenstoffnanoröhren in Schritt (a) können ausgewählt sein der Gruppe umfassend einwandige Kohlenstoffnanoröhren, mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren, mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren vom Zylinder-Typ, vom Scroll-Typ, vom Multiscroll-Typ und/oder mit zwiebelartiger Struktur. Vorteilhafterweise weisen die Kohlenstoffnanoröhren in Schritt (a) einen Durchmesser von > 3 nm bis < 100 nm auf. Weitere Details und bevorzugte Längen und Durchmesser wurden bereits im Zusammenhang mit den erfindungsgemäßen Kohlenstoffnanoröhren weiter oben beschrieben. Daher wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf das Vorstehende Bezug genommen.
Die Bereitstellung von Kohlenstoffnanoröhren in Schritt (a) erfolgt als Dispersion in einem Polyol. Die Konzentration der Kohlenstoffnanoröhren in der Dispersion kann beispielsweise in einem Bereich von > 0,1 Gewichts-% bis > 10 Gewichts-%, bevorzugt von > 1 Gewichts-% bis > 5 Gewichts-%, liegen. Die Dispersion kann durch Verwendung eines Rührers mit einem Rotor/Stator-System bei hohen Drehzahlen wie zum Beispiel zwischen > 20000 U/min und > 25000 U/min erhalten werden. Zusätzlich kann hierbei Ultraschall auf die Dispersion einwirken.
Geeignete Polyole sind grundsätzlich die in der Polyurethanchemie üblichen Polyole wie beispielsweise Polyether-, Polyacrylat-, Polycarbonat-, Polycaprolacton-, Polyurethan- und Polyester-Polyole. Solche Polyole werden in "Ulimanns Enzyklopädie der technischen Chemie", 4. Auflage, Band 19, S. 304-305, Verlag Chemie, Weinheim, oder in "Polyurethane - Lacke, Kleb- und Dichtstoffe" von Ulrich Meier- Westhues, Vincentz Network, Hannover, 2007, beschrieben.
Um die Reaktion in Schritt (b) in die gewünschte Richtung zu treiben, kann der Epoxid in einem großen Überschuss gegenüber den Carboxylgruppen auf der Oberfläche der Kohlenstoffnanoröhren eingesetzt werden. Wenn das Epoxid unter den Reaktionsbedingungen gasförmig ist, kann der Reaktionsdruck (absolut) beispielsweise bei > 2 bar bis < 10 bar liegen.
Geeignete Polyisocyanate sind aromatische, araliphatische, aliphatische oder cycloaliphatische Polyisocyanate mit einer NCO-Funktionalität von > 2.
Beispiele solcher geeigneten Polyisocyanate sind 1,4-Butylendiisocyanat, 1,6- Hexamethylendiisocyanat (HDI), Isophorondiisocyanat (IPDI), 2,2,4- und/oder 2,4,4-
Trimethylhexamethylendiisocyanat, die isomeren Bis(4,4'-isocyanatocyclohexyl)methane oder deren Mischungen beliebigen Isomerengehalts, 1,4-Cyclohexylendiisocyanat, 1,4-
Phenylendiisocyanat, 2,4- und/oder 2,6-Toluylendiisocyanat (TDI), 1,5-Naphthylendiisocyanat,
2,2'- und/oder 2,4'- und/oder 4,4'-Diphenylmethandiisocyanat (MDI), 1,3- und/oder l,4-Bis-(2- isocyanato-prop-2-yl)-benzol (TMXDI), l,3-Bis-(isocyanatomethyl)benzol (XDI), sowie Alkyl-
2,6-diisocyanatohexanoate (Lysindiisocyanate) mit Q- bis Cg-Alkylgruppen. Neben den vorstehend genannten Polyisocyanaten können anteilig oder vollständig auch modifizierte Diisocyanate mit Uretdion-, Isocyanurat-, Urethan-, Allophanat-, Biuret-, Iminooxadiazindion- und/oder Oxadiazintrionstruktur sowie nicht-modifiziertes Polyisocyanat mit mehr als 2 NCO-Gruppen pro Molekül wie zum Beispiel 4-Isocyanatomethyl-l,8-octandiisocyanat (Nonantriisocyanat) oder Triphenylmethan- 4,4',4"-triisocyanat eingesetzt werden.
Weiterhin ist es möglich, dass als Polyisocyanatkomponente NCO-terminierte Prepolymere aus den vorgenannten Polyisocyanaten und Polyolen eingesetzt werden.
Das molare Verhältnis von NCO-Gruppen des Polyisocyanats zu NCO-reaktiven OH-Gruppen kann beispielsweise > 0,90 bis < 1,15, bevorzugt > 1,0 bis < 1,1 besonders bevorzugt > 1,02 bis < 1,07 betragen.
In einer Ausfuhrungsform dieses Verfahrens wird die Reaktion der Dispersion mit einem Alkylenoxid in Schritt (b) in Gegenwart eines tertiären Amins als Katalysators durchgeführt. Bevorzugt sind hierbei tertiäre Diamine. Beispiele hierfür sind Diazabicycloalkane wie 1,4- Diazabicyclo[2.2.2]octan, Diazabicycloalkene wie l,8-Diazabicyclo[5.4.0]undec-7-en, Triamine wie Pentamethylen-diethylen-triamin sowie Bis(2-dialkylaminoalkyl)ether wie Bis(2- dimethylaminoethyl)ether. Insbesondere der Katalysator Bis(2-dimethyiaminoethyl)ether führt dazu, dass nur ein Molekül des Epoxids mit der Carboxylgruppe reagiert, so dass es also nicht zur Bildung von Polyetherketten kommt. Weiterhin wurde festgestellt, dass sich in Systemen mit dem Katalysator Bis(2-dimethylaminoethyl)ether gute Dispersionen erhalten werden.
In einer weiteren Ausfuhrungsform dieses Verfahrens ist der Polyol in Schritt (a) ein Polyetherpolyol und/oder ein Polyesterpolyol. Bevorzugte Polyetherpolyole weisen Hydroxylzahlen von > 25 mg KOH/g bis < 550 mg KOH/g, vorteilhafterweise von > 100 mg KOH/g bis < 520 mg KOH/g auf. Günstig ist es, wenn die Polyetherpolyole ausschließlich oder überwiegend auf der Basis von Propylenoxid aufgebaut sind. Bevorzugte Polyesterpolyole weisen Hydroxylzahlen von > 100 mg KOH/g bis < 550 mg KOH/g, vorteilhafterweise von > 200 mg KOH/g bis < 500 mg KOH/g auf. Es ist möglich, dass die genannten Polyole Molmassen im Bereich von > 250 bis < 5000 g/mol, vorzugsweise > 400 bis < 3500 g/mol und eine Funktionalität zwischen > 1,8 und < 6, vorzugsweise zwischen > 1,95 und < 3,5 aufweisen.
m einer weiteren Ausführungsform dieses Verfahrens stehen in dem Epoxid in Schritt (b) Rl und R2 unabhängig voneinander für Wasserstoff, Methyl, Ethyl, n-Propyl, iso-Propyl, n-Butyl, sec-
Butyl, iso-Butyl, tert-Butyl und/oder Phenyl oder gemeinsam für — (CH2^-. Vorzugsweise ist dabei das Epoxid in Schritt (b) ein terminales Alkylenoxid. Dann ist mindestens einer der Reste Rl oder R2 Wasserstoff. Beispiele für solche Alkylenoxide sind Ethylenoxid, Propylenoxid sowie n- Butylenoxid. Bevorzugt sind hierbei Ethylenoxid und Propylenoxid.
In einer weiteren Ausführungsform dieses Verfahrens ist das Polyisocyanat in Schritt (c) ein Polyisocyanat auf der Basis von Diphenyl-4,4'-diisocyanat (MDI). Dass das Polyisocyanat auf MDI basiert, bedeutet, dass es sich entweder um monomeres, um mehrkerniges oder um polymeres MDI handelt. Beispielsweise kann es einen NCO-Gehalt von > 25 Gewichts-% bis < 35 Gewichts- % aufweisen. Der NCO-Gehalt kann auch in einem Bereich von > 29 Gewichts-% bis < 31 Gewichts-% liegen.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Kohlenstoffnanoröhren umfassendes Polyurethanpolymer, wobei zumindest ein Teil der Kohlenstoffnanoröhren kovalent an das
Polyurethanpolymer gebunden ist. Das Polyurethanpolymer zeichnet sich dadurch aus, dass zwischen den Kohlenstoffnanoröhren und dem Polyurethanpolymer Urethanbindungen aus kovalent an die Oberfläche der Kohlenstoffnanoröhren gebundenen Hydroxyalkylestergruppen und freien Isocyanatgruppen des Polyurethanpolymers vorliegen, wobei die Urethanbindungen ausgewählt sind aus der Gruppe gemäß den allgemeinen Formeln (3) und/oder (4):
(3) (4)
und wobei (CNT) für die Oberfläche der Kohlenstoffnanoröhre steht, (PUR) für ein Polyurethanpolymer steht und Rl und R2 unabhängig voneinander Wasserstoff, ein Alkylrest oder ein Arylrest sind.
Die Strukturen der allgemeinen Formeln (3) und (4) lassen sich herleiten, indem ausgehend von erfindungsgemäßen, Hydroxygruppen umfassenden Kohlenstoffnanoröhren gemäß der allgemeinen Formeln (1) und (2) die freie OH-Gruppe mit einer Isocyanatgruppe reagiert, wodurch eine Anbindung an das Polyurethanpolymer erreicht wird. Folglich lässt sich das erfindungsgemäße Polyurethanpolymer auch so beschreiben, dass es aus dem vorstehenden erfindungsgemäßen Verfahren erhältlich ist. Im erfindungsgemäßen Polyurethanpolymer kann eine Versteifung gegenüber einem nicht mit Kohlenstoffnanoröhren versehenen Polyurethan und auch gegenüber einem mit nicht erfindungsgemäß funktionalisierten Kohlenstoffnanoröhren beobachtet werden. Ohne auf eine Theorie festgelegt zu sein, wird angenommen, dass durch die reaktive Anbindung des Polyurethans an die Oberfläche der Kohlenstoffnanoröhre eine gleichmäßigere Verteilung innerhalb der Polymermatrix stattfindet und gleichzeitig die feste Anbindung des Polyurethans die mechanischen Eigenschaften günstig beeinflusst.
Details zu den Kohlenstoffnanoröhren (CNT), den Resten Rl und R2 sowie zu den Reaktionskomponenten, aus denen das Polyurethanpolymer (PUR) erhalten wird, wurden bereits einschließlich bevorzugter Ausführungsformen vorstehend beschrieben. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird hierauf im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Polyurethanpolymer in vollem Umfang Bezug genommen.
Der Anteil der Kohlenstoffnanoröhren im erfindungsgemäßen Polyurethanpolymer kann beispielsweise > 0,1 Gewichts-% bis < 5 Gewichts-%, vorzugsweise > 0,5 Gewichts-% bis < 1 Gewichts-% betragen. Ein solch geringer Anteil der Kohlenstoffnanoröhren kann bereits zu einer merklichen Verstärkung des Materials führen.
Das erfindungsgemäße Polyurethanpolymer kann beispielsweise ein Elastizitätsmodul von > 1 N/mm2 bis < 10000 N/mm2 aufweisen. In einer Ausführungsform ist dieses ein Elastomer mit einem Elastizitätsmodul von > 10 N/mm2 bis < 5000 N/mm2, vorzugsweise von > 100 N/mm2 bis < 1000 N/mm2. Das Elastizitätsmodul kann als Steigung im Arbeitspunkt der Spannungs- Dehnungskurve aus dem Zugversuch nach DIN 53 504 bei verschwindender Deformation zwischen 0,025 % und 0,05 % Dehnung bestimmt werden.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung von erfindungsgemäßen Hydroxygruppen umfassenden Kohlenstoffnanoröhren zur Herstellung von Kohlenstoffnanoröhren umfassenden Polymeren. Dieses kann beispielsweise ein Verfahren sein, bei dem die erfindungsgemäßen Kohlenstoffnanoröhren zu dem Polymer selbst oder zu der Reaktionsmischung hinzugefügt werden, aus der das Polymer erhalten wird. Solch eine Reaktionsmischung kann zu einem Polyurethan führen. Ein anderes Beispiel ist eine Reaktionsmischung, die zu einem Epoxidharz führt. Über die freien Hydroxygruppen können die erfindungsgemäßen Kohlenstoffnanoröhren in der Polymermatrix kovalent gebunden werden. Es ist aber ebenso möglich, dass die erfindungsgemäßen Kohlenstoffnanoröhren ohne kovalente Anbindung in der Polymermatrix vorliegen. Die vorliegende Erfindung wird anhand der nachfolgenden Beispiele weiter erläutert. Hierbei haben die verwendeten Materialien und Abkürzungen die folgende Bedeutung:
Desmophen® VP.PU 22HS51 : bifunktioneller Polyetherpolyol mit einer OH-Zahl von 1 12 mg
KOH/g (Bayer MaterialScience)
Desmodur® CD-S: modifiziertes Polyisocyanat auf Basis von Diphenyl-4,4'- diisocyanat, und einem NCO-Gehalt von 29,5% (Bayer MaterialScience)
DABCO 33-LV: Aminkatalysator; 1,4-Diazabicyclo[2.2.2]octane; 33 %-Lösung in
Propylenglykol (Air Products)
Niax Al : Aminkatalysator; Bis(2-dimethylaminoethyl)ether; 70%-Lösung in
Dipropylenglykol (Momentive Performance Materials Inc.)
DBTL: Dibutylzinndilaurat
DPG: Dipropylenglykol
Oxidierte CNTs: Oxidierte Kohlenstoffnanoröhren vom Typ Baytubes® Cl 5OP (Bayer MaterialScience), bei denen nach bekannten Verfahren auf der Oberfläche Carboxylgruppen eingeführt wurden
Die Bestimmung der mechanischen Eigenschaften der in den Beispielen erhaltenen Elastomeren erfolgte gemäß der folgenden Normen:
Härte [Shore A]: DIN 53 505
Zugfestigkeit [MPa]: DIN 53 504
Maximale Dehnung [%]: DIN 53 504
Elastizitätsmodul [N/mm2]: als Steigung im Arbeitspunkt der Spannungs-Dehnungskurve aus dem Zugversuch nach DIN 53 504 bei verschwindender Deformation zwischen 0,025 % und 0,05 % Dehnung
Allgemeine Anmerkungen zu den Beispielen:
Die mit dem HNO3-Verfahren oxidierten Baytubes C 150P (mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren) besaßen eine Carboxylgruppen-Konzentration von 0,5 mmol/g (konduktometrische Titration). Diese oxidierten Kohlenstoffnanoröhren wurden in ein Trägerpolyetherpolyol in zwei verschiedenen Konzentrationen (1 Gewichts-% und 3 Gewichts-%) eingebracht. Hierzu wurden sie mit einem Rotor-/Stator-System (T 18 basic ULTRA-TURRAX®, IKA Werke GmbH & Co. KG, Staufen, Deutschland) grob vordispergiert, um eine erste Verteilung der Nanoröhren in dem Medium und eine Benetzung mit dem Medium zu erhalten. Ein einfaches Einrühren der Nanoröhren reichte für die Herstellung einer stabilen Dispersion, die für eine nachfolgende chemische Reaktion eingesetzt werden kann, nicht aus.
Diese Dispersion wurde in einem entsprechenden Reaktor mit einem aminischen Katalysator vorgelegt und mit Propylenoxid versetzt. Der Reaktionsverlauf wurde durch die Säurezahlbestimmung beobachtet. Nach erfolgter Umsetzung wurde überschüssiges Propylenoxid abdestilliert.
Die so erhaltene Polyoldispersion mit PO-funktionalisierten Kohlenstoffnanoröhren wurde direkt vor der Umsetzung mit dem Isocyanat nochmals im Rotor-/Stator-System (UltraTURRAX) geschert und mit Ultraschall (Probe Sonicator HD 3200, BANDELIN electronic GmbH & Co. KG, Berlin, Deutschland) behandelt, um eine möglichst hohe Dispergiergüte sicherzustellen.
Diese Feindispersion wurde sowohl vor als auch nach der Zugabe des Katalysators kurz bei vermindertem Druck entgast. Das Isocyanat wurde mit der Dispersion kurz verrührt. Dieses Reaktionsgemisch wurde in eine Metall-Klapp-Form gegossen und bei 70 0C getempert.
Die so erhaltenen Kohlenstoffnanoröhren-haltigen Polyurethan-Elastomere wurden hinsichtlich ihrer Härte und Zugfestigkeit untersucht.
Beispiel 1 : (Vordispergierung, 1 Gewichts-%, Dispersion 1)
In einem 150 mL Becherglas wurde 1 g der oxidierten CNTs vorgelegt und mit 99 g Desmophen® VP.PU 22HS51 versetzt. Dieses Gemisch wurde unter Eiswasser-Kühlung für 2 Minuten bei 24000 U/min mit einem Rotor-/Stator-System (T 18 basic ULTRA-TURRAX®, IKA Werke GmbH & Co. KG, Staufen, Deutschland) geschert.
Beispiel 2: (Vordispergierung, 3 Gewichts-%, Dispersion 2)
In einem 150 mL Becherglas wurden 3 g der oxidierten CNTs vorgelegt und mit 97 g Desmophen® VP.PU 22HS51 versetzt. Dieses Gemisch wurde unter Eiswasser-Kühlung für 2 Minuten bei 24000 U/min mit einem Rotor-/Stator-System (T 18 basic ULTRA-TURRAX®, IKA Werke GmbH & Co. KG, Staufen, Deutschland) geschert. Beispiel 3: (Funktionalisierung, Dispersion 3)
In einem 500 mL Glasdruckreaktor wurden 227 g einer 1 Gewichts-%-Dispersion der oxidierten CNTs in Desmophen® VP.PU 22HS51 (Dispersion 1) mit 0,227 g Bis(2-dimethylaminoethyl)ether unter Schutzgas (Stickstoff) vorgelegt und dann auf 125 °C aufgeheizt. Anschließend wurden 10 g Propylenoxid zudosiert, wobei der Reaktordruck auf 3,0 bar (absolut) anstieg. Nach 5 h Reaktion unter Rühren bei 125 0C wurden leichtflüchtige Anteile bei 90 0C (1 mbar) abdestilliert und das Reaktionsgemisch anschließend auf Raumtemperatur abgekühlt. Zu Beginn der Reaktion betrug die Säurezahl des Reaktionsgemischs 0,55 mg KOH/g, am Ende der Reaktion 0,08 mg KOH/g.
Beispiel 4: (Funktionalisierung, Dispersion 4)
In einem 500 mL Glasdruckreaktor wurden 227 g einer 3 Gewichts-%-Dispersion der oxidierten CNTs in Desmophen® VP.PU 22HS51 (Dispersion 2) mit 0,227 g Bis(2-dimethylaminoethyl)ether unter Schutzgas (Stickstoff) vorgelegt und dann auf 125 0C aufgeheizt. Anschließend wurden 10 g Propylenoxid zudosiert, wobei der Reaktordruck auf 3,0 bar (absolut) anstieg. Nach 5 h Reaktion unter Rühren bei 125 0C wurden leichtflüchtige Anteile bei 90 0C (1 mbar) abdestilliert und das Reaktionsgemisch anschließend auf Raumtemperatur abgekühlt. Zu Beginn der Reaktion betrug die Säurezahl des Reaktionsgemischs 0,86 mg KOH/g, am Ende der Reaktion 0,04 mg KOH/g.
Beispiel 5: (Feindispergierung, 1 Gewichts-%, Dispersion 3A)
In einem 150 mL Becherglas wurden 90 g der Dispersion 3 vorgelegt. Dieses Gemisch wurde unter Eiswasser-Kühlung für 2 Minuten bei 24000 U/min mit einem Rotor-/Stator-System (T 18 basic ULTRA-TURRAX®, IKA Werke GmbH & Co. KG, Staufen, Deutschland) geschert und anschließend ebenfalls unter Eiswasserkühlung mit Ultraschall (Probe Sonicator HD 3200, BANDELIN electronic GmbH & Co. KG, Berlin, Deutschland) bis zu einem Gesamtenergieeintrag von 75 kJ behandelt. Die so erhaltene Dispersion 3A wurde unmittelbar für die weitere Umsetzung mit einem Isocyanat eingesetzt.
Beispiel 6: (Feindispergierung, 3 Gewichts-%, Dispersion 4A)
In einem 150 mL Becherglas wurden 90 g der Dispersion 4 vorgelegt. Dieses Gemisch wurde unter Eiswasser-Kühlung für 2 Minuten bei 24000 U/min mit einem Rotor-/Stator-System (T 18 basic ULTRA-TURRAX®, IKA Werke GmbH & Co. KG, Staufen, Deutschland) geschert und anschließend ebenfalls unter Eiswasserkühlung mit Ultraschall (Probe Sonicator HD 3200, BANDELIN electronic GmbH & Co. KG, Berlin, Deutschland) bis zu einem Gesamtenergieeintrag von 75 kJ behandelt. Die so erhaltene Dispersion 4A wurde unmittelbar für die weitere Umsetzung mit einem Isocyanat eingesetzt. Beispiel 7: Herstellung der PUR-Elastomere
Die Polyole (mit und ohne Baytubes C150P) beziehungsweise die oxidierten CNTs umfassenden Polyol-Dispersionen (3A oder 4A) wurden in einem 1L-Planschlifftopf vorgelegt und sowohl vor als auch nach der Katalysator-Zugabe kurz entgast. Das Isocyanat wurde bei Raumtemperatur kurz untergerührt, das Reaktionsgemisch in eine Metallklappform ausgegossen und anschließend einem Temperzyklus unterworfen.
Die Ansätze PURl bis PUR6 sind in der nachfolgenden Tabelle im Einzelnen wiedergegeben.
Die mechanischen Eigenschaften der erhaltenen Elastomere PURl bis PUR6 sind in den nachfolgenden beiden Tabellen aufgeführt.
Zur besseren Vergleichbarkeit zeigt die folgende Tabelle die prozentualen Veränderung der bestimmten Materialkennwerte für die mit Kohlenstoffnanoröhren gefüllten Elastomere im Vergleich zu dem korrespondierenden ungefüllten Elastomer PURl beziehungsweise PUR4.
Man erkennt hier den verstärkenden Einfluss der erfindungsgemäß funktionalisierten Kohlenstoffnanoröhren auf das Polyurethan-Elastomer. Gegenüber dem ungefüllten Elastomer PURl wies das mit erfindungsgemäßen Kohlenstoffnanoröhren ausgerüstete Elastomer PUR3 eine um 10% größere Shore A-Härte, eine um 19,5% höhere Zugfestigkeit, eine um 6,7% verringerte maximale Dehnung und ein um 5,9% höheres Elastizitätsmodul auf. Das Elastomer PUR2 mit den in keiner Weise funktionalisierten Kohlenstoffnanoröhren vom Typ Baytubes® Cl 5OP wies gegenüber dem ungefüllten Elastomer PURl nur keine Erhöhung der Shore-Härte, eine marginale Erhöhung der Zugfestigkeit, sogar eine Erhöhung der maximalen Dehnung und eine Erniedrigung des Elastizitätsmoduls auf.
In gleicher Weise wies das mit den erfindungsgemäßen Kohlenstoffnanoröhren ausgerüstete Elastomer PUR6 gegenüber dem korrespondierenden ungefüllten Elastomer PUR4 eine um 19% größere Shore A-Härte, eine um 82,9% höhere Zugfestigkeit, eine um 33% geringere maximale
Dehnung und ein um 93,2% höheres Elastizitätsmodul auf. Das Elastomer PUR5 mit den in keiner
Weise funktionalisierten Kohlenstoffnanoröhren vom Typ Baytubes® Cl 50P wies gegenüber dem ungefüllten Elastomer PUR4 nur eine geringe Erhöhung der Shore-Härte und der Zugfestigkeit und eine geringe Erniedrigung der maximalen Dehnung und eine deutlich geringere Erhöhung des
Elastizitätsmoduls gegenüber dem erfindungsgemäßen, mit Kohlenstoffnanoröhren ausgerüsteten
Elastomer PUR6 auf.

Claims

Patentansprüche
1. Hydroxygruppen umfassende Kohlenstoffnanoröhre, dadurch gekennzeichnet, dass ihre Oberfläche kovalent hieran gebundene Hydroxyalkylestergruppen umfasst, die ausgewählt sind aus der Gruppe gemäß der allgemeinen Formel (1) und/oder der allgemeinen Formel (2), wobei (CNT) für die Oberfläche der Kohlenstoffnanoröhre steht und Rl und R2 unabhängig voneinander Wasserstoff, ein Alkylrest oder ein Arylrest sind:
(1 ) (2)
2. Hydroxygruppen umfassende Kohlenstoffnanoröhre gemäß Anspruch 1, wobei Rl und R2 unabhängig voneinander für Wasserstoff, Methyl, Ethyl, n-Propyl, iso-Propyl, n-Butyl, sec-Butyl, iso-Butyl, tert-Butyl und/oder Phenyl stehen oder gemeinsam für -(CH2^- stehen.
3. Hydroxygruppen umfassende Kohlenstoffnanoröhre gemäß Anspruch 1, wobei die Kohlenstoffnanoröhre ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend einwandige Kohlenstoff- nanoröhren, mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren, mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren vom Zylinder-Typ, vom Scroll-Typ, vom Multiscroll-Typ und/oder mit zwiebelartiger
Struktur.
4. Verfahren zur Herstellung von Hydroxygruppen umfassenden Kohlenstoffnanoröhren gemäß Anspruch 1, umfassend die Schritte:
(a) Bereitstellen von Kohlenstoffnanoröhren, deren Oberfläche kovalent hieran gebundene Carboxylgruppen umfasst; und
(b) Reaktion der Kohlenstoffnanoröhren aus Schritt (a) mit einem Epoxid
2 , wobei Rl und R2 unabhängig voneinander Wasserstoff, ein
Alkylrest oder ein Arylrest sind.
5. Verfahren gemäß Anspruch 4, wobei die Reaktion der Kohlenstoffnanoröhren in Schritt (b) in Gegenwart eines tertiären Amins als Katalysator durchgeführt wird.
6. Verfahren gemäß Anspruch 4, wobei in dem Epoxid in Schritt (b) Rl und R2 unabhängig voneinander für Wasserstoff, Methyl, Ethyl, n-Propyl, iso-Propyl, n-Butyl, sec-Butyl, iso- Butyl, tert-Butyl und/oder Phenyl stehen oder gemeinsam für -(CH2^- stehen.
7. Verfahren gemäß Anspruch 4, wobei die Kohlenstoffnanoröhren in Schritt (a) ausgewählt sind aus der Gruppe umfassend einwandige Kohlenstoffnanoröhren, mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren, mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren vom Zylinder-Typ, vom Scroll- Typ, vom Multiscroll-Typ und/oder mit zwiebelartiger Struktur.
8. Verfahren gemäß Anspruch 4, wobei die Reaktion in Schritt (b) bei einer Temperatur von > 100 0C bis < 150 0C durchgeführt wird.
9. Verfahren zur Herstellung von Kohlenstoffnanoröhren umfassenden Polyurethanpolymeren, umfassend die Schritte:
(a) Bereitstellen einer Dispersion von Kohlenstoffnanoröhren, deren Oberfläche kovalent hieran gebundene Carboxylgruppen umfasst, in einem Polyol;
(b) Reaktion der Dispersion aus Schritt (a) mit einem Epoxid
O
R1 R2 , wobei Rl und R2 unabhängig voneinander Wasserstoff, ein
Alkylrest oder ein Arylrest sind; und
(c) Reaktion der in Schritt (b) erhaltenen Dispersion mit einem Polyisocyanat.
10. Verfahren gemäß Anspruch 9, wobei die Reaktion der Dispersion mit einem Alkylenoxid in Schritt (b) in Gegenwart eines tertiären Amins als Katalysator durchgeführt wird.
1 1. Verfahren gemäß Anspruch 9, wobei der Polyol in Schritt (a) ein Polyetherpolyol und/oder ein Polyesterpolyol ist.
12. Verfahren gemäß Anspruch 9, wobei in dem Epoxid in Schritt (b) Rl und R2 unabhängig voneinander für Wasserstoff, Methyl, Ethyl, n-Propyl, iso-Propyl, n-Butyl, sec-Butyl, iso-
Butyl, tert-Butyl und/oder Phenyl stehen oder gemeinsam für stehen.
13. Verfahren gemäß Anspruch 9, wobei das Polyisocyanat in Schritt (c) ein Polyisocyanat auf der Basis von Diphenyl-4,4'-diisocyanat ist.
14. Kohlenstoffnanoröhren umfassendes Polyurethanpolymer, wobei zumindest ein Teil der Kohlenstoffnanoröhren kovalent an das Polyurethanpolymer gebunden ist, dadurch ge- kennzeichnet, dass zwischen den Kohlenstoffnanoröhren und dem Polyurethanpolymer
Urethanbindungen aus kovalent an die Oberfläche der Kohlenstoffnanoröhren gebundenen Hydroxyalkylestergruppen und freien Isocyanatgruppen des Polyurethanpolymers vorliegen, wobei die Urethanbindungen ausgewählt sind aus der Gruppe gemäß den allgemeinen Formeln (3) und/oder (4):
(3) (4)
und wobei (CNT) für die Oberfläche der Kohlenstoffnanoröhre steht, (PUR) für ein Polyurethanpolymer steht und Rl und R2 unabhängig voneinander Wasserstoff, ein Alkylrest oder ein Arylrest sind.
15. Verwendung von Hydroxygruppen umfassenden Kohlenstoffnanoröhren gemäß Anspruch 1 zur Herstellung von Kohlenstoffnanoröhren umfassenden Polymeren.
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