EP2603553A1 - Stabilisierung nanopartikulärer füllstoffe in harzformulierungen - Google Patents

Stabilisierung nanopartikulärer füllstoffe in harzformulierungen

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Publication number
EP2603553A1
EP2603553A1 EP11745529.5A EP11745529A EP2603553A1 EP 2603553 A1 EP2603553 A1 EP 2603553A1 EP 11745529 A EP11745529 A EP 11745529A EP 2603553 A1 EP2603553 A1 EP 2603553A1
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EP
European Patent Office
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resin
resins
nanoparticulate
preparation
resin formulations
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP11745529.5A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Max Von Bistram
Xingyu Wang
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SGL Carbon SE
Original Assignee
SGL Carbon SE
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Filing date
Publication date
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    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • C09C1/00—Treatment of specific inorganic materials other than fibrous fillers; Preparation of carbon black
    • C09C1/44—Carbon
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09C—TREATMENT OF INORGANIC MATERIALS, OTHER THAN FIBROUS FILLERS, TO ENHANCE THEIR PIGMENTING OR FILLING PROPERTIES ; PREPARATION OF CARBON BLACK  ; PREPARATION OF INORGANIC MATERIALS WHICH ARE NO SINGLE CHEMICAL COMPOUNDS AND WHICH ARE MAINLY USED AS PIGMENTS OR FILLERS
    • C09C3/00—Treatment in general of inorganic materials, other than fibrous fillers, to enhance their pigmenting or filling properties
    • C09C3/10—Treatment with macromolecular organic compounds
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2004/00—Particle morphology
    • C01P2004/10—Particle morphology extending in one dimension, e.g. needle-like
    • C01P2004/13—Nanotubes
    • C01P2004/133—Multiwall nanotubes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08K—Use of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K2201/00—Specific properties of additives
    • C08K2201/002—Physical properties
    • C08K2201/003—Additives being defined by their diameter
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08K—Use of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K7/00—Use of ingredients characterised by shape
    • C08K7/16—Solid spheres
    • C08K7/18—Solid spheres inorganic

Definitions

  • the present invention relates to a process for preparing nanoparticulate resin formulations while avoiding defects in the cured material caused by agglomeration of the particles.
  • EP1244730B1 describes a method for incorporation of CNT agglomerates into a polymer matrix by hydrodynamic stress. In this way, a break up of the agglomerates is achieved.
  • EP692136B1 discloses a polymer composition in which agglomerates of carbon fibrils are broken by a shearing-in process.
  • US6265466B1 describes a polymeric composition of polymeric material and CNTs that provides electromagnetic shielding and a method of making the same. The method involves the use of shear forces to orient the CNTs.
  • EP1673825A1 describes a process for surface modification by plasma treatment.
  • CNTs as functional fillers in epoxy resins
  • commercially available CNTs such as unfunctionalized multi-walled CNTs, do not form thermodynamically stable suspensions in most matrix systems. This is because large interfacial areas, as formed by good dispersions of small particles, result in very high interfacial energy within a system.
  • the system energy is minimized by reducing the interfacial area by causing agglomeration of the fillers.
  • This object is achieved by a method for the preparation of nanoparticulate resin formulations, wherein macromolecular substances are used to prevent agglomeration of fillers in a dispersion.
  • macromolecular substances and / or particulate fillers By macromolecular substances and / or particulate fillers, the tendency of dispersed CNTs to form agglomerates, especially under highly dynamic conditions (such as stirring, kneading, spraying) is suppressed.
  • highly dynamic conditions such as stirring, kneading, spraying
  • the dispersion is stabilized under dynamic stress.
  • the macromolecular substances of the present invention as a stabilizing agent, agglomeration of the nanoparticulate fillers (e.g., CNTs) in a dispersion in a liquid resin such as DGEBA (di-glycidyl ether of bisphenol-A) can be prevented.
  • a liquid resin such as DGEBA (di-glycidyl ether of bisphenol-A)
  • DGEBA di-glycidyl ether of bisphenol-A
  • Dispersion quality obtained (see Figure 1, wherein a) shearing force and b) means no agglomeration).
  • This advantage makes it possible to produce very homogeneous nanocomposite matrix resins for effective applications in preferably fiber composite materials, which reduce the concentration of defects and therefore significantly improve the mechanical properties of the matrix.
  • shear-induced agglomeration occurs, which is why the desired homogeneity of the particle dispersion in the product or semifinished product is not achieved to a satisfactory degree.
  • the stabilization by macromolecules is only partially based on surface-active properties, which compatibilize the surface of the nanoparticles with the matrix resin.
  • the use of stabilizing macromolecular substances continues to stabilize the dispersion under high dynamic stress.
  • the increased consistency of the system and on the other hand the good interaction of the stabilizing agent with filler and matrix play the decisive role.
  • stabilization of nanoparticulate fillers in reactive resins is possible under static and even under dynamically disturbed conditions.
  • the formulation preferably consists of epoxy resins, unsaturated polyester resins, vinyl ester resins, cyanate ester resins, acrylic esters, silicones, polyurethanes, phenolic resins, benzoxazine resins, oxazoline resins, urea / formaldehyde resins, melamine resins, furan resins, bismaleimide resins, terpene resins and / or
  • Polyurethanes as base material are Polyurethanes as base material.
  • the formulation furthermore preferably comprises spherical particles having an average diameter of less than 250 nm as particulate fillers, formed from carbon, silicon, ceramic, metal, pigments, polymers, proteins or rubber, and / or fibrous particles having an average diameter of less than 250 nm and a Aspect ratio of at least 10 formed from carbon, silicon, ceramic, metal, polymers, proteins or nucleotides, and / or platelet-shaped particles having an average diameter of less than 100 nm and an aspect ratio of at least 10 formed from carbon, silicon, ceramic, metal or polymers.
  • the content of particulate fillers for spherical particles is preferably between 0.05 and 50 wt .-%, preferably between 5 and 40 wt .-% and particularly preferably between 5 and 25 wt .-%.
  • the content of particulate fillers for fibrous particles is preferably between 0.05 and 20 wt .-%, preferably between 0, 1 and 5 wt .-% and particularly preferably between 0, 1 and 2 wt .-%.
  • the content of particulate fillers for platelets is between 0.05 and 20% by weight, preferably between 0, 1 and 10% by weight and more preferably between 0, 1 and 5% by weight.
  • thermoplastics linear, branched and / or branched
  • resin oligomers with higher molecular weights than the base resin and / or macromolecular hardeners. It has surprisingly been found that the thermoplastics in particular stabilize the dispersion of the CNTs within the resin component: a tendency of the dispersed CNTs to agglomerate does not occur even with long-term perturbation.
  • the macromolecular substances are polar functionalities from the group of hydroxyl, carbonyl, carboxyl, amino, amide, halogen, nitrile, cyanate, isocyanate, thiol, sulphonyl, sulphonyl, phosphate, ether, thioether, acetal, carbonate, urethane , Anhydride, and / or imido or present as ionic moieties in the polymer backbone and / or serve as substituents.
  • the nanoparticle-added resin formulations of the present invention are used for coatings, adhesives, structural polymers, or fiber reinforced composites.
  • thermoplastic additive capable of stabilizing a dispersion of non-functionalized CNTs
  • an epoxy resin-soluble thermoplastic additive on the stability of a dispersion of unfunctionalized multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) in an epoxy resin, diglycidyl ether of bisphenol-A (DGEBA).
  • thermodynamic instability of a dispersion of nonfunctionalized multidentate CNTs in DGEBA was demonstrated by an aging experiment.
  • a stock dispersion of 1 wt% MWCNT in DGEBA was prepared over a three-roll dispersion, then stored for several months at room temperature without dynamic loading, and finally analyzed by microscopic methods.
  • the result shows that this stock dispersion is a thermodynamically unstable dispersion characterized by reagglomeration / flocculation of the CNTs over time. This agglomeration occurs without further perturbation of the system, is therefore driven purely energetically.
  • the instability of dispersion of particles in a resin component against shear induced agglomeration is very well tracked in a rotational viscometer.
  • a constant shear rate test is performed over time.
  • a temperature profile was run through. The temperature profile consists of several steps:
  • the flatter curve in the unstabilized dispersion can be considered.
  • An equilibrium state forms between shear-induced agglomeration / network formation and breakup of the agglomerates by increasing shear forces within the agglomerated network.
  • the result is an intrinsic viscosity to which the curve approximates.
  • Such a curve is effectively prevented by means of the macromolecular additive.
  • the curve (3) corresponds to that of the unfilled system (1), in total only at higher viscosity values.
  • Stock solution 1% by weight of non-functionalized multi-walled CNTs in epoxy resin, diglycidyl ether of bisphenol-A.
  • thermoplastic stabilizing agent An example without thermoplastic stabilizing agent is carried out as follows:
  • thermoplastic stabilizing agent examples are carried out similarly, but the epoxy resin has to be modified beforehand:
  • Thermoplastic powder and epoxy resin are mixed with a stirrer and then heated to 130 ° C to dissolve the polymer in the resin (the conditions for dissolving the additive within the resin depend on the particular components used).
  • the resin is cooled to 60 ° C with stirring.
  • Stock solution and the prepared epoxy resin are added to the hardener and stirred at 60 ° C for 10 minutes. Thereafter, the formulation is cooled to room temperature.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Processes Of Treating Macromolecular Substances (AREA)
  • Compositions Of Macromolecular Compounds (AREA)

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von mit Nanoteilchen versetzten Harzformulierungen, wobei makromolekulare Substanzen genutzt werden, um eine Agglomeration von Füllstoffen zu verhindern.

Description

Stabilisierung nanopartikulärer Füllstoffe in Harzformulierungen
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von mit Nanoteilchen versetzten Harzformulierungen, wobei Defekte in dem ausgehärteten Material vermieden werden, die durch eine Agglomeration der Partikel hervorgerufen werden.
Die EP1244730B1 beschreibt ein Verfahren zur Einarbeitung von CNT Agglomeraten in eine Polymermatrix durch hydrodynamische Beanspruchung. Auf diese Weise wird ein Aufbrechen der Agglomerate erreicht.
In der EP692136B1wird eine Polymerzusammensetzung offenbart, bei der durch einen Einarbeitungsprozess mit Hilfe von Scherkräften Agglomerate von Kohlenstoff- Fibrillen aufgebrochen werden.
US6265466B1 beschreibt eine Polymerzusammensetzung aus Polymermaterial und CNTs, die elektromagnetische Abschirmung bietet sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung. Das Verfahren beinhaltet die Verwendung von Scherkräften, um die CNTs zu orientieren.
In der EP1673825A1 wird ein Verfahren zur Oberflächenmodifikation durch Plas- matron Behandlung beschrieben.
Alle bekannten Methoden zur Stabilisierung der Dispersion sind thermodynamisch beeinflusst. Sobald sich agglomerierte Flocken gebildet haben, die sich zu einem gewissen Grad ineinander verhaken, zum Beispiel durch Scherung des Harzes während der Formulierung, ist dieser thermodynamische Ansatz unbefriedigend. Die ausgeflockten Füllstoffe werden durch die potentiell freigesetzte Oberflächenenergie nicht vollständig redispergiert, sobald die kinetische oder sterische Barriere zur Entflechtung der Ausflockung höher ist als der Energiegewinn.
Trotz aller Bemühungen ist es nicht gelungen, die Agglomeration von partikulären Füllstoffen innerhalb von Harzen mit einfachen Mitteln zu verhindern, wodurch in der Regel schlechtere Materialeigenschaften entstehen, beispielsweise schlechtere me- chanische Eigenschaften oder schlechtere optische oder haptische Eigenschaften einer Oberfläche. Die Agglomeration von Partikeln wird oftmals durch eine kontinuierliche Scherung des Systems begünstigt. Vor allem bei hohen Scherraten und starker Perturbation des Harzes, wie dies beispielsweise beim Rühren, Kneten, Spreizen, Pressen oder beim Spritzguss auftreten kann, besteht daher in besonderem Maß das Bedürfnis, die Agglomeration partikulärer Füllstoffe zu verhindern.
Wünschenswert ist eine ausreichende chemische und/oder physikalische Stabilisierung der Dispersion, wodurch die Agglomeration von partikulären Füllstoffen unter statischen und dynamischen Umständen stark vermindert wird.
Ein Hauptproblem bezüglich CNTs als funktionale Füllmaterialien in Epoxidharzen besteht darin, dass kommerziell erhältliche CNTs, beispielsweise unfunktionalisierte mehrwändige CNTs, in den meisten Matrixsystemen keine thermodynamisch stabilen Suspensionen bilden. Dies liegt daran, dass große Grenzflächenbereiche, wie sie von guten Dispersionen kleiner Teilchen gebildet werden, zu sehr hoher Grenzflächenenergie innerhalb eines Systems führen.
Thermodynamisch erfolgt eine Minimierung der Systemenergie, indem der Grenzflächenbereich dadurch verkleinert wird, dass eine Agglomeration der Füllstoffe auftritt.
Aktuell wird dieses Problem durch grenzflächenaktive Substanzen mit meist niedrigem Molekulargewicht als Additive gelöst, um die Oberflächenspannung der Matrixflüssigkeit zu senken, oder aber durch chemische Modifikation der Oberfläche von CNTs, was durch Funktionalisierung wie z. B. Oxidation oder Aminierung der CNTs geschieht.
Tenside zur Lösung des Stabilitätsproblems sind für Anwendungen wie faserverstärkte Verbundmaterialien nur bedingt geeignet, da die Wechselwirkung zwischen der Matrix und den Fasern negativ beeinflusst werden kann.
Die Funktionalisierung von CNTs ist wiederum mit einer zusätzlichen chemischen Umsetzung verbunden und damit ziemlich teuer. Es sind zwar relativ günstige funktionalisierte CNTs am Markt erhältlich, die in der Regel durch harsche oxidative Behandlung von CNTs hergestellt werden. Durch diese oxidative Behandlung entstehen aber signifikante strukturelle Defekte innerhalb der CNTs, wodurch sich die mechanischen Eigenschaften der Füllstoffe stark verschlechtern. Weniger destruktive Funktionalisierungsmethoden sind großtechnisch anspruchsvoller und mit entsprechendem Aufwand verbunden.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, Formulierungen von mit Nanoteilchen versetzten Harzformulierungen herzustellen, deren Dispergiergüte ohne den Einsatz von Tensi- den und/oder aufwändige chemische Modifizierung der Grenzfläche in einem solchen Maße gewährleistet wird, dass keine Defekte, die durch Agglomeration partikulärer Füllstoffe während der Formulierung hervorgerufen werden, in dem ausgehärteten Material entstehen.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung von mit Nanoteilchen versetzten Harzformulierungen, wobei makromolekulare Substanzen genutzt werden, um eine Agglomeration von Füllstoffen in einer Dispersion zu verhindern. Durch makromolekulare Substanzen und/oder partikuläre Füllstoffe wird die Tendenz dispergier- ter CNTs zur Bildung von Agglomeraten, insbesondere auch unter ausgeprägt dynamischen Bedingungen (wie Rühren, Kneten, Spritzen), unterdrückt. Somit werden viele Verarbeitungsprozesse ermöglicht, ohne Gefahr zu laufen, dass die tendenziell aggregationsfreudigen Füllstoffe im solidifizierten Zustand der Matrix, Defektstellen ausbilden.
Besonders bevorzugt wird die Dispersion auch unter dynamischer Beanspruchung stabilisiert.
Durch die erfindungsgemäßen makromolekularen Substanzen als Stabilisierungsagens kann die Agglomeration der nanopartikulären Füllstoffe (z.B. CNTs) in einer Dispersion in einem Flüssigharz wie DGEBA (Di-Glycidylether von Bisphenol-A) verhindert werden. Insbesondere im perturbierten Zustand des Systems wird die
Dispersionsgüte erhalten (siehe hierzu Figur 1 ; wobei a) Scherkraft und b) keine Agglomeration bedeutet). Dieser Vorteil ermöglicht die Herstellung von sehr homogenen Nanokomposite Matrix Harzen für effektive Anwendungen in vorzugsweise Faserverbundmaterialien, welche die Konzentration von Defekten reduzieren und daher die mechanischen Eigenschaften der Matrix deutlich verbessert werden. Ohne stabilisierende makromolekulare Substanzen tritt hingegen durch Scherkräfte induzierte Agglomeration auf, weshalb die gewünschte Homogenität der Partikeldispersion in dem Produkt oder Halbzeug nicht in befriedigendem Maße erreicht wird.
Die Stabilisierung durch Makromoleküle basiert nur zum Teil auf oberflächenaktiven Eigenschaften, die die Oberfläche der Nanopartikel mit dem Matrixharz kompatibili- siert. Die Verwendung von stabilisierenden makromolekularen Substanzen führt jedoch weiterhin zu einer Stabilisierung der Dispersion unter starker dynamischer Beanspruchung. Hierbei spielen zum einen die gesteigerte Konsistenz des Systems und zum anderen die gute Wechselwirkung des Stabilisierungsagens mit Füllstoff und Matrix die entscheidende Rolle. Überraschend gelingt so die Stabilisierung nano- partikluärer Füllstoffe in reaktiven Harzen unter statischen und sogar unter dynamisch gestörten Bedingungen.
Bevorzugt besteht die Formulierung aus Epoxidharzen, ungesättigten Polyesterharzen, Vinylesterharzen, Cyanatesterharzen, Acrylestern, Silikonen, Polyurethanen, Phenolharzen, Benzoxazinharzen, Oxazolinharzen, Harnstoff/Formaldehyharzen, Melaminharzen, Furanharzen, Bismaleimidharzen, Terpenharzen und/oder
Polyurethanen als Basismaterial.
Die Formulierung umfasst weiterhin bevorzugt sphärische Partikel mit einem mittleren Durchmesser kleiner 250 nm als partikuläre Füllstoffe, gebildet aus Kohlenstoff, Silizium, Keramik, Metall, Pigmenten, Polymeren, Proteinen oder Kautschuk, und/oder faserartigen Partikeln mit einem mittleren Durchmesser kleiner 250 nm und einem Aspektverhältnis von mindestens 10 gebildet aus Kohlenstoff, Silizium, Keramik, Metall, Polymeren, Proteinen oder Nukleotiden, und/oder plättchenförmigen Partikeln mit einem mittleren Durchmesser von weniger als 100 nm und einem Aspektverhältnis von mindestens 10 gebildet aus Kohlenstoff, Silizium, Keramik, Metall oder Polymeren. Der Gehalt an partikulären Füllstoffen für sphärische Partikel liegt bevorzugt zwischen 0,05 und 50 Gew.-%, vorzugsweise zwischen 5 und 40 Gew.-% und besonders bevorzugt zwischen 5 und 25 Gew.-%.
Der Gehalt an partikulären Füllstoffen für faserförmige Partikel liegt bevorzugt zwischen 0,05 und 20 Gew.-%, vorzugsweise zwischen 0, 1 und 5 Gew.-% und besonders bevorzugt zwischen 0, 1 und 2 Gew.-%.
Der Gehalt an partikulären Füllstoffen für Plättchen liegt zwischen 0,05 und 20 Gew.- %, vorzugsweise zwischen 0, 1 und 10 Gew.-% und besonders bevorzugt zwischen 0, 1 und 5 Gew.-%.
Als makromolekulare Substanzen besonders bevorzugt werden Thermoplasten (linear, verzweigt und/oder verästelt) eingesetzt, darunter auch Harzoligomere mit höheren Molekulargewichten als das Basisharz und/oder makromolekulare Härter. Überraschend wurde gefunden, dass die Thermoplasten in besonderer Weise die Dispersion der CNTs innerhalb des Harzkomponente stabilisieren: eine Tendenz der dispergierten CNTs zur Agglomeration tritt selbst bei langfristiger Perturbation nicht mehr auf.
Es ist bevorzugt, dass die makromolekularen Substanzen polare Funktionalitäten aus der Gruppe Hydroxyl, Carbonyl, Carboxyl, Amino, Amid, Halogen, Nitril, Cyanat, Iso- cyanat, Thiol, Sulphonyl, Sulphoxyl, Phosphat, Ether, Thioether, Acetal, Carbonat, Urethan, Anhydrid, und/oder Imido enthalten oder als ionische Anteile in dem Polymerrückgrat vorliegen und/oder als Substituenten dienen.
In bevorzugter Weise werden die erfindungsgemäß hergestellten mit Nanoteilchen versetzten Harzformulierungen für Beschichtungen, Klebstoffe, strukturelle Polymere oder faserverstärkte Verbundstoffe eingesetzt.
Als Beispiel für ein thermoplastisches Additiv, das eine Dispersion nicht funktionali- sierter CNTs stabilisieren kann, wurde der Effekt eines in einem Epoxidharz löslichen thermoplastischen Additivs auf die Stabilität einer Dipersion von unfunktionalisierten mehrwändigen Kohlenstoff Nanotubes (MWCNTs) in einem Epoxidharz, Diglycidyl- ether von Bisphenol-A (DGEBA), untersucht.
Die thermodynamische Instabilität einer Dispersion nicht funktionalisierter mehrwän- diger CNTs in DGEBA, wurde durch ein Alterungsexperiment nachgewiesen. Eine Stammdispersion von 1 Gew.-% MWCNT in DGEBA wurde über eine Dreiwalzendispersion hergestellt, anschließend einige Monate bei Raumtemperatur ohne dynamische Beanspruchung aufbewahrt und schließlich mittels mikroskopischer Methoden analysiert. Das Ergebnis zeigt, dass diese Stammdispersion eine thermodynamisch instabile Dispersion ist, gekennzeichnet durch Reagglomeration/Ausflockung der CNTs über die Zeit. Diese Agglomeration kommt ohne weitere Perturbation des Systems zustande, ist demnach rein energetisch getrieben.
Die Instabilität der Dispersion von Partikeln in einer Harzkomponente gegenüber scherinduzierter Agglomeration lässt sich sehr gut in einem Rotationsviskosimeter verfolgen. Hierzu wird ein Versuch mit konstanter Scherrate über die Zeit durchgeführt. Um auch den Einfluss unterschiedlicher Temperaturen abzubilden, wurde ein Temperaturprofil durchlaufen. Das Temperaturprofil setzt sich aus mehreren Schritten zusammen:
a) Aufheizen mit konstanter Heizrate bis 60 °C
b) Temperatur halten bei 60 °C (isothermer Schritt)
c) Aufheizen mit konstanter Heizrate bis 100 °C
d) Temperatur halten bei 100 °C (isothermer Schritt)
e) Aufheizen mit konstanter Heizrate bis Messende
Die resultierenden Kurven für ungefülltes DGEBA (1 ), MWCNTs in DGEBA (2) und MWCNTs in DGEBA + thermoplastischer Stabilisator (3) sind exemplarisch in Fig.2 dargestellt.
Bei Flüssigkeiten findet sich typischerweise eine Erniedrigung der Viskosität mit steigender Temperatur. Dieses Verhalten zeigt sich auch während der Aufheizschritte (a, c, e) deutlich. Besonderes Augenmerk muss aber auf die isothermen Schritten (b, d) gelegt werden, da hier die Situation der kontinuierlichen Scherung am besten wiedergegeben wird. Sofern eine Dispersion vorliegt, die gegenüber scherungsindu- zierter Agglomeration anfällig ist, zeigt sich das in einer kontinuierlichen Viskositätsabnahme während dieser isothermen Schritte (deutlich zu sehen bei Kurve 2). Kann es zu keiner Agglomeration kommen (Kurve 1 = reine Harzkomponente) oder ist die Dispersion stabilisiert (Kurve 3 = mit Stabilisator), zeigt sich das in einem stabilen Viskositätswert über die Zeit (keine Stufe bei isothermen Schritten b und d).
Als weiteren Beleg für auftretende Agglomeration kann der flachere Kurvenverlauf bei der nicht stabilisierten Dispersion betrachtet werden. Es bildet sich ein Gleichgewichtszustand zwischen scherungsinduzierter Agglomeration/Netzwerkbildung und Aufbrechen der Agglomerate durch steigende Scherkräfte innerhalb des agglomerierten Netzwerks. Das Resultat ist eine Grenzviskosität, an welche sich die Kurve annähert. Ein solcher Kurvenverlauf wird mit Hilfe des makromolekularen Additivs effektiv verhindert. Der Kurvenverlauf (3) entspricht dem des ungefüllten Systems (1 ), insgesamt nur bei höheren Viskositätswerten.
Anwendungsbeispiele:
Stammlösung: 1 Gew.-% nicht-funktionalisierte mehrwändige CNTs in Epoxidharz, Diglycidylether von Bisphenol-A.
Ein Beispiel ohne thermoplastisches Stabilisierungsagens wird wie folgt ausgeführt:
Stammlösung und Epoxidharz werden zu dem Härter gegeben und 10 Minuten bei 60 °C gerührt. Danach wird die Formulierung auf Raumtemperatur abgekühlt.
Beispiele mit thermoplastischem Stabilisierungsagens werden ähnlich ausgeführt, wobei das Epoxidharz aber vorher modifiziert werden muss:
Thermoplastisches Pulver und Epoxidharz werden mit einem Rührer gemischt und anschließend auf 130 °C erhitzt, um das Polymer in dem Harz zu lösen (die Bedingungen zur Lösung des Additives innerhalb des Harzes hängen von den jeweils benutzten Komponenten ab). So bald eine homogene Lösung des Thermoplasten erreicht ist (klare Lösung), wird das Harz auf 60 °C unter Rühren abgekühlt. Stammlösung und die zubereitete Epoxidharz werden zu dem Härter gegeben und 10 Minuten bei 60 °C gerührt. Danach wird die Formulierung auf Raumtemperatur abgekühlt.

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zur Herstellung von mit Nanoteilchen versetzten und ein flüssiges Basisharz umfassenden Harzformulierungen, dadurch gekennzeichnet, dass
Thermoplasten als makromolekulare Substanzen (linear, verzweigt und/oder verästelt) und/oder Harzoligomere mit höheren Molekulargewichten als das Basisharz eingesetzt werden, um eine Agglomeration der Nanoteilchen als partikuläre Füllstoffe in einer Dispersion in der Harzformulierung zu verhindern.
2. Verfahren zur Herstellung von mit Nanoteilchen versetzten Harzformulierungen nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Dispersion auch unter dynamischer Beanspruchung stabilisiert werden kann.
3. Verfahren zur Herstellung von mit Nanoteilchen versetzten Harzformulierungen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Formulierung Epoxidharze, ungesättigten Polyesterharze, Vinylesterharze, Cya- natesterharze, Acrylesterharze, Silikone, Polyurethane, Phenol/Formaldehydharze, Benzoxazine, Oxazoline, Harnstoff/Formaldehyharze, Melaminharze, Furanharze, Bismaleimid Harze, Terpenharze und/oder Polyurethane als Basisharz beinhaltet.
4. Verfahren zur Herstellung von mit Nanoteilchen versetzten Harzformulierungen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Formulierung sphärische Partikel mit einem mittleren Durchmesser kleiner 250 nm als partikuläre Füllstoffe umfasst, gebildet aus Kohlenstoff, Silizium, Keramik, Metall, Pigmenten, Polymeren, Proteinen oder Kautschuk und/oder faserartigen Partikeln mit einem mittleren Durchmesser kleiner 250 nm und einem Aspektverhältnis von mindestens 10 gebildet aus Kohlenstoff, Silizium, Keramik, Metall, Polymeren, Proteinen oder Nukleotiden und/oder plättchenförmigen Partikeln mit einem mittleren
Durchmesser von weniger als 100 nm und einem Aspektverhältnis von mindestens 10 gebildet aus Kohlenstoff, Silizium, Keramik, Metall oder Polymeren.
5. Verfahren zur Herstellung von mit Nanoteilchen versetzten Harzformulierungen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehalt an partikulären Füllstoffen für sphärische Partikel zwischen 0,05 und 50 Gew.-% ist, vorzugsweise zwischen 5 und 40 Gew.-% und besonders bevorzugt zwischen 5 und 25 Gew.-%.
6. Verfahren zur Herstellung von mit Nanoteilchen versetzten Harzformulierungen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehalt an partikulären Füllstoffen für faserförmige Partikel zwischen 0,05 und 20 Gew.-% ist, vorzugsweise zwischen 0, 1 und 5 Gew.-% und besonders bevorzugt zwischen 0, 1 und 2 Gew.-%.
7. Verfahren zur Herstellung von mit Nanoteilchen versetzten Harzformulierungen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehalt an partikulären Füllstoffen für Plättchen zwischen 0,05 und 20 Gew.-% ist, vorzugsweise zwischen 0, 1 und 10 Gew.-% und besonders bevorzugt zwischen 0, 1 und 5 Gew.-%.
8. Verfahren zur Herstellung von mit Nanoteilchen versetzten Harzformulierungen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die makromolekularen Substanzen polare Funktionalitäten aus der Gruppe Hydroxyl, Carbonyl, Carboxyl, Amino, Amid, Halogen, Nitril, Cyanat, Isocyanat, Thiol, Sulpho- nyl, Sulphoxyl, Phosphat, Ether, Thioether, Acetal, Carbonat, Urethan, Anhydrid, und/oder Imido enthalten oder als ionische Anteile in dem Polymerrückgrad vorliegen und/oder als Substituenten dienen.
9. Verwendung der nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8 hergestellten mit Nanoteilchen versetzten Harzformulierungen für Beschichtungen, Klebstoffe, strukturelle Polymere und/oder faserverstärkte Verbundstoffe.
10. Verwendung von makromolekularen Substanzen zur Herstellung von mit
Nanoteilchen versetzten und ein flüssiges Basisharz umfassenden
Harzformulierungen,
dadurch gekennzeichnet, dass
die makromolekularen Substanzen lineare, verzweigte und/oder verästelte
Thermoplasten und/oder Harzoligomere eines höheren Molekulargewichts als das Basisharz sind, um eine Agglomeration der Nanoteilchen als partikuläre Füllstoffe in einer Dispersion in der Harzformulierung zu verhindern.
EP11745529.5A 2010-08-13 2011-08-12 Stabilisierung nanopartikulärer füllstoffe in harzformulierungen Withdrawn EP2603553A1 (de)

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