EP2625138A1 - Herstellung von kohlenstoffnanoröhren-haltigen dispersionen - Google Patents

Herstellung von kohlenstoffnanoröhren-haltigen dispersionen

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Publication number
EP2625138A1
EP2625138A1 EP11771063.2A EP11771063A EP2625138A1 EP 2625138 A1 EP2625138 A1 EP 2625138A1 EP 11771063 A EP11771063 A EP 11771063A EP 2625138 A1 EP2625138 A1 EP 2625138A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
dispersion
carbon nanotubes
cnt
weight
mixture
Prior art date
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Ceased
Application number
EP11771063.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Daniel Rudhardt
Stefanie Eiden
Sigrun Stein
Gertrud Ott
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Covestro Deutschland AG
Original Assignee
Bayer Intellectual Property GmbH
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Filing date
Publication date
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Publication of EP2625138A1 publication Critical patent/EP2625138A1/de
Ceased legal-status Critical Current

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    • 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
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/15—Nano-sized carbon materials
    • C01B32/158—Carbon nanotubes
    • C01B32/168—After-treatment
    • C01B32/174—Derivatisation; Solubilisation; Dispersion in solvents
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09D—COATING COMPOSITIONS, e.g. PAINTS, VARNISHES OR LACQUERS; FILLING PASTES; CHEMICAL PAINT OR INK REMOVERS; INKS; CORRECTING FLUIDS; WOODSTAINS; PASTES OR SOLIDS FOR COLOURING OR PRINTING; USE OF MATERIALS THEREFOR
    • C09D5/00—Coating compositions, e.g. paints, varnishes or lacquers, characterised by their physical nature or the effects produced; Filling pastes
    • C09D5/24—Electrically-conducting paints
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2202/00—Structure or properties of carbon nanotubes
    • C01B2202/20—Nanotubes characterized by their properties
    • C01B2202/28—Solid content in solvents

Definitions

  • the present invention relates to a process for the preparation of stable suspensions and dispersions of carbon nanotubes in high concentration and low viscosity.
  • Carbon nanotubes are known for their exceptional properties. For example, their strength is about 100 times that of steel, their thermal conductivity is about as large as that of diamond, their thermal stability reaches up to 2800 ° C in vacuum and their electrical conductivity can be many times the conductivity of copper.
  • these structure-related characteristics are often only accessible at the molecular level if it is possible to homogeneously distribute carbon nanotubes and to produce the largest possible contact between the tubes and the medium, ie to make them compatible with the medium and thus stable dispersible.
  • electrical conductivity it is furthermore necessary to form a network of tubes in which, ideally, they only touch one another at the ends or approach sufficiently closely.
  • the carbon nanotubes should be as isolated as possible, that is agglomerate-free, not aligned and present in a concentration at which such a network can just form, which is reflected by the sudden increase in electrical conductivity as a function of the concentration of carbon nanotubes (Perkoiationsgrenze) .
  • An example of the direct application of conductive dispersions are conductive inks (see, for example, EP-A 1514280).
  • excellent dispersion and singulation of the carbon nanotubes is required because larger agglomerates lead to break points (Zhou, eXPRESS Polym. Lett. 2008, 2, 1, 40-48) and then rather a deterioration in the mechanical properties thereof Composite is observed.
  • CNTs are in the form of primary agglomerates. These primary agglomerates, which may have an order of magnitude of up to several millimeters, are initially unsuitable for industrial use. Rather, they must be broken up so that the CNTs are isolated and can form a stable dispersion and can be applied, for example, in the form of thin layers on the surface to be treated. Also, isolated CNTs are required to achieve desirable properties, such as electrical conductivity.
  • a high concentration of CNT in the dispersion is desirable, for conductive inks, for example, to make the printing process as efficient as possible.
  • the wet film thickness achievable in a single step is limited by typical printing processes.
  • the amount of CNTs which can be applied with a single printing step, and thus also the achievable surface conductivity, is therefore proportional to the CNT concentration in the dispersion. If a certain surface conductivity is required, it may require a number of printing operations, depending on the requirements and the method of loading, which increases the complexity and can possibly lead to problems with the accuracy of the printed structures.
  • a high concentration is desirable in order to achieve a sufficient concentration in the final product can.
  • a CNT dispersion is time stable over a period of at least six months for sedimentation of particles.
  • the production of large amounts of dispersion is required, up to the ton scale. The production of such large amounts is not described in the literature.
  • CNT-containing dispersions can be prepared by various known techniques. Techniques known to those skilled in the art are shown, for example, in “Dispersion of Carbon Nanotubes in Liquids", Journal of Dispersion Science and Technology, Volume 24, Issue 1 January 2003, pages 1-41.
  • WO-A 2009/100865 discloses a process for the preparation of conductive aqueous formulations comprising carbon nanotubes and at least one polymeric dispersing aid comprising at least the steps:
  • a volume-related energy density preferably in the form of shear energy, of at least 10 4 J / m 3 , preferably of at least 10 5 J / m 3 , more preferably 10 7 to 10 9 J / m 3 in the predispersion until the agglomerate diameter the carbon nanotube agglomerates are substantially ⁇ 5 ⁇ m, preferably ⁇ 3 ⁇ m, particularly preferably ⁇ 2 ⁇ m,
  • step c) the preferred use of a high-pressure homogenizer is disclosed, wherein the predispersion preferably passes through the high-pressure homogenizer several times.
  • a disadvantage of this method is that the maximum concentration to be maintained in the formulation corresponds to the maximum settable concentration in the predispersion.
  • Example 3 of the application via three separate passages via a high-pressure homogenizer a dispersion of 0.5 grams of H 2 C 2 -purified CNTs in 95 gram polyvinylpyrrolidone solution is disclosed. At a concentration of just under 0.53% by weight, the viscosity is already 1.68 Pa * s at room temperature and a shear rate of 1 / s. This low concentration of CNTs causes large amounts of water to be evaporated in order to obtain a conductive coating. Since the viscosity of dispersions of CNTs increases sharply with increasing concentration of dispersed CNTs, is higher BMS 10 1 120
  • US 2005/0224764 A1 describes CNT dispersions which, after application to a surface and drying, are electrically conductive and, due to their pseudoplastic properties, are suitable, for example, for screen printing.
  • the dispersions contain a carrier material (water or an organic solvent), a polymeric binder, typically a dispersing aid.
  • the conductivities described in this application correspond, after conversion, approximately those of WO 2009/100865. It is disclosed that the CNT dispersions may contain 0.1-5% CNT.
  • US 2005/0224764 A1 also describes that the viscosity increases with increasing content of CNTs. This is also the grand, why the dispersions only by predispersion mitteis ultrasound of a dilute solution containing max.
  • the CNT content is at most 3.5% by weight, in most cases 2.5% by weight or less, and the said method does not allow for higher concentrations of satisfactory quality, even if this is the case partly desirable for the reasons mentioned above.
  • Object of the present invention starting from the prior art, was therefore the development of a method by which CNT dispersions can be prepared in high CNT concentrations, with sufficiently low viscosities and good conductivities. Moreover, the process should also enable the economical production of large quantities of CNT dispersions having the above properties, i. be industrially usable.
  • step 1 If carbon nanotubes were added in step 1, optionally predispersing the mixture from step 1.
  • step 4 The first dispersion obtained in step 3 is subjected to further dispersion in a high-pressure homogenizer, optionally in a recycle mode. The final dispersion is obtained.
  • Carbon nanotubes according to the invention are all single-walled carbon nanotubes (SWNT) or multi-walled carbon nanotubes (MWNT), for example of the cylinder type as described e.g. in US-A 5,747,161; WO 86/03455), scroll-type, multi-scroll type, cup-stacked type single-ended or open-sided conical cups (e.g., in EP-A 198,558 and US 7018601 B2), or onion-like structure.
  • Preference is given to using multi-wall carbon nanotubes of the cylinder type, scroll type, multiscroll type and cup-stacked type or mixtures thereof and in particular mixtures containing the multiscroll type as described below. It is favorable if the carbon nanotubes have a ratio of length to outer diameter of> 5, preferably> 100.
  • the individual graphene or graphite layers in these carbon nanotubes viewed in cross-section, evidently run continuously from the center of the carbon nanotubes to the outer edge without interruption. For example, this may allow improved and faster intercalation of other materials in the tube framework as more open edges are available than the entry zone of the intercalates compared to simple scroll structure carbon nanotubes (Carbon 1996, 34, 1301-3) or onion-like CNTs (Science 1994, 263, 1744-7).
  • the carbon nanotubes are used in functionalized form.
  • the functionalization of carbon nanotubes is known. Various methods are described, for example, in a review article by N. Tsubokawa (Polymer Journal 2005, 37, 637-655). BMS 10 1 120
  • the carbon nanotubes are provided in the form of agglomerates.
  • the agglomerated form is that form of carbon nanotubes in which they are commercially available.
  • Several types of structures of agglomerates can be distinguished: the bird's nest structure (BN), the combed yarn (CY) structure, and the open net structure (ON).
  • Other agglomerate structures are known, e.g. one in which the carbon nanotubes arrange in the form of bulky yarns (Hocke, WO PCT / EP2010 / 004845).
  • the agglomerates provided have an average agglomerate size of> 0.02 mm. This value can be determined by means of laser diffraction spectrometry (an example of a device is the Mastersizer MS 2000 with dispersing unit Hydro S from Malvern, in water).
  • the upper limit of the agglomerate size may be, for example, ⁇ 6 mm.
  • the average agglomerate size is> 0.05 mm to ⁇ 2 mm and more preferably> 0.1 mm to ⁇ 1 mm.
  • the dispersants used in the process are inorganic or organic compounds which are liquid at room temperature, e.g. Solvent.
  • solvents are water, acetone, nitriles, alcohols, dimethylformamide (DMF), N-methylpyrrolidone (NMP), PyiTolidonderivate, butyl acetate, Methoxypropyiacetat, Alkylbenzene and cyclohexane derivatives.
  • the dispersant may be present as a pure substance or even itself to a solution or dispersion. Also preferred are substances which represent or contain a component of a reactive system.
  • the dispersant may also be a substance that is usually incorporated into polymers. Examples of this latter case are flame retardants, mold release agents, plasticizers, stabilizers or other customary in the polymer industry additives in bulk, as a dispersion or in a solvent. Depending on the use of the dispersions, it is also possible to add additives, such as carbon blacks in graphitic or amorphous form, 1-fold salts, dyes, stabilizers, processing aids, etc.
  • the dispersing aid is a polymeric or non-polymeric dispersing aid.
  • a polymer dispersing aid may be selected from the series: water-soluble homopolymers, water-soluble random copolymers, water-soluble block copolymers, water-soluble BMS 10 1 120
  • Graft polymers in particular polyvinyl alcohols, copolymers of polyvinyl alcohols and polyvinyl acetates, polyvinylpyrrolidones, cellulose derivatives such as, carboxymethylcellulose, carboxypropylcellulose, carboxymethylpropylcellulose, hydroxyethylcellulose, starch, gelatin, gelatin derivatives, amino acid polymers, polylysine, polyaspartic acid, polyacrylates, polyethylene lensulfonates, polystyrenesulfonates, polymethacrylates, polysulfonic acids, Condensation products of aromatic sulfonic acids with formaldehyde, naphthalenesulfonates, lignin sulfonates, copolymers of acrylic monomers, polyethylenimines, polyvinylamines, polyallylamines, poly (2-vinylpyridines), block copolyethers, block copolyethers with polystyrene blocks and polydiallyld
  • the at least one polymeric dispersing aid is preferably at least one agent selected from the series: polyvinylpyrrolidone, block copolyethers and block copolyethers with polystyrene blocks, carboxymethylcellulose, carboxypropylcellulose, carboxymethylpropylcellulose, glycine, gelatin derivatives and polysulfonic acids.
  • Preferred dispersants are polyvinylpyrrolidone, carboxymethylcellulose and salts of polysulfonic acids and lignosulfonic acid.
  • polyvinylpyrrolidone and / or Biock copolyethers with polystyrene blocks are used as polymeric dispersing aids.
  • Particularly suitable polyvinylpyrrolidone has a molecular weight M n in the range of 5000 to 400,000.
  • PVP Kl 5 from Fluka (molecular weight about 10000 amu) or PVP K90 from Fluka (molecular weight of about 360000 amu) or Biock copolyether with polystyrene blocks, with 62 wt% C2-polyether, 23 wt% CY polyether and 15% by weight polystyrene, based on the dried dispersing aid, with a ratio of the block lengths (Y polyether to C3 polyether of 7: 2 units (eg Disperbyk 190 from BYK-Chemie, Wesel).
  • the amount of dispersing aid required depends on the type of dispersing assistant and the amount of CNTs used. A ratio of dispersing agent to CNT of from 0.5: 1 to 1: 1 is preferred. In preferred embodiments, the dispersing aid is present in a concentration of from 2 to 10% by weight. In other specific embodiments of the dispersions of the invention, the dispersing aid is advantageously present in a proportion of from 0.01% by weight to 10% by weight, preferably in a proportion of from 0.1% by weight to 7% by weight, especially preferably in a proportion of 0.5% by weight to 5% by weight, based on the total weight of the final dispersion.
  • polymeric dispersants are particularly advantageous in the proportions indicated, because they also allow an adjustment of the viscosity of the dispersions of the invention in addition to supporting a suitable dispersion of carbon nanotubes.
  • polymeric dispersants also allows an adaptation of BMS 10 1 120
  • the optional predispersion in step 2 can be carried out by various known methods. Examples are ultrasound, ball mills, a rotor-stator system or a homogenizer. Preference is given to a rotor-stator system or a homogenizer, very particular preference is given to the high-pressure homogenizer.
  • the preparation of the first dispersion in step 3 and the preparation of the final dispersion in step 4 are carried out in a high-pressure homogenizer.
  • Particularly suitable high-pressure homogenizers are basically known, for example, from the publication Chemie Ingenieurtechnik, Volume 77, Issue 3 (pp. 258-262).
  • Very particularly preferred high-pressure homogenizers are jet diffusers, columnar hydrates and
  • a high pressure homogenizer includes a pump and one or more nozzles.
  • Particularly suitable high-pressure homogenizers are basically known, for example, from the publication Chemie Ingenieurtechnik, Volume 77, Issue 3 (pp. 258-262).
  • the pump of a high-pressure homogenizer can be designed, for example, as a piston pump, gear pump or peristaltic pump. Preferred are piston pumps.
  • the CNT-containing mixture (containing dispersing agent, dispersing aid and CNT) is fed to the pump of the high-pressure homogenizer by means of a feed pump in order to overcome the pressure loss when flowing into the pump of the high-pressure homogenizer.
  • this feed pump is operated at a higher throughput than the pump of the high-lift homogenizer.
  • the CNT-containing mixture is preferably recycled separately to the reservoir.
  • a pressure-holding valve is preferably used before returning to the reservoir to adjust the form upstream of the pump of the high-pressure homogenizer.
  • nozzles of a high-pressure homogenizer There are various options known to the person skilled in the art for the nozzles of a high-pressure homogenizer. Examples are pinhole diaphragms, jet dispersers (a special form of pinhole diaphragms in which the jets produced by the pinhole diaphragms meet), special nozzle geometries such as the Microfluidizer TM and spring-loaded nozzle systems such as annular gap nozzles. Jet dispersants and annular gap nozzles are preferably used. Common to all methods is the comminution effect by highly turbulent flow and additionally, if necessary, by cavitation. BMS 10 1 120
  • the pressures used in the high-pressure homogenizers are generally between 50 and 4000 bar, preferably between 100 and 2000 and most preferably between 200 and 1500 bar.
  • the diameter of the nozzles can be varied by exchanging the nozzles.
  • nozzles are used at the beginning with a diameter whose diameter is greater than the diameter of the largest C'NT agglomerates in order to prevent clogging.
  • the nozzle diameter is reduced in order to achieve higher pressure losses and thus higher energy inputs.
  • Cross section is where D is the nozzle diameter.
  • the preferred nozzle diameter at the beginning of the dispersion using hole dies is between 1.5 mm and 0.6 mm and the preferred pressure loss between 20 and 100 bar.
  • a spring-loaded annular gap nozzle can also be used.
  • a spring-loaded annular gap nozzle also referred to as a radial nozzle or flat nozzle
  • It consists essentially of a central feeder which leads to a spring-loaded plate which is fitted in a seat. The pressure of the liquid in the feeder raises the plate and allows the nozzle to flow radially outward.
  • the spring preload can be used to adjust the pressure loss in the nozzle. Particles trapped between the plate and the seat block the flow, causing the seat to open. This has the advantage that a spring-loaded annular gap nozzle is much less prone to clogging. Therefore, it does not need to be replaced, and the predispersing step may be eliminated.
  • the CNT-containing mixture is preferably fed to a reservoir.
  • This reservoir can be stirred or unstirred, preferably stirred.
  • the CNT-containing mixture is removed from this reservoir again and fed to the high-pressure homogenizer, which feeds it back to the reservoir (circular mode).
  • This preferred embodiment has the advantage of simplicity, but may result in some CNTs passing the nozzle more frequently and other CNTs passing the nozzle less frequently.
  • the CNT-containing mixture is driven in a cascade of two or more storage containers, wherein it is supplied in each case from one Voixats capableer the next. This can be done continuously or discontinuously. This too is done in a circular mode, i. the CNT-containing mixture passes through the nozzle several times, but with a narrower residence time distribution.
  • the product is transferred alternately into two storage containers (from feed tank A via the nozzle in feed tank B and then from feed tank B in turn via the nozzle into feed tank A), whereby a very narrow residence time distribution is achieved.
  • the first dispersion typically contains concentrations of CNTs between 0 and 7% by weight, preferably between 1 and 6% by weight, and more preferably between 3 and 5.5% by weight.
  • step 3 further CNTs are added continuously or discontinuously to produce the initial dispersion of the mixture by increasing the concentration of CNTs in the reservoir. This can be done, for example, by adding CNTs in dry form to the reservoir ("post-dosing") over a period of typically a few minutes BMS 10 1 120
  • a stirred feed tank is preferred to wet the CNTs with the dispersion prepared so far and to mix them with it.
  • this first dispersion is produced by means of a circulation mode.
  • the subsequent metering of the CNTs is particularly preferably carried out only when the effect of lowering the viscosity has occurred.
  • the viscosity of a CNT-haitigen dispersion with increasing dispersion time initially increased and then significantly lowered after passing through a maximum.
  • This effect of reducing the viscosity is not proportional to the deagglomeration of the CNT and can be checked by checking the viscosity of the CNT-containing dispersion at short time intervals, e.g. in the exemplary embodiments, easily determine.
  • the amount of added CNTs is typically between 0.1% by weight and 5% by weight, preferably between 0.5 and 3% by weight and more preferably between 1 and 2.5% by weight. During the addition, the dispersion may be stopped or continued.
  • a further dispersion takes place (step 4).
  • This further dispersion is preferably also carried out in the high-pressure homogenizer.
  • the end point of the dispersion is preferably determined by the fact that in the CNT dispersion, a further viscosity maximum is reached and exceeded.
  • typically between 1/4 and 50 passes are made, preferably between 1/2 and 30 and particularly preferably between 1 and 16 passes.
  • the process of the subsequent dosing with subsequent dispersion can be carried out according to the invention once or several times, preferably once to 15 times.
  • a first dispersion is prepared as described above, wherein the effect of reducing the viscosity particularly preferably occurs.
  • the CNTs are continuously added to a preferably stirred feed tank while the dispersion continues.
  • the throughput of CNTs is based on the time required for circulation in the high-pressure homogenizer and on the total mass of the dispersion and is typically between 0.03 and 2% by weight per revolution, preferably between 0.05 and 1.5% by weight. per revolution and more preferably between 0, 1 and 1% by weight per revolution.
  • concentrations of CNTs can be adjusted which are up to 20% by weight, preferably 1-18% by weight, more preferably between 5 and 16% by weight and between 5.5 and 15% by weight.
  • dispersion contains between 6 and 15% by weight of CNT.
  • the dispersion contains between 7 and 15% by weight and more preferably between 8.0 and 14.5% by weight of CNT.
  • dispersions can be produced with more than 8% by weight of CNT. All percentages by weight are based on the total mass of the dispersion.
  • the continuous addition, mixing and / or dispersion may also be interrupted for a short or longer time without adversely affecting the result of the dispersion.
  • steps according to the invention of preparing a first dispersion followed by subsequent addition of CNTs and post-dispersion are preferably followed by a further step of final dispersion (step 4) in order to further comminute residual agglomerates of CNTs and to prepare the final dispersion.
  • the inventive method has the advantage that it can be upscaled.
  • the effective throughput is for example> 2 liters / h and can be further increased, for example to> 10 liters / h and> 50 liters / h.
  • the dispersions prepared according to the invention preferably have a relatively low viscosity compared with other preparation processes, with good conductivity at the same time.
  • the dispersions according to the invention are stable for> 1 month, preferably> 3 months, which is evidenced by a slight change in the conductivity value during storage of the dispersion over this period.
  • the dispersions have small mean particle diameters. This value can be determined, for example, by means of laser diffraction spectrometry (an example of a device is the Mastersizer MS 2000 with dispersing unit Hydro S from Malvern). In comparison to other dispersing methods, in particular grinding, a lower stress of the CNT takes place, which is reflected in a smaller shortening of the CNT. The good dispersing quality is also reflected in the good conductivities of the dispersions and the coatings and materials produced therefrom.
  • Such dispersions of carbon nanotubes can be used in many ways in the art.
  • An example is the use as conductive coatings and coatings, for example as a conductive ink for the production of electrically conductive surfaces or electrical circuits, as described for example in DE102008008837 AI. In this case, the generation of the circuits or electrical BMS 10 1 120
  • carbon nanotube-containing dispersions are conductive precursor materials for the production of polymer materials and further starting materials for the production of CNT-containing composites, for example for the incorporation of CNTs into different matrices, in particular in polymers.
  • Carbon nanotube-containing dispersions are also used in glass fiber sizes, for the impregnation of ceramics, for concrete consolidation, for the modification of latex (rubber etc.) and in emulsion paints (deep black, electro magnetic shielding).
  • the conductivity of the dried dispersions was determined by diluting the respective dispersion with distilled water so that the mass concentration was 0.5%. 200 microliters were then drawn up with a micrometer syringe and placed in a rectangular depression with removable walls measuring one centimeter by two centimeters. The dispersion was then dried in a drying oven at 60 ° C for at least four hours. The walls of the well were then removed to leave a "stain" of dried one centimeter by two centimeter dispersion on the bottom, and the dried suspension was then electrically contacted with metal wedges on both sides of the rectangle to form a square The square of this square is approximately 0.5 g CNTs, and the resistance of this square was then measured with an ITT Instruments MX52S multimeter.
  • the thickness of the layers was measured for various experiments and was about four to six microns.
  • the sample 1 -1 was taken.
  • Step 3a Homogenization of predispersion until the viscosity maximum is exceeded
  • Table 1 gives an overview of the individual steps and the measured viscosities at 0.1 / s, 1 / s and 10 / s. In carrying out the experiment, it was noted that the samples 1 -4 and 1 -5 were much thinner than the sample 1 -1, 1 -2 and 1 -3.
  • Fig. 1 shows the viscosity values from Table 1 in graphic form.
  • Step 1 Production of the mixture
  • the mixture was homogenized for four minutes using the Kotthoff mixed siren analogously to Example 1. Thereafter, the product was transferred to a stirred tank, in a first step the product was pumped in a circle, in a second step through a nozzle of 1.4 mm diameter at a rate of 200 kg / h.
  • Step 3a Homogenization of predispersion until the viscosity maximum is exceeded
  • Table 2 gives an overview of the individual steps and the measured viscosities at 0, 1 / s, 1 / s and 10 / s.
  • Fig. 2 shows the viscosity values from Table 2 in graphic form.
  • Example 3 Production of an LSSNa-Containing Dispersion of Carbon Nanotubes According to the Invention Step 1 .: Preparation of the mixture
  • step 1 The mixture prepared in step 1 was homogenized with the Kotthoff mixed siren (see example 1) of type LDF for four minutes. Thereafter, the dispersion was transferred to a stirred tank and homogenized by a pneumatic pump. The product was returned to the original container. In a first step, the product was pumped in a circle, in a second step via a nozzle of 1.4 mm diameter with a throughput of 200 kg / h.
  • sample 3-6 was obtained.
  • sample 3-6 The particle size of sample 3-6 was determined by means of laser diffraction with a Mastersizer 2000 Hydro S from Malvem. The D90 value determined by this method was 1.62 micrometers, a very good dispersing quality.
  • the Feststoffgehait was determined by means of a dry balance. It was 14.1% by weight based on the total weight of the dispersion. The content of CNT is 7.9 wt .-% CNT / total weight of the dispersion.
  • sample 3-6 The viscosity of sample 3-6 was determined after one week with a Physica MCR 301 Rheometer in a Couette gap at T 25 ° C. Initially shear rates were determined BMS 10 1 120
  • Conductivities were determined on the dried dispersion by the method described above. The conductivity of five squares 1 cm * 1 cm square with 0.5 milligrams of CNT was measured and values between 30.8 ohms and 43.9 ohms were determined, the mean value being 37.4 ohms. With a layer thickness of 4 microns, this corresponds to a conductivity of about 6700 Siemens per meter.
  • a stirred tank 1 has at the discharge of a pump 2, which can perform the product in the stirred tank 1 via a pressure-holding valve 3 again. Furthermore, it can flow to the high-pressure pump 4. Normally, the throughput of the pump 2 will be higher than the throughput of the high-pressure pump 4, whereby the possibility exists to adjust the admission pressure of the high-pressure pump 4 via the pressure-maintaining valve 3.
  • the part of the product which passes through the high-pressure pump 4 can be broken down via one or more nozzles connected in series, in this case two spring-loaded annular gap nozzles 5 and 6.
  • the stirred container 1 has a possibility of metering in solids and liquids from above.
  • Step 1 Preparation of the mixture
  • This mixture was homogenized with a LDT Kotthoff mixed siren for four minutes. Thereafter, the dispersion was transferred to a stirred tank and homogenized by a pneumatic pump. The product was in each case returned to the storage container, in a first step, the product was pumped in a circle, in a second step via a nozzle with 1, 4 mm diameter at a rate of 200 kg / h.
  • the mixture was then transferred to the stirred tank 1.
  • the pump 2 was started and set the pressure after the pump 2 with the valve 3 to about 2 bar.
  • the high-pressure pump 4 was started and set the pressure after the high-pressure pump 4 via the valves 5 to 1200 bar and the pressure after the valve 5 via the valve 6 to about 200 bar.
  • the pressure drop across the valve 5 was thus about 1000 bar and about the valve 6 about 200 bar.
  • the throughput of the Hodchdruckpumpe 4 was the whole time between 110 and 120 liters per hour.
  • Solids content of the final dispersion according to Example 4 14.4% by weight, based on the total weight of the dispersion.
  • the content of CNT is 8.9 wt .-% CNT / total weight of the dispersion.
  • the particle sizes were determined as indicated above.
  • the D90 value was 1.7 microns.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von stabilen Suspensionen und Dispersionen von Kohlenstoffnanoröhren sowie die mit dem Verfahren hergestellten Dispersionen.

Description

BMS 10 1 120- Ausland
1
Herstellung von KoMenstoffnanoröhren-haltigen Dispersionen
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von stabilen Suspensionen und Dispersionen von Kohlenstoff anoröhren in hoher Konzentration und mit niedriger Viskosität.
Suspensionen und Dispersionen werden im Weiteren gemeinsam mit dem Begriff„Dispersion" bzw. „Dispersionen" bezeichnet.
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 so groß wie die von Diamant, ihre thermische Stabilität reicht bis hoch zu 2800 °C im Vakuum und deren elektrische Leitfähigkeit kann ein Vielfaches der Leitfähigkeit von Kupfer betragen. Diese strukturbedingten Charakteristika sind auf molekularer Ebene allerdings häufig 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. Hinsichtlich elektrischer Leitfähigkeit ist es weiterhin erforderlich, ein Netzwerk an Röhren auszubilden, in dem sich diese im Idealfall nur an den Enden berühren beziehungsweise ausreichend nahe kommen. Hierbei sollten die Kohlenstoffnanoröhren möglichst vereinzelt, das heißt agglomeratfrei, nicht ausgerichtet und in einer Konzentration vorliegen, bei der sich ein solches Netzwerk gerade eben ausbilden kann, was sich durch den sprunghaften Anstieg der elektrischen Leitfähigkeit in Abhängigkeit von der Konzentration an Kohlenstoffnanoröhren widerspiegelt (Perkoiationsgrenze). Ein Beispiel für die direkte Anwendung von leitfähigen Dispersionen sind leitfähige Tinten (siehe z.B. die EP-A 1514280). Auch zum Erreichen verbesserter mechanischer Eigenschaften von Kompositen wie z.B. in reaktiven Harzen wie Epoxiden beobachtet, ist eine exzellente Dispergierung und Vereinzelung der Kohlenstoffnanoröhren erforderlich, da größere Agglomerate zu Bruchstellen führen (Zhou, eXPRESS Polym. Lett. 2008, 2, 1 , 40-48) und dann eher eine Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften solcher Komposite beobachtet wird.
Für technische Anwendungen ist daher die Einarbeitung von CNT in flüssige Vehikel interessant, aber auch eine Herausforderung. Nach ihrer Herstellung liegen CNT in Form von Primärgglomeraten vor. Diese Primäragglomerate, die eine Größenordnung von bis zu mehreren Millimetern haben können, sind für den technischen Einsatz zunächst nicht geeignet. Sie müssen vielmehr aufgebrochen werden, damit die CNT vereinzelt vorliegen und eine stabile Dispersion ausbilden können und beispielsweise in Form von dünnen Schichten auf die zu behandelnde Oberfläche aufgetragen werden können. Auch sind vereinzelte CNT erforderlich, um wünschenswerte Eigenschaften wie beispielsweise elektrische Leitfähigkeit zu erreichen. BMS 10 1 120
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Für eine erfolgreiche Herstellung von stabilen Dispersionen von Kohlenstoffnanoröhren ist daher das vollständige Aufbrechen und Entbündeln von Kohlenstoffnanoröhren-Agglomeraten und - häufig - die Unterdrückung der großen Neigung von Kohlenstoffnanoröhren zur Reaggregation, entscheidend, wenn man durch ihre Nutzung ein Material beispielsweise elektrisch leitfähig und/oder mechanisch besser machen möchte. Derartige Dispersionen müssen, je nach Anwendungsgebiet, verschiedene Eigenschaften haben. So ist beispielsweise für die Anwendung von Tinten im InkJet-Druckverfahren wünschenswert, dass die Restagglomeratgröße klein genug ist, damit die Düsen nicht verstopfen. Ähnliches gilt für ein Siebdruckverfahren, da zu große Agglomerate zu Brückenbildung auf dem Sieb und damit zu Verstopfungen führen können.
Gleichzeitig ist jedoch auch eine hohe Konzentration an CNT in der Dispersion wünschenswert, bei leitfähigen Tinten beispielsweise, um den Druckvorgang möglichst effizient zu gestalten. Das liegt an zwei Gründen: Die in einem einzigen Schritt erzielbare Nassschichtdicke ist mit typischen Druckverfahren beschränkt. Die Menge an CNTs, die mit einem einzelnen Druckschritt aufgetragen werden können, und damit auch die erzielbare Flächenleitfähigkeit ist daher proportional der CNT- Konzentration in der Dispersion. Ist eine bestimmte Oberfläch enleitfähigkeit erforderlich, so kann diese, je nach Anforderung und Drackverfahren, mehrere Druckvorgänge erfordern, was den Aufwand erhöht und gegebenenfalls zu Problemen bei der Genauigkeit der aufgedruckten Strukturen führen kann. Bei CNT-haltigen Ausgangsprodukten ist eine hohe Konzentration wünschenswert, um auch im Endprodukt eine ausreichende Konzentration erzielen zu können.
Zusätzlich ist es für den industriellen Einsatz wichtig, dass eine CNT-Dispersion zeitstabil über einen Zeitraum von mindestens sechs Monaten ist bezüglich Sedimentation von Partikeln. Für industrielle Anwendungen ist die Herstellung von großen Mengen an Dispersion erforderlich, bis in den Tonnenmaßstab. Die Herstellung so großer Mengen ist in der Literatur nicht beschrieben.
CNT -haltige Dispersionen können durch verschiedene bekannte Techniken hergestellt werden. Dem Fachmann bekannte Techniken sind beispielsweise in„Dispersion of Carbon Nanotubes in Liquids", Journal of Dispersion Science and Technology, Volume 24, Issue 1 January 2003, Seiten 1 -41 dargestellt.
Die dort vorgestellten Techniken sind:
• Dispergierung mit Ultraschall: Dieses Verfahren ist für Laborverfahren sehr beliebt, hat aber den
Nachteil, dass die erforderlichen Energieeinträge sehr hoch sind und die Leistung der verfügbaren Ulitraschallgeräte technisch begrenzt ist, so dass eine industrielle Produktion kaum möglich ist. Außerdem ist der Energieeintrag stark lokal konzentriert und es ergeben sich breite Partikelgrößenverteilungen. Bei BMS 10 1 120
- 3 - höheren CNT-Füllgraden führt die Erhöhung der Viskosität dazu, das der Mechanismus der Ultraschalldispergierung, der im wesentlich en auf Kavitation beruht, stark abgeschwächt wird.
• Kugelmahlung: Dieses Verfahren hat, wie im Artikel ausgeführt, den Nachteil, dass die CNTs stark geschädigt werden, was vor allem Eigenschaften wie Leitfähigkeit ungünstig beeinflusst.
• Reiben: Diese Methode zerstört die Struktur und damit die Eigenschaften der CNTs noch mehr als die Kugelmahlung.
• Hochdruck-Mischen: Die Dispergierung in einem Ventil für Dieselmotoren (ASTM D5275) führte zu einer starken Zerstörung der CNT- Strukturen.
Die WO-A 2009/100865 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von leitfähigen wässrigen Formulierungen enthaltend Kohlenstoffnanoröhrchen und mindestens einem polymeren Dispergierhilfsmittei, umfassend mindestens die Schritte:
a) Gegebenenfalls oxidative Vorbehandlung der Kohlenstoffnanoröhrchen,
b) Herstellung einer wäs srig en Vordisp ersion, durch Lö s en de s polym eren Dispergierhilfsmittels in einem wässrigen Lösemittel, Eintrag und Verteilung von Kohlenstoffnanoröhrchen in der entstandenen Lösung,
c) Eintrag einer volumenbezogenen Energiedichte, bevorzugt in Form von Scherenergie, von mindestens 104 J/m3, bevorzugt von mindestens 105 J/m3, besonders bevorzugt 107 bis 109 J/m3 in die Vordispersion, bis der Agglomeratdurchmesser der Kohlenstoffnanoröhrchen- agglomerate im wesentlichen < 5 μηι, bevorzugt < 3 μηι, besonders bevorzugt < 2 μιη beträgt,
Für Schritt c) wird die bevorzugte Verwendung eines Hochdruckhomogenisators offenbart, wobei die Vordispersion bevorzugt mehrfach den HochdiTickhomogenisator passiert. Ein Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, dass die maximal zu erhaltende Konzentration in der Formulierung der maximal einstellbaren Konzentration in der Vordispersion entspricht. So wird in Beispiel 3 der Anmeldung über drei separate Passagen über einen Hochdruckhomogenisator eine Dispersion von 0,5 Gramm mit H2C>2 - aufgereinigten CNTs in 95 Gram Polyvinylpyrrolidon- Lösung offenbart. Die Viskosität beträgt bei einer Konzentration von knapp 0,53 Gew-% bereits 1 ,68 Pa*s bei Raumtemperatur und einer Schergeschwindigkeit von 1/s. Diese niedrige Konzentration an CNTs führt dazu, dass große Mengen Wasser verdampft werden müssen, um eine leitfähige Beschichtung zu erhalten. Da die Viskosität von Dispersionen von CNTs mit steigender Konzentration an dispergierten CNTs stark ansteigt, ist für höhere BMS 10 1 120
_ 4 _
CNT -Konzentrationen eine deutlich höhere Viskosität zu erwarten, was die Möglichkeiten der technischen Verwendung deutlich einschränkt. Die erzielte Leitfähigkeit nach Trocknung betrug 3000 S/m.
Die US 2005/0224764 AI beschreibt CNT-Dispersionen, die nach Auftragen auf eine Oberfläche und Trocknen elektrisch leitfähig sind, und aufgrund ihrer strukturviskosen Eigenschaften beispielsweise für Siebdruck geeignet sind. Die Dispersionen enthalten ein Trägermaterial (Wasser oder ein organisches Lösungsmittel), einen polymeren Binder, typischerweise ein Dispergierhiifsmittel. Die in dieser Anmeldung beschriebenen Leitfähigkeiten entsprechen, nach Umrechnung, etwa denen der der WO 2009/100865. Es wird offenbart, dass die CNT-Dispersionen 0,1 - 5 % CNT enthalten können. Allerdings ist in der US 2005/0224764 AI auch beschrieben, dass die Viskosität mit steigendem Gehalt an CNTs ansteigt. Dies ist auch der Grand, warum die Dispersionen erst durch Predispersion mitteis Ultraschall einer verdünnten Lösung enthaltend max. 0,5% CNT, und erst dann durch anschließendes Aufkonzentrieren und weiteres Dispergieren mittels eines Mahlprozesses, bei dem die CNT eingekürzt werden, hergestellt werden. In den ausgeführten Beispielen der Anmeldung beträgt der CNT -Gehalt auf maximal 3,5 Gew-%, in den meisten Fällen 2,5 Gew-% oder weniger und über das genannte Verfahren lassen sich höhere Konzentrationen in befriedigender Qualität nicht einstellen, auch wenn dies aus den oben genannten Gründen teilweise wünschenswert wäre.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ausgehend vom Stand der Technik, war daher die Entwicklung eines Verfahrens, mit welchem sich CNT-Dispersionen in hohen CNT-Konzentrationen, mit ausreichend niedrigen Viskositäten und guten Leitfähigkeiten herstellen lassen. Darüberhinaus sollte das Verfahren auch die wirtschaftliche Herstellung großer Mengen von CNT-Dispersionen mit den oben genannten Eigenschaften ermöglichen, d.h. großtechnisch verwendbar sein.
Überraschenderweise wurde die Aufgabe durch ein Verfahren gelöst, welches folgende Schritte umfasst:
1. Herstellung einer Mischung aus Dispersionsmittel, Dispergierhiifsmittel und optional Kohlenstoffhanoröhren.
2. Wenn in Schritt 1 Kohlenstoffnanoröhren zugefügt wurden, optional Vordispergierung der Mischung aus Schritt 1.
3. Dispergierung der Mischung aus Schritt 1 oder der vordispergierten Mischung aus Schritt 2 beide im weiteren mit„Mischung" bezeichnet - , wobei diese Dispergierung mit einem Hochdruckhomogenisator durchgeführt wird und wobei die Mischung während dieser Dispergierung ganz oder teilweise im Kreis geführt wird und der Mischung dabei kontinuierlich oder diskontinuierlich weitere CNT -Agglomerate hinzugefügt werden. Nach BMS 10 1 120
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Einstellung der gewünschten Konzentration an CNT in der Dispersion wird die Zugabe der CNT -Agglomerate beendet. Es wird eine„Erstdispersion" erhalten.
4. Die in Schritt 3 erhaltene Erstdispersion wird einer weiteren Dispergierung im Hochdruckhomogenisator unterworfen, optional in Kreisfahrweise. Es wird die „Enddispersion" erhalten.
Kohlenstoffnanoröhren im Sinne der Erfindung sind alle einwandigen Kohlenstoffnanoröhren (SWNT) oder mehrwandigen Kohlenstoffnanoröhren (MWNT), beispielsweise vom Zylinder-Typ wie beschrieben z.B. in US-A 5,747,161 ; WO 86/ 03455), vom Scroll-Typ, Muitiscroll-Typ, Cup-stacked Typ aus einseitig geschlossenen oder beidseitig offenen, konischen Bechern bestehend (z.B. in EP-A 198,558 und US 7018601 B2), oder mit zwiebelartiger Struktur. Bevorzugt sind mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren vom Zylinder-Typ, Scroll-Typ, Multiscroll-Typ und Cup-stacked Typ oder deren Mischungen und insbesondere Mischungen enthaltend den Multiscroll-Typ wie unten beschrieben einzusetzen. 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 Kohlenstoffhanoröhren-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 AI 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).
Anders als bei den zwiebelartigen Strukturen (onion type structure) verlaufen die einzelnen Graphenbeziehungsweise Graphitschichten in diesen Kohlenstoffnanoröhren im Querschnitt gesehen offenbar durchgehend vom Zentrum der Kohlenstoffnanoröhren bis zum äußeren Rand ohne Unterbrechung. Dies kann zum Beispiel eine verbesserte und schnellere Interkalierung anderer Materialien im Röhrchengerüst ermöglichen, da mehr offene Ränder als Eintrittszone der Interkalate zur Verfugung stehen im Vergleich zu Kohlenstoffnanoröhren mit einfacher Scrollstruktur (Carbon 1996, 34, 1301-3) oder CNTs mit zwiebelartiger Struktur (Science 1994, 263, 1744-7).
In einer Ausführungsform werden die Kohlenstoffnanoröhren in funktionalisierter Form eingesetzt. Die Funktional isieriing von Kohlenstoffnanoröhren ist bekannt. Verschiedene Methoden sind beispielsweise in einem Übersichtsartikel von N. Tsubokawa (Polymer Journal 2005, 37, 637-655) beschrieben. BMS 10 1 120
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass in Schritt 1. die Kohlenstoffnanoröhren in Form von Agglomeraten bereitgestellt werden. Die agglomerierte Form ist diejenige Form von Kohlenstoffnanoröhren, in der sie im Handel erhältlich sind. Es lassen sich mehrere Strukturtypen von Aggiomeraten ( siehe z.B. Moy US6294144B1 ) unterscheiden: die Vogelneststruktur ("bird's nest", BN), die Kammgarnstruktur ("combed yarn", CY) und die offene Netzstruktur ("open net", ON). Weitere Agglomeratstrukturen sind bekannt, z.B. eine, bei der sich die Kohlenstoffnanoröhrchen in Form gebauschter Garne anordnen (Hocke, WO PCT/EP2010/004845). Weiterhin beschrieben sind über Flächen parallel ausgerichtete Nanoröhren in Form von Teppichen oder Wäldern, sogenannte "Foresf'-Strukturen (z.B. Patent Dai US6232706 und Lemaire US7744793B2). Hierbei sind die benachbarten Röhren überwiegend parallel zueinander ausgerichtet. Die genannten Agglomeratformen können sowohl beliebig miteinander gemischt oder als Mischhybrid, das heißt verschiedene Strukturen innerhalb eines Agglomerates, verwendet werden.
Die bereitgestellten Agglomerate weisen eine durchschnittliche Agglomeratgröße von > 0,02 mm auf. Dieser Wert kann mittels Laserbeugungsspektrometrie (ein Beispiel für ein Gerät ist der Mastersizer MS 2000 mit Dispergiereinheit Hydro S der Firma Malvern; in Wasser) ermittelt werden. Die Obergrenze der Agglomeratgröße kann beispielsweise < 6 mm sein. Vorzugsweise beträgt die durchschnittliche Agglomeratgröße > 0,05 mm bis < 2 mm und mehr bevorzugt > 0,1 mm bis < 1 mm.
Bei dem in dem Verfahren eingesetzten Dispersionsmitteln handelt es sich um bei Raumtemperatur flüssige anorganische oder organische Verbindungen, z.B. Lösungsmittel. Beispiele für Lösungsmittel sind Wasser, Aceton, Nitrile, Alkohole, Dimethylformamid (DMF), N-Methylpyrrolidon (NMP), PyiTolidonderivate, Butylacetat, Methoxypropyiacetat, Alkylbenzene und Cyclohexanderivate. Das Dispersionsmittel kann als reine Substanz oder aber selbst auch um eine Lösung oder Dispersion vorliegen. Weiterhin bevorzugt sind auch Substanzen, welche eine Komponente eines reaktiven Systems darstellen oder enthalten. Hier sind insbesondere Polyole, isocyanate, Epoxide, Amine und Phenole zu nennen, die zu Polyurethan-, Epoxid- bzw. Phenolharzen umgesetzt werden. Bei dem Dispersionsmittel kann es sich auch um eine Substanz handeln, die üblicherweise in Polymere eingearbeitet wird. Beispiele für diesen letzteren Fall sind Flammschutzmittel, Entformungsmittel, Weichmacher, Stabilisatoren oder andere in der Polymerindustrie übliche Additive in Substanz, als Dispersion oder in einem Lösungsmittel. Je nach Verwendung der Dispersionen können auch Additive wie Ruße in graphitischer oder amorpher Form, 1 ei t äh ige Salze, Farbstoffe, Stabilisatoren, Verarbeitungshilfsmittel usw. zugesetzt werden.
Bei dem Dispergierhilfsmittel handelt es sich um polymeres oder nicht-polymeres Dispergierhilfsmittel. Beispielsweise kann ein polymers Dispergierhilfsmittel ausgewählt sein aus der Reihe: wasserlösliche Homopolymere, wasserlösliche statistische Copolymere, wasserlösliche Blockcopoiymere, wasserlösliche BMS 10 1 120
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Pfropfpolymere, insbesondere Polyvinylalkohole, Copolymere aus Polyvinylalkoholen und Polyvinylacetaten, Polyvinylpyrrolidone, Cellulosederivate wie etwa, Carboxymethylcellulose, Carboxypropylcellulose, Carboxymethylpropylcellulose, Hydroxyethylcellulose , Stärke, Gelatine, Gelatinederivate, Aminosäurepolymere, Polylysin, Poiyasparaginsäure, Polyaerylate, Polyethy lensul fonate , Polystyrolsulf onate, Polymethacrylate, Polysulfonsäuren, Kondensationsprodukte von aromatischen Sulfonsäuren mit Formaldehyd, Naphthalinsulfonate, Ligninsulf onate, Copolymerisate acrylischer Monomere, Polyethylenimine, Polyvinylamine, Polyallylamine, Poly(2-vinylpyridine), Block- Copolyether, Biock-Copolyether mit Polystyrolblöcken und Polydiallyldimethylammoniumchlorid.
Bevorzugt ist das mindestens eine polymere Dispergierhilfsmittel wenigstens ein Mittel ausgewählt aus der Reihe: Polyvinylpyrrolidon, Blockcopolyether und Blockcopolyether mit Polystyrolblöcken, Carboxymethylcellulose, Carboxypropylcellulose, Carboxymethylpropylcellulos e , G e latine , Gelatinederivate und Polysulfonsäuren. Bevorzugte Dispergierhilfsmittel sind Polyvinylpyrrolidon, Carboxymethylcellulose sowie Salze von Polysulfonsäuren und Ligninsulfonsäure.
in einer Ausführungsform werden als polymere Dispergierhilfsmittel Polyvinylpyrrolidon und/oder Biock- Copolyether mit Polystyrolblöcken eingesetzt. Besonders geeignetes Polyvinylpyrrolidon hat eine Molmasse Mn im Bereich von 5000 bis 400.000. Beispielhaft geeignet sind PVP Kl 5 der Firma Fluka (Molmasse etwa 10000 amu) oder PVP K90 der Firma Fluka (Molmasse von etwa 360000 amu) oder Biock-Copolyether mit Polystyrolblöcken, mit 62 Gew.-% C2-Polyether, 23 Gew.-% CYPolyether und 15 Gew.-% Polystyrol, bezogen auf das getrocknete Dispergierhilfsmittel, mit einem Verhältnis der Blocklängen ( YPolyether zu C3-Polyether von 7:2 Einheiten (z. B. Disperbyk 190 der Firma BYK- Chemie, Wesel).
Die Menge an benötigtem Dispergierhilfsmittel ist abhängig von der Art des Dispergierhilfsmittels und der Menge an eingesetzten CNTs. Bevorzugt ist ein Verhältnis von Dispergierhilfsmittel zu CNT von 0,5 : 1 bis 1 : 1. In bevorzugten Ausführungsformen liegt das Dispergierhilfsmittel in einer Konzentration von 2 bis 10 Gew-% vor. In anderen bestimmten Ausführungs formen der erfindungsgemäßen Dispersionen liegt das Dispergierhilfsmittel vorteilhafterweise in einem Anteil von 0,01 Gew.-% bis 10 Gew.-%, bevorzugt in einem Anteil von 0,1 Gew.-% bis 7 Gew.-%, besonders bevorzugt in einem Anteil von 0,5 Gew.-% bis 5 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Enddispersion, vor.
Die üblicherweise verwendeten und bevorzugten polymeren Dispergierhilfsmittel sind insbesondere in den angegebenen Anteilen vorteilhaft, weil sie neben der Unterstützung einer geeigneten Dispergierung der Kohlenstoffhanoröhrchen auch eine Anpassung der Viskosität der erfindungsgemäßen Dispersionen erlauben. Der Einsatz von polymeren Dispergierhilfsmitteln erlaubt auch eine Anpassung von BMS 10 1 120
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Oberflächenspannung und Filmbildung und Haftung, was beispielsweise für den Einsatz der Dispersionen als Tinten nützlich ist.
Die optionale Vordispergierung im Schritt 2 kann mit verschiedenen, bekannten Methoden erfolgen. Beispiele sind Ultraschall, Kugelmühlen, ein Rotor-Stator-System oder ein Homogenisator. Bevorzugt werden ein Rotor- Stator- System oder ein Homogenisator, ganz besonders bevorzugt wird der Hochdruckhomogenisator.
Die Herstellung der Erstdispersion in Schritt 3 sowie die Herstellung der Enddispersion in Schritt 4 werden im Hochdruckhomogen isator durchgeführt.
Besonders geeignete Hochdruckhomogenisatoren sind beispielsweise aus der Schrift Chemie Ingenieur Technik, Volume 77, Issue 3 (S. 258-262) grundsätzlich bekannt. Ganz besonders bevorzugte Hochdruckhomogenisatoren sind Strahldi sp erg ator en, S p althomo g eni s ator en und
Hochdruckhomogenisatoren des Typs Micro fluidizer®.
Ein Hochdruckhomogenisator umfasst eine Pumpe und ein oder mehrere Düsen. Besonders geeignete Hochdruckhomogenisatoren sind beispielsweise aus der Schrift Chemie Ingenieur Technik, Volume 77, Issue 3 (S. 258-262) grundsätzlich bekannt.
Die Pumpe eines Hochdruckhomogenisators kann beispielsweise als Kolbenpumpe, Zahnradpumpe oder Schlauchpumpe ausgeführt sein. Bevorzugt werden Kolbenpumpen.
In einer bevorzugten Variante wird die CNT -haltige Mischung (enthaltend Dispersionsmittel, Dispergierhilfsmittel und CNT) der Pumpe des Hochdruckhomogenisators mittels einer Fütterpumpe zugeführt, um den Druckverlust beim Einströmen in die Pumpe des Hochdruckhomogenisators zu überwinden. In einer bevorzugten Ausführung wird diese Fütterpumpe bei einem höheren Durchsatz betrieben als die Pumpe des Hochdrackhomogemsators. Ei diesem Fall wird die CNT-haltige Mischung bevorzugt separat dem Vorratsbehälter wieder zugeführt. Hierbei wird vor der Rückführung in den Vorratsbehälter bevorzugt ein Druckhalteventil eingesetzt, um den Vordruck vor der Pumpe des Hochdruckhomogenisators einzustellen .
Für die Düsen eines Hochdruckhomogenisators gibt es verschiedene, dem Fachmann bekannte Optionen. Beispiele sind Lochblenden, Strahldispergatoren (eine Sonderform von Lochblenden, bei denen die von den Lochblenden erzeugten Strahlen gegeneinander treffen), spezielle Düsengeometrien wie beispielsweise der Microfluidizer™ und federbelastete Düsensysteme wie beispielsweise Ringspaltdüsen. Bevorzugt werden Strahldispergatoren und Ringspaltdüsen eingesetzt. Allen Methoden gemeinsam ist die Zerkleinerungs Wirkung durc hochturbulente Strömung sowie zusätzlich gegebenenfalls durch Kavitation. BMS 10 1 120
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Die Drücke, die in den Hochdruckhomogenisatoren eingesetzt werden, liegen im Allgemeinen zwischen 50 und 4000 bar, bevorzugt zwischen 100 und 2000 und ganz besonders bevorzugt zwischen 200 und 1500 bar.
Wird ein Lochblende-System zur Dispergierung eingesetzt, so kann erfindungsgemäß der Durchmesser der Düsen variiert werden, indem die Düsen ausgetauscht werden. Bevorzugt werden am Anfang Düsen mit einem Durchmesser eingesetzt, deren Durchmesser größer ist als der Durchmesser der größten C'NT- Agglomerate, um ein Verstopfen zu verhindern. Mit steigendem Dispergiergrad wird der Düsendurchmesser reduziert, um höhere Druckverluste und damit höhere Energieeinträge zu erreichen. Eine überschiägige Formel für den Zusammenhang zwischen Düsendurchmesser, Druckveriust und Durchsatz ist, wie dem Fachmann bekannt ist,
wobei Ap der Druckverlust in Pascal, ζ ein Faktor, der von der Geometrie der Düse abhängt und typisch erweise zwischen 0,7 und 1 liegt, p die Dichte in Kilogramm pro Kubikmeter, u die mittlere Geschwindigkeit des Fluids, wobei
V
u—
mit dem Volumenstrom und der Querschnittsfläche der Düse AD . Für Düsen mit kreisförmigem
Querschnitt ist wobei D der Düsendurchmesser ist. Der bevorzugte Düsendurchmesser am Anfang der Dispergierung unter Verwendung von Lochdüsen beträgt zwischen 1,5 mm und 0,6 mm und der bevorzugte Druckverlust zwischen 20 und 100 bar. BMS 10 1 120
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Erfindungsgemäß kann auch eine federbelastete Ringspaltdüse verwendet werden. Eine derartige federbelastete Ringspaltdüse, auch als Radialdüse oder Flachdüse bezeichnet, ist aus der Literatur beispielsweise zum Emulgieren oder dem Homogenisieren von Milch bekannt. Sie besteht im Wesentlichen aus einer zentralen Zuführung, die auf eine federbeiastete Platte führt, die in einen Sitz eingepasst ist. Der Druck der Flüssigkeit in der Zuführung hebt die Platte an und erlaub das Durchströmen der Düse radial nach außen. Über die Federvorspannung lässt sich der Druckverlust in der Düse einstellen. Partikel, die zwischen der Platte und Sitz eingeklemmt werden, blockieren die Strömung und führen dadurch zu einem Öffnen des Sitzes. Dies hat den Vorteil, dass eine federbelastete Ringspaltdüse deutlich weniger zur Verstopfung neigt. Daher muss sie nicht ausgewechselt werden, und der Schritt der Vordispergierung kann eher entfallen.
Nach der Düse des Hochdruckhomogenisators wird die CNT-haltige Mischung bevorzugt einem Vorratsbehälter zugeführt. Dieser Vorratsbehälter kann gerührt oder ungerührt sein, bevorzugt gerührt.
In bevorzugten Ausfülirungs formen der Schritte 2., 3. und 4. wird die CNT-haltige Mischung diesem Vorratsbehälter wieder entnommen und wiederum dem Hochdruckhomogenisator zugeführt, der es wieder dem Vorratsbehälter zuführt (Kreisfahrweise). Diese bevorzugte Ausführung hat den Vorteil der Einfachheit, kann aber dazu führen, dass manche CNTs die Düse häufiger und andere CNTs die Düse weniger häufig passieren.
in einer weiteren bevorzugten Ausführung wird das CNT-haltige Mischung in einer Kaskade von zwei oder mehr Vorratsbehältern gefahren, wobei es jeweils von einem Voixatsbehälter dem nächsten zugeführt wird. Dies kann kontinuierlich oder diskontinuierlich geschehen. Auch dies geschieht in Kreisfahrweise, d.h. die CNT-haltige Mischung durchläuft mehrmals die Düs e, allerdings mit engerer Verweilzeitverteilung.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung wird das Produkt abwechselnd in zwei Vorlagebehälter (von Vorlagebehälter A über die Düse in Vorlagebehälter B und anschließend von Vorlagebehälter B wiederum über die Düse in Vorlagebehälter A) überführt, wodurch eine möglichst enge Verweilzeitverteilung erreicht wird.
Die Erstdispersion enthält typischerweise Konzentrationen von CNTs zwischen 0 und 7 Gew-%, bevorzugt zwischen 1 und 6 Gew-% und besonders bevorzugt zwischen 3 und 5,5 Gew-%.
Während Schritt 3 werden zur Herstellung der Erstdispersion der Mischung kontinuierlich oder diskontinuierlich weitere CNTs zugegeben, indem man die Konzentration an CNTs im Vorratsbehälter erhöht. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, dass man über einen Zeitraum von typischerweise einigen Minuten CNTs in trockener Form dem Vorlag eb ehälter zugibt (die„Nachdosierung"). Es kann BMS 10 1 120
- 1 1 - aber auch beispielsweise eine hochkonzentrierte Mischung aus CNT und Flüssigkeit in den Vorratsbehälter gegeben werden. Hierbei wird ein gerührter Vorlagebehälter bevorzugt, um die CNTs mit der bisher hergestellten Dispersion zu benetzen und sie damit zu vermischen.
In einer bevorzugten Variante wird diese Erstdispersion mittels Kreisfahrweise hergestellt. Die Nachdosierung der CNTs erfolgt besonders bevorzugt erst dann, wenn der Effekt der Viskositätserniedrigung eingetreten ist. Überraschenderweise wurde nämlich festgestellt, dass sich im Hochdruckhomogenisator die Viskosität einer CNT-haitigen Dispersion mit fortschreitender Dispergierungszeit zunächst erhöht und dann nach Durchschreiten eines Maximums deutlich erniedrigt. Dieser Effekt der Viskositätsemiedrigung ist nicht proportional zur Deagglomerierung der CNT und lässt sich durch Überprüfung der Viskosität der CNT -haltigen Dispersion in kurzen Zeitabständen, wie z.B. in den Ausführungsbeispielen beschrieben, leicht bestimmen.
Die Menge der zugegebenen CNTs beträgt typischerweise zwischen 0,1 Gew-% und 5 Gew-%, bevorzugt zwischen 0,5 und 3 Gew-% und besonders bevorzugt zwischen 1 und 2,5 Gew-%. Während der Zugabe kann die Dispergierung angehalten werden oder weiterlaufen.
Im Anschluss an die Nachdosierung findet eine weitere Dispergierung statt (Schritt 4). Diese weitere Dispergierung wird bevorzugt ebenfalls im Hochdruckhomogenisator durchgeführt. Der Endpunkt der Dispergierung wird bevorzugt dadurch bestimmt, dass in der CNT-Dispersion ein weiteres Viskositätsmaximum erreicht und überschritten wird. In der Kreisfahrweise werden bei der Nachdispergierung typischerweise zwischen 1/4 und 50 Durchläufen gemacht, bevorzugt zwischen 1/2 und 30 und besonders bevorzugt zwischen 1 und 16 Durchläufen.
Der Vorgang der Nachdosierung mit anschließender Dispergierung kann erfindungsgemäß einmal oder mehrere Male durchgeführt werden, bevorzugt ist einmal bis 15 - mal.
In einer weiteren bevorzugten Variante wird eine Erstdispersion wie oben beschrieben hergestellt, wobei besonders bevorzugt der Effekt der Viskositätserniedrigung eintritt. Anschließend werden die CNTs kontinuierlich in einen vorzugsweise gerührten Vorlagebehälter zugegeben, während die Dispergierung weiterläuft. Der Durchsatz an CNTs wird bezogen auf die Zeit, die ein Umlauf im Hochdruckhomogenisator benötigt, sowie auf die Gesamtmasse der Dispersion und beträgt typischerweise zwischen 0,03 und 2 Gew-% pro Umlauf, bevorzugt zwischen 0,05 und 1 ,5 Gew-% pro Umlauf und besonders bevorzugt zwischen 0, 1 und 1 Gew-% pro Umlauf.
Die Zugabe weiterer CNT zu der Dispersion erfolgt solange, bis die gewünschte Endkonzentration erreicht ist. Typischerweise können Konzentrationen von CNTs eingestellt werden, die bis zu 20 Gew-%, bevorzugt 1 -18 Gew-%, besonders bevorzugt zwischen 5 und 16 Gew-% und zwischen 5,5 und 15 Gew-% BMS 10 1 120
- 12 - und zwischen 6 und 15 Gew-% CNT enthalten. In weiteren bevorzugten Ausführungsformen enthält die Dispersion zwischen 7 und 15 Gew-% und besonders bevorzugt zwischen 8,0 - 14,5 Gew-% CNT. Insbesondere lassen sich Dispersionen mit mehr als 8 Gew-% CNT herstellen. Alle Gew-% Angaben beziehen sich auf die Gesamtmasse der Dispersion.
Die kontinuierliche Zugabe, die Mischung und/oder die Dispergierung können auch für kürze oder längere Zeit unterbrochen werden, ohne das Resultat der Dispergierung negativ zu beeinflussen.
An die erfindungsgemäßen Schritte der Hersteilung einer Erstdispersion mit anschließender Nachdosierung von CNTs und Nachdispersion schließt sich bevorzugt noch ein Schritt der Enddispergierung (Schritt 4) an, um restliche Agglomerate von CNTs weiter zu zerkleinern und die endgültige Dispersion herzustellen.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich feine Dispersionen von CNTs herstellen lassen, wobei sich selbst Konzentrationen von 8 Gew-% und größer mit hohen Durchsätzen herstellen lassen. Dies lag vor allem an der überraschenden Beobachtung, dass die Viskosität einer Mischung von CNTs bei fortschreitender Dispergierung zunächst zu- und dann wieder abnimmt. Die Zugabe der weiteren CNTs erfolgt daher bevorzugt, wenn die Viskosität wieder abnimmt.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass es sich hochskalieren lässt. Der effektive Durchsatz beträgt beispielsweise > 2 Liter / h und lässt sich weiter steigern, beispielsweise auf > 10 Liter / h und > 50 Liter / h.
Die erfindungsgemäß hergestellten Dispersionen weisen bevorzugt eine - im Vergleich zu anderen Herstellungsverfahren - relativ niedrige Viskosität bei gleichzeitiger guter Leitfähigkeit auf. Die erfindungsgemäßen Dispersionen sind >1 Monat, bevorzugt > 3 Monate stabil, was sich an einer geringen Veränderung der Leitfähigkeitswertes während Lagerung der Dispersion über diesen Zeitraum zeigt. Die Dispersionen weisen kleine mittlere Partikeldurchmesser auf. Dieser Wert kann beispielsweise mittels Laserbeugungsspektrometrie (ein Beispiel für ein Gerät ist der Mastersizer MS 2000 mit Dispergiereinheit Hydro S der Firma Malvern) ermittelt werden. Im Vergleich zu anderen Dispergierverfahren, insbesondere der Mahlung, findet eine geringere Beanspruchung der CNT statt, welches sich in einer geringeren Einkürzung der CNT zeigt. Die gute Dispergierqualität zeigt sich auch an den guten Leitfähigkeiten der Dispersionen und der daraus hergestellten Beschichtungen und Werkstoffe.
Solche Dispersionen von Kohlenstoffnanoröhren können in der Technik vielseitig eingesetzt werden. Ein Beispiel ist die Verwendung als leitfähige Lacke und Beschichtungen, z.B. als leitfähige Tinte für Erzeugung von elektrisch leitfähigen Oberflächen oder elektrischer Schaltkreise, wie beispielsweise in der DE102008008837 AI beschrieben. In diesem Fall findet die Erzeugung der Schaltkreise oder elektrisch BMS 10 1 120
- 13 - leitfähigen Oberflächen durch Bedrucken statt. Anschließend wird die dabei verwendete Flüssigkeit, beispielsweise durch Trocknen, entfernt. Bei dem Drucken können verschiedene Verfahren eingesetzt werden, wie beispielsweise Inkjet-Drucken oder Siebdruck. Auf diese Weise lassen sich beispielsweise Leiterbahnen auf RFID-Chips erzeugen.
Weitere Beispiele für die Verwendung von Kohlenstoffhanoröhren-haltigen Dispersionen sind leitfähige Precursormaterialien zur Herstellung von Polymerwerkstoffen und weitere Ausgangsprodukte für die Herstellung von CNT-haltigen Kompositen, z.B. für die Einarbeitung von CNTs in unterschiedliche Matrice, insbesondere in Polymere. Kohlenstoffnanoröhren-haltigen Dispersionen finden außerdem Anwendung in Glasfaser- Schlichten, zur Imprägnierung von Keramiken, zur Betonverfestigung, zur Modifizierung von Latex (Kautschuk etc.) und in Dispersionsfarben (Tiefschwarz, electro magnetic shielding).
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Bes iele
Leitfähigkeitsbestimmung einer getrockneten Dispersion
Die Leitfähigkeit der getrockneten Dispersionen wurde bestimmt, indem die jeweilige Dispersion mit destilliertem Wasser so verdünnt wurde, dass die Massekonzentration 0,5% betrug. Anschließend wurden mit einer Mikrometerspritze jeweils 200 Mikroliter aufgezogen und in eine rechteckige Vertiefung mit entfembaren Wänden mit den Abmaßen ein Zentimeter mal zwei Zentimeter gegeben. Die Dispersion wurde daraufhin in einem Trockenschrank bei 60°C mindestens vier Stunden lang getrocknet. Anschließend wurden die Wände der Vertiefung entfernt, so dass auf dem Untergrand ein„Fleck" von getrockneter Dispersion von ein Zentimeter mal zwei Zentimeter zurückblieb. Die getrocknete Suspension wurde dann mit Hilfe von Metallkiemmen beidseitig an den Schmalseiten des Rechtecks so elektrisch kontaktiert, dass ein Quadrat mit 1 Zentimeter mal ein Zentimeter bezüglich der elektrischen Leitfähigkeit gemessen werden konnte. In einem solchen Quadrat befinden sich in erster Näherung ca. 0,5 g CNTs. Der Widerstand dieses Quadrates wurde dann mit einem Multimeter ITT Instruments MX52S gemessen.
Die Dicke der Schichten wurde für verschiedene Versuche gemessen und betrug etwa vier bis sechs Mikrometer.
Beispiel 1 (Effekt der Viskositätserniedrigung): Schritt 1.: Herstellung der Mischung
5460 Gramm destilliertes Wasser, 240 Gramm Natriumsalz einer Ligninsulfonsäure mit einem MW 52.000 g/mol („LSSNa" ) der Fa. Sigma-Aldrich Chemie GmbH, Deutschland, und 300 g Baytubes® C 150 P (Hersteller: Fa. Bayer MaterialScience AG, Deutschland) wurden in einem Behälter angesetzt.
Schritt 2.: Vordispergierung
Diese Mischung wurde mit einer Kotthoff-Mischsirene (Kotthoff-Mischsirene FLUKO- Labordispergiermaschine LDF für Batch-Betrieb, dabei handelt es sich um ein Rotor-Stator-System in Batch-Betriebsweise) vom Typ LDF für vier Minuten homogenisiert. Danach wurde die Dispersion in einen gerührten Behälter überführt und über eine pneumatische Pumpe homogenisiert. Das Produkt wurde jeweils in den Vorlagebehälter zurückgefahren. In einem ersten Schritt wurde das Produkt im Kreis BMS 10 1 120
- 1 5 - gepumpt, in einem zweiten Schritt über eine Düse mit 1 ,4 mm Durchmesser mit einem Durchsatz von 200 kg/h.
Die Probe 1 -1 wurde entnommen.
Schritt 3a: Homogenisierung der Vordispergierung bis zum Überschreiten des Viskositätsmaximums
5610 Gramm der im Schritt 2. hergestellten Dispergierung wurden im Strahldispergator mit verschiedenen Düsen (Durchmesser der Düsen und Anzahl der Düsenbohrungen siehe Tabelle 1) dispergiert. Nach der Passage der Düse wurde das Produkt wieder in den Hauptbehäiter zurückgefühlt. Hierbei wurden der sich einstellende Druck gemessen sowie der Durchsatz durch Auslitern.
Nach den einzelnen Schritten wurden Proben entnommen und die Viskositäten bestimmt. Diese wurden mit einem Rheometer des Typs„Physica MCR 301" in einem Couette-Spalt bei T 25 °C bestimmt. Es wurden zunächst Schergeschwindigkeiten zwischen 0,01 bis 100 reziproken Sekunden eingestellt, mit ansteigender Scherrate.
Die nachfolgende Tabelle 1 gibt einen Überblick über die einzelnen Schritte und die gemessenen Viskositäten bei 0,1/s, 1/s und 10/s. Bei der Durchführung des Versuches fiel auf, dass die Proben 1 -4 und 1 -5 viel dünnflüssiger waren als die Probe 1 -1 , 1 -2 und 1 -3.
Tabelle 1 . Effekt der Viskositätserniedrigung bei einer LSSNa-haltigen CNT -Dispersion
Fig. 1 zeigt die Viskositätswerte aus der Tabelle 1 in grafischer Form. BMS 10 1 120
- 16 -
Beispiel 2 (Effekt der Viskositätserniedrigung ):
Schritt 1.: Hersteilung der Mischung
2275 Gramm Wasser wurden in einem 3 Liter-Becherglas vorgelegt und 100 g Polyvinylpyrrolidon 40T („PVP 401") der Fa. Sigma-Aldrich Chemie GmbH, Deutschland, unter Rühren mit einem Kreuzbalkenrührer mit Durchmesser 60 mm und 500/min Umdrehungszahl gelöst. 125 Gramm CNT Baytubes® C 150P wurden zugegeben.
Schritt 2.: Vordispergierung
Mit der Kotthoff- Mischsirene wurde die Mischung analog Beispiel 1 vier Minuten homogenisiert. Danach wurde das Produkt in einen Rührbehälter überführt, in einem ersten Schritt wurde das Produkt im Kreis gepumpt, in einem zweiten Schritt über eine Düse mit 1,4 mm Durchmesser mit einem Durchsatz von 200 kg/h.
Schritt 3a: Homogenisierang der Vordispergierung bis zum Überschreiten des Viskositätsmaximums
2282 Gramm der in der Vordispergierung hergestellten Dispersion wurden im Strahldispergator mit verschiedenen Düsen (Durchmesser der Düsen und Anzahl der Düsenbohrungen siehe Tabelle 2) dispergiert. Nach der Passage der Düse wurde das Produkt wieder in den Hauptbehälter zurückgeführt.
Die nachfolgende Tabelle 2 gibt einen Überblick über die einzelnen Schritte und die gemessenen Viskositäten bei 0, 1/s, 1/s und 10/s.
Tabelle 2. Effekt der Viskositätserniedrigung bei einer PVP 40T -haltigen CNT -Dispersion
Anzahl DurchViskosität bei
Proben- Düsenmesser Druck Zeit Durchsatz Durchsatz 0, 1 /s 1/s 10/s
Nr. bohrungen Düsen 1. 2.
Messung Messung
mm bar min kg/h kg/h Pa*s Pa*s Pa*s
2-1 2 1 ,4 50 15 217 200 50,2 5,94 1 ,76
2-2 4 0,75 40 15 199 202 50,1 4,98 1 ,24
2-3 1 0,6 150 15 192 195 5,37 1 ,95 0,628
2-4 1 0,4 240 15 1 12 1 13 0,308 0, 163 0, 101
2-5 1 0,3 270 15 78 80 0,342 0, 169 0, 101 BMS 10 1 120
- 17 -
Fig. 2 zeigt die Viskositätswerte aus der Tabelle 2 in grafischer Form.
Beispiel 3 : Erfindungsgemäße Herstellung einer LSSNa -haltigen Dispersion von Kohlenstoffnanoröhren Schritt 1.: Herstellung der Mischung
5160 Gramm destilliertes Wasser, 360 Gramm LSSNa und 300 g Baytubes® C 150 P wurden in einem Behälter angesetzt.
Schritt 2. Vordispergierung
Die in Schritt 1 hergestellte Mischung wurde mit der Kotthoff-Mischsirene (siehe Beispiel 1) vom Typ LDF für vier Minuten homogenisiert. Danach wurde die Dispersion in einen gerührten Behälter überführt und über eine pneumatische Pumpe homogenisiert. Das Produkt wurde jeweils in den Vorlagebehäiter zurückgefahren. In einem ersten Schritt wurde das Produkt im Kreis gepumpt, in einem zweiten Schritt über eine Düse mit 1,4 mm Durchmesser mit einem Durchsatz von 200 kg/h.
Schritt 3. Herstellung der Erstdispersion
5547 Gramm der in Schritt 2) hergestellten Dispergierung wurden im Strahldispergator mit verschiedenen Düsen (Durchmesser der Düsen und Anzahl der Düsenbohrungen siehe Tabelle 2) dispergiert. Nach der jeweiligen Passage der Düse, wobei die in Tabelle 3 angegebenen Verfahrensparameter eingestellt wurden, wurde das Produkt jeweils wieder in den Hauptbehälter zurückgeführt.
Tabelle 3.
Nach der Passage c), also in der Probe Nr. 3-4, wurde der Effekt der Erniedrigung der Viskosität beobachtet. BMS 10 1 120
- 18 -
Nachdosierung und -dis ergierung
Nach der Passage c) wurden noch einmal 54 Gramm CNT dem Hauptbehälter zugegeben. Diese Mischung wurde dann nacheinander mit der Prozedur bestehend aus den Passagen
d) 25 Minuten im Strahldispergator mit 2 Düsen, 1 ,4 mm
e) 25 Minuten im Strahldispergator mit 4 Düsen, 0,75 mm
f) 25 Minuten im Strahldispergator mit 1 Düse, 0,6 mm
homogenisiert. Auch dort wurde das Produkt jeweils im Kreis in den Pufferbehälter zurückgefahren. Nach der Zugabe der CNT während der Passage d) wiederum eine Erhöhung der Viskosität beobachtet, die jedoch weniger ausgeprägt war aufgrund der geringeren undisp ergierten CNT-Menge (1 Gew.%) als zum Start der Hauptdispergierung (5 Gew.%). Währen der weiteren Passagen wurde wiederum der Effekt der Viskositätserniedrigung beobachtet.
Diese Prozedur der Nachdosierung und -homogenisierung wurde entsprechend der oben beschriebenen Prozedur bestehend aus Nachdosierung und den Passagen d) - fj noch zweimal wiederholt. Auch hierbei wurden jeweils nach Zugabe eine Zunahme der Viskosität beobachtet und wiederum eine Abnahme im weiteren Verlauf. Es wurden also insgesamt 162 Gramm CNT in drei Schritten hinzugegeben.
Schritt 4. Herstellung der Enddispersion
Ausgehend von der Erstdispersion, die nach dem dritten Schritt der Nachdosierung erhalten wurde, wurde abschließend über eine Düse mit 0,4 mm Durchmesser für 60 Minuten homogenisiert. Hierbei erhielt man die Probe 3-5.
Abschließend wurde die Probe geteilt, jeweils auf 59°C erwärmt und zweimal bei einem Druck von 1000 bar über eine Düse mit 0,2 mm Durchmesser gefahren, ohne Rückvermischung. Nach Widervereinigung der Teile wurde die Probe 3-6 erhalten.
Die Partikeigröße der Probe 3-6 wurde mit Hilfe von Laserbeugung mit einem Mastersizer 2000 Hydro S der Firma Malvem bestimmt. Der mit diesem Verfahren bestimmte D90 - Wert betrug 1,62 Mikrometer, eine sehr gute Dispergierqualität. Der Feststoffgehait wurde mittels einer Trockenwaage bestimmt. Er lag bei 14,1 Gew-% bezogen auf das Gesamtgewicht der Dispersion. Der Gehalt an CNT beträgt 7,9 Gew.-% CNT / Gesamtgewicht der Dispersion.
Die Viskosität der Probe 3-6 wurde nach einer Woche mit einem Rheometer des Typs„Physica MCR 301" in einem Couette-Spalt bei T 25 °C bestimmt. Es wurden zunächst Schergeschwindigkeiten BMS 10 1 120
- 19 - zwischen 0,01 bis 100 reziproken Sekunden eingestellt, mit ansteigender Scherrate. Die Viskositäten betragen:
Nach dem oben beschrieben Verfahren wurden an der getrockneten Dispersion Leitfähigkeiten bestimmt. Die Leitfähigkeit von fünf Quadraten 1 cm * 1 cm - Quadrates mit 0,5 Milligramm CNT wurde gemessen und Werte zwischen 30,8 Ohm und 43,9 Ohm bestimmt, der Mittelwert lag bei 37,4 Ohm. Bei einer Schichtdicke von 4 Mikrometer entspricht das einer Leitfähigkeit von etwa 6700 Siemens pro Meter.
Beispiel 4: Erfindungsgemäße Herstellung einer PVP-haltigen Dispersion von Kohlenstoffnanoröhren
Verwendung fand die Apparatur, die in Fig. 3 dargestellt ist. Ein Rührbehälter 1 hat am Austrag eine Pumpe 2, die das Produkt im Rührbehälter 1 über ein Druckhalteventil 3 wieder zuführen kann. Weiterhin kann es der Hochdruckpumpe 4 zufließen. Normalerweise wird der Durchsatz der Pumpe 2 höher sein als der Durchsatz der Hochdruckpumpe 4, wodurch die Möglichkeit besteht, über das Druckhalteventil 3 den Vordruck der Hochdruckpumpe 4 einzustellen. Der Teil des Produktes, der über die Hochdruckpumpe 4 geht, kann über eine oder mehrere hintereinandergeschaltete Düsen abgebaut werden, in diesem Fall handelte es sich um zwei federbelastete Ringspaltdüsen 5 und 6. Der Rührbehälter 1 hat eine Möglichkeit, von oben Feststoffe und Flüssigkeiten nachzudosieren.
Schritt 1.: Herstellung der Mischung
8509 Gramm destilliertes Wasser, 573 Gramm Polyvinylpyrrolidon K 30 („PVP K30") der Fa. Sigma- Aldrich Chemie GmbH, Deutschland, und 478 g Baytubes® C 150 P wurden in einem Behälter angesetzt.
Schritt 2. Vordispergierung BMS 10 1 120
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Diese Mischung wurde mit einer Kotthoff-Mischsirene vom Typ LDI für vier Minuten homogenisiert. Danach wurde die Dispersion in einen gerührten Behälter überführt und über eine pneumatische Pumpe homogenisiert. Das Produkt wurde jeweils in den Vorlagebehälter zurückgefahren, in einem ersten Schritt wurde das Produkt im Kreis gepumpt, in einem zweiten Schritt über eine Düse mit 1 ,4 mm Durchmesser mit einem Durchsatz von 200 kg/h.
Schritt 3. Herstellung der Erstdispersion
Die Mischung wurde anschließend in den Rührbehälter 1 überführt. Die Pumpe 2 wurde angefahren und der Druck nach der Pumpe 2 mit dem Ventil 3 auf ungefähr 2 bar eingestellt. Danach wurde die Hochdruckpumpe 4 angefahren und der Druck nach der Hochdruckpumpe 4 über das Ventile 5 auf 1200 bar und der Druck nach dem Ventil 5 über das Ventil 6 auf etwa 200 bar eingestellt. Der Druckverlust über das Ventil 5 war also etwa 1000 bar und über das Ventil 6 etwa 200 bar. Der Durchsatz der Hodchdruckpumpe 4 betrug die ganze Zeit zwischen 110 und 120 Litern pro Stunde.
Nachdosierung und Nachdispergierung
20, 25, 30, 35, 40, 55, 60, 65, 70, 75, 80 und 85 Minuten nach dem Anfahren wurde jeweils 37 Gramm CNTs über einen Zeitraum von etwa einer Minute zugegeben.
Schritt 4. Herstellung der Enddispersion
Nach der letzten Zugabe von CNT wurde der Versuch mit den in Schritt 3. beschriebenen Parametern weitere 80 min gefahren und dann abgefahren.
Der effektive Durchsatz der Anlage betrug also 9 Liter / 165 Minuten = 3,2 Liter pro Stunde.
Feststoffgehalt der Enddispersion gemäß Beispiel 4: 14,4 Gew.-% bezogen auf das Gesamtgewicht der Dispersion. Der Gehalt an CNT beträgt 8,9 Gew.-% CNT / Gesamtgewicht der Dispersion.
Die Partikelgrößen wurden wie oben angegeben bestimmt. Der D90-Wert betrug 1 ,7 Mikrometer.
300

Claims

BMS 10 1 120 - 21 Patentansprüche 1 ) Verfahren zur Herstellung einer Kohlenstoffhanoröhren-haltigen Dispersion gelöst, welches folgende Schritte umfasst:
1. Herstellung einer Mischung aus Dispersionsmittel, Dispergierhilfsmittei und optional Kohienstofihanoröhren,
2. wenn in Schritt 1 Kohlenstoffhanoröhren zugefügt wurden, optional Vordispergierung der Mischung aus Schritt 1 ,
3. Dispergierung der Mischung aus Schritt 1 oder der vordispergierten Mischung aus Schritt 2, wobei diese Dispergierung mit einem Hochdruckhomogenisator durchgeführt wird und wobei die Mischung während dieser Dispergierung ganz oder teilweise im Kreis geführt wird, wobei diese Dispergierung dadurch gekennzeichnet ist, dass der Mischung während dieser Dispergierung kontinuierlich oder diskontinuierlich weitere CNT-Agglomerate hinzugefügt werden, wobei eine Erstdispersion erhalten wird,
4. weiteren Dispergierung der i n S c hri tt 3 e rha lt e n e n Er s td i s p e r s i o n i m Hochdruckhomogenisator unterworfen, optional in Kreisfahrweise, wobei eine Enddispersion erhalten wird.
2) Verfahren gemäß Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugabe der weiteren CNT- Agglomerate in Schritt 3) zu einem Zeitpunkt erfolgt, in dem die Viskosität der Dispersion ein Maximum überschritten hat.
3) Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Enddispersion mit einer Konzentration größer als 5 Gew-% CNT bezogen auf die Gesamtmasse der Dispersion erhalten wird und der effektive Durchsatz größer als 2 Liter pro Stunde ist.
4) Enddispersion von Kohienstoffnanoröhren erhältlich nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an CNT an der Gesamtmasse der Dispersion > 5 Gew-%, bevorzugt mehr als 5,5 Gew-%, insbesondere bevorzugt mehr als 6 Gew-% beträgt.
5) Enddispersion von Kohienstoffnanoröhren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der D90-Wert, gemessen mittels Laserbeugungsspektrometrie, kleiner als 5 Mikrometer ist. BMS 10 1 120
- 22 -
6) Enddispersion von Kohlensioffnanoröhren gemäß Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Dispergierhilfsmittel ausgewählt ist aus der Gruppe enthaltend polymer Dispergierhilfsmittel.
7) Enddispersion von Kohlenstoffhanoröhren gemäß einem der Ansprüche 4 - 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstoffhanoröhren Kohlenstoffhanoröhren vom Multiscroll-Typ enthalten.
8) Enddispers ion von Kohlenstoffhanoröhren gemäß einem der Ansprüche 4 - 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolilenstoffnanoröhreii ganz oder teilweise tunktionalisiert sind.
9) Verwendung der Enddispersion gemäß einem der Ansprüche 4 - 9 als leitfähige Be Schichtungen oder Tinten oder als Precursormaterialien zur Herstellung von Polymerwerkstoffen.
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