JP4768633B2 - ナノスケールの酸化亜鉛を含有する、分散液及びコーティング組成物 - Google Patents

ナノスケールの酸化亜鉛を含有する、分散液及びコーティング組成物 Download PDF

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Description

本発明は、ナノスケールの酸化亜鉛を含有する分散液、コーティング組成物、前記分散液及び前記コーティング組成物の製造方法並びに前記コーティング組成物の使用に関する。
基材、例えば木材、PVC、プラスチック、鋼、アルミニウム、亜鉛、銅、ガラス、コンクリートを、ペイント及び塗料の形にある透明なコーティングの塗布により保護することは公知である。これらの保護は通常はこの内部領域に限定され、というのはこの透明なコーティングはUV安定性ではないからである。UV光は、前記コーティングを通じて通過し、前記コーティングもこの下にある基材も損なうか、又は最悪の場合には破壊さえもする。
公知技術には、透明な、UV耐性のコーティングの製造のための様々な試みが記載されている。しかしながら発明者には、耐UV性の保護を同時の透明性でもって保証する系は公知ではない。
本発明の課題は従って、透明な、UV耐性のコーティングを、特に外部領域で使用される基材のために提供することである。更に、外部領域での適用の際の公知技術に記載された不利な点、例えば割れ及び前記基材に対する弱まる結合又は基材の変色は、より一層減少されることが望ましい。
本発明の対象は、分散液であって、10〜200m/gのBET表面積、前記分散液中で300nmより小さい平均二次粒子径を有する酸化亜鉛粉体、及びこの分散液の総量に対して0.1〜60質量%、有利には1〜10質量%の固体含量を有し、かつこの分散液が少なくとも1つの添加剤を含有する分散液である。
本発明による分散液は、水性であるか又は有機性であってよく、又は水及び有機溶媒を液相として有する混合物からなり、その際全ての場合においてただ1つの液相が存在する。水性とは、前記液相の主な割合が水からなることを理解されたい。有機性とは、この液相が主に又は唯一、少なくとも1つの有機溶媒からなることを理解されたい。適した有機溶媒は、エタノール、メタノール、プロパノール、ブタノール、アセトン、エチルアセタート、ブチルアセタート、アルカン及び/又はエーテルであってよい。前記有機溶媒は、反応性希釈剤、例えばヘキサンジオールジアクリラート又はトリプロピレングリコールジアクリラートであってもよい。
本発明の意味合いにおいて、水性分散液が有利である。
本発明による分散液は添加剤を含有する。前記添加剤は、分散助剤、乳化剤、pH値調節性物質及び/又は安定剤であってよい。有利には、前記添加剤は、Na−ポリホスファート、アスコルビン酸、クエン酸、6−アミノヘキサン酸、ステアリン酸及び/又はポリアクリル酸の塩、特にナトリウム塩であってよい。前記添加剤は有利には、前記分散液の液相に対して0.1〜5質量%、特に有利には0.5〜1.5質量%の量で存在する。
本発明の分散液中に存在する酸化亜鉛の種類は、これが10〜200m/gのBET表面積及び前記分散液中で300nmより小さい平均二次粒子径を有する点のみで制限される。
有利には、本発明による分散液は、10〜200m/gのBET表面積及び前記分散液中で300nmより小さい平均二次粒子径を有し、かつ異方性の一次粒子のアグリゲートの形で存在する酸化亜鉛を含有する。
係る酸化亜鉛はDE−A10212680に記載されている。異方性とは、3つの空間軸に沿ったこの原子の配置が相違することを理解されたい。異方性の一次粒子として例えば、針状、塊状、又はプレート状のものを理解されたい。特に前記アグリゲートは、塊状の一次粒子及び針状の一次粒子からなる混合物から存在してよく、その際塊状/針状の一次粒子の割合は、99:1〜1:99にあってよい。前記の酸化亜鉛の塊状の一次粒子は有利には、10〜50nmの平均直径を有し、前記の針状の一次粒子は有利には、100nm〜2000nmの長さ、10nm〜100nmの幅を有する。前記酸化亜鉛粉体のアグリゲートは、0.5よりも小さい形状係数F(Circle)により定義された、更に異方性の構造を有してよい。このサイズF(Circle)は、理想の円形からの、アグリゲートの逸脱を記す。F(Circle)は、理想の円形の物体に関して1である。この値が小さくなるほど、この物体の構造は更に理想の円形から遠ざかる。このパラメーターの定義は、ASTM3849−89に従って行われる。前記酸化亜鉛は、その表面で、Zn−OH及び/又はZn−OH2ユニットの形で、脱着可能でない湿分として少なくとも40%の酸素濃度を有してよい。この測定は、532〜533eV及び534〜535eVでの酸素シグナルのXPS−分析(XPS=レントゲン光電子分光法)により行われる。この酸化亜鉛粉体の嵩密度は、40〜120g/lであってよい。
更に、本発明による分散液において、出願日2003年9月22日の出願番号10342728.2を有するドイツ国特許出願におけるのと同様に酸化亜鉛粉体は存在してよい。この際これは、10〜200m/gのBET表面積を有する熱分解により製造した酸化亜鉛粉体であり、前記粉体はアグリゲートの形で存在し、その際前記アグリゲートが、様々な形態を有する粒子から構成されていて、かつその際前記アグリゲートが、0〜10%まで円状の形で、30〜50%まで楕円状の形で、30〜50%まで線形の形で、20〜30%まで分枝した形で存在する。
この際、粒子とは、本発明の意味合いにおいて、熱分解による製造工程において一次的に形成された粒子を理解されたい。これらは更に反応の間に焼結面の形成下で、アグリゲートへと一緒になる。この際、様々な形態を有する粒子からこのアグリゲートが構成されることが重要である。定義によればアグリゲートは、同じ又は大体同じである粒子、一次粒子から構成されている(DIN53206)。前記酸化亜鉛粉体はこれに対して、様々な形態の粒子からなるアグリゲートを有し、従って一次粒子とは呼ばれない。形態とは、等方性の粒子も、異方性の粒子も理解されたい。例えば、球状である粒子又はより一層球状である粒子、塊状である粒子、ロッド状である粒子又は針状である粒子であってもよい。前記アグリゲートが、様々な粒子からなり、かつこの粒子が焼結面により相互に結合していることが重要である。前記酸化亜鉛粉体のBET表面積は、20〜60m/gであってよい。
本発明による酸化亜鉛粉体のアグリゲートは、円状の形で、楕円状の形で、線形の形で、及び分枝した形で存在する。有利には、楕円状の形及び線形の形に関して30〜40%の大体同じ大きさの割合、及び20〜25%の分枝した形及び2〜6%の円形の形に関してより少ない割合を有する酸化亜鉛粉体が有利である。
前記酸化亜鉛粉体は、DIN ISO 787/11によれば、少なくとも50g/lのタップ密度を有してよい。
更に、前記酸化亜鉛粉体が、10000nmより小さい平均のアグリゲート投影面積、100nmより小さい相当円直径、及び600nmより小さい平均周を有するアグリゲートからなることが可能である。これらのサイズは、TEM撮影からの約1000〜2000つのアグリゲートの画像分析により得られてよい。特に有利には、2000〜8000nmの平均のアグリゲート投影面積、25〜80nmの相当円直径(ECD)及び200〜550nmの平均周を有する酸化亜鉛粉体であってよい。
酸化亜鉛粉体の代わりに本発明による分散液は、疎水化した酸化亜鉛粉体を含有してもよい。この酸化亜鉛の疎水化のために以下の化合物を使用してよい:
a)以下の種類のオルガノシラン
Figure 0004768633
b)以下の種類のオルガノシラン
Figure 0004768633
c)以下の種類のハロゲンオルガノシラン
Figure 0004768633
d)以下の種類のハロゲンオルガノシラン
Figure 0004768633
e)以下の種類のハロゲンオルガノシラン
Figure 0004768633
f)以下の種類のオルガノシラン
Figure 0004768633
g)以下の種類のオルガノシラン
Figure 0004768633
Figure 0004768633
h)以下の種類のハロゲンオルガノシラン
Figure 0004768633
i)以下の種類のハロゲンオルガノシラン
Figure 0004768633
j)以下の種類のハロゲンオルガノシラン
Figure 0004768633
k)以下の種類のシラザン
Figure 0004768633
l)D3、D4、D5の種類の環式ポリシロキサン、その際、
−O−Si(CH−の種類のユニットを3、4、又は5つ有するD3、D4、及びD5の環式のポリシロキサン。例えば:
オクタメチルシクロテトラシロキサン=D4
Figure 0004768633
m)以下の種類のポリシロキサン又はシリコーンオイル
Figure 0004768633
Figure 0004768633
特に有利には、本発明による分散液は、オクチルトリメトキシシラン又はポリジメチルシロキサンで疎水化した酸化亜鉛粉体を含有してよい。
前記の疎水化した酸化亜鉛粉体は有利には、10〜50m/gのBET表面積を有してよい。
特に有利には、前記の疎水化した酸化亜鉛粉体は、18±5m/gのBET表面積及び0.5〜10質量%の炭素含量を有してよい。これらの粉体、及びその製造は2003年8月22日付けのヨーロッパ特許出願EP03018678−7の対象である。
前記の疎水化した酸化亜鉛粉体は、室温での、表面改質性物質の前記酸化亜鉛粉体への吹付け(前記酸化亜鉛粉体は場合により水で吹き付けられている)、及び1〜6時間にわたる50〜400℃での引き続く加熱処理により得られてよい。
これはまた、場合により水で吹き付けられている酸化亜鉛粉体を、表面改質性物質の蒸発により処理し、この混合物を引き続き0.5〜6時間にわたる50〜800℃での加熱処理にかけることで得られてもよい。
前記酸化亜鉛粉体は本発明による分散液中で、鉛に関して最高で20ppm、ヒ素に関して最高で3ppm、カドミウムに関して最高で15ppm、鉄に関して最高で200ppm、アンチモンに関して最高で1ppm、及び水銀に関して最高で1ppmの割合を有してよい。
本発明の更なる対象は、本発明による分散液の製造方法である。この際、前記酸化亜鉛粉体を、高エネルギー導入(Energieeintrag)を用いて、分散性の条件下で液状媒体中に導入する。高エネルギー導入は、前記分散液中で300nmよりも少ない、求められる細度の酸化亜鉛粒子を得るべく必要である。
前記添加剤は、前記分散化の前、間、又は後に添加されてよい。前記添加剤は、前記分散液を再アグロメレーション及び沈降物形成に対して保護するものである。この量は、前記分散液中の酸化亜鉛に関する含量に依存し、かつ前記分散液が、より長い経路を介して輸送され従って沈降安定性であることが望ましいか、又は前記分散液がその製造直後に、更に加工されることが望ましいかとの問いに依存する。
適した分散装置、これは高エネルギー導入をもたらすが、ローター・−ステーター機械、遊星型ニーダー、超音波装置、又は高圧ホモジェナイザー、例えばNanomizer(R)−系、又はUltimizer(R)−系であってよい。
本発明の更なる対象は、本発明による分散液及び少なくとも1つの結合剤を含有する、コーティング組成物である。
適した結合剤は、ポリアクリラート、ポリウレタン、ポリアルキド、ポリエポキシド、ポリシロキサン、ポリアクリロニトリル、及び/又はポリエステルであってよい。1つ又はそれ以上の反応性希釈剤を、液相として有する分散液では、結合剤として脂肪族のウレタンアクリラート、例えばLaromer(R)LR8987,BASFが特に適していてよい。
特に有利には、前記の本発明によるコーティング組成物は、ポリアクリラート及び/又はポリウレタンを含有してよい。
前記コーティング組成物中の前記結合剤の割合は、有利には0.1〜50質量%にある。特に有利には、1〜10質量%の範囲である。
前記コーティング組成物中での酸化亜鉛に関する割合は、有利には0.1〜60質量%にある。特に有利には、1〜10質量%の範囲である。
更に、前記コーティング組成物は、この塗布の間に前記コーティング組成物のレオロジーを変更させるための化合物を含有してよい。特に有利には、二酸化ケイ素を含有する充填剤であり、その際熱分解により製造された二酸化ケイ素が特に有利である。この量は有利には、総コーティング組成物に対して0.1〜20質量%であってよい。
更に、前記コーティング組成物は有機溶媒、例えばエタノール、酢酸ブチル、酢酸エチル、アセトン、ブタノール、THF、アルカン又は2つ又はそれ以上の前述の物質からなる混合物を、前記の総コーティング組成物に対して1質量%〜98質量%の量で含有してよい。
本発明の更なる対象は、本発明による分散液を、分散性の条件下で、結合剤に添加する、本発明によるコーティング組成物の製造方法である。
本発明の更なる対象は、木材、PVC、プラスチック、鋼、アルミニウム、亜鉛、銅、MDF、ガラス、コンクリートからなる基材のコーティングのための本発明によるコーティング組成物の使用である。
前記の本発明による分散液及びコーティング組成物の使用の際の、公知技術による分散液及びコーティング組成物に対する、外部領域での使用の際の利点は:
−基材の、透明な、UV耐性のコーティング
−前記コーティングの極めて少ない黄変
−前記基材の変色なし
−より高い耐引掻性
−前記コーティングの著しくより少なく際だった割れ形成、脆化、及び剥離
である。
実施例:
酸化亜鉛−分散液 D−1:
DE−A−10212680により製造された、20m/gのBET表面積を有する酸化亜鉛粉体を使用した。
50gの水(前記水に0.1質量%のポリアクリル酸をナトリウム塩の形で添加している)に、撹拌下で、53.5質量%までの酸化亜鉛粉体を少量ずつ添加し、それぞれ1分間、超音波フィンガー(Ultraschallfinger)(直径:7mm、装置:超音波処理機 UP 400s、出力:400W、Dr. Hielscher)を用いて分散させた。前記分散液は常に流動性であった。終濃度53.3質量%の達成後、酸化亜鉛を2分間水冷下で後分散させた。
前記分散液は30日間後でさえもなお流動性であり、沈降物を示さず、かつ従って良好にハンドリング可能であった。このpH値は、約10であった。このアグリゲート−粒子分割(体積分割)はPCSによればd50=180nmであった。
酸化亜鉛−分散液 D−2:D−1と同様ではあるが、10質量%の充填率での製造。
酸化亜鉛−分散液 D−3:D−2と同様ではあるが、疎水化した酸化亜鉛粉体及び50:50の水−エタノール混合物(体積割合)を水の代わりに使用した製造。前記の疎水化した酸化亜鉛粉体は、出願番号3018678.7を有する、2003年8月22日付けのヨーロッパ特許出願に従って得た。これは、18m/gのBET表面積及び0.6%の炭素含量を有する、オクチルトリメトキシシランで疎水化した酸化亜鉛粉体であった。
アクリル/ポリウレタンベースのコーティング組成物 B−2A/PU:
前記酸化亜鉛分散液D−2を分散性の条件下で、市販のアクリル/ポリウレタン−結合剤組成物に添加し、これにより2質量%の酸化亜鉛分散液に関する割合を有するコーティング組成物が生じた。
アクリルベースのコーティング組成物 B−2A:
B−2A/PUの際と同様であるが、市販のアクリル結合剤組成物の使用下での実施。
アクリル/ポリウレタンベースのコーティング組成物 B−3A/PU:
前記酸化亜鉛分散液D−3を分散性の条件下で、市販のアクリル/ポリウレタン−結合剤組成物に添加し、これにより2質量%の疎水化した酸化亜鉛−分散液に関する割合を有するコーティング組成物が生じた。
アクリルベースのコーティング組成物 B−3A:
B−3A/PUの際と同様であるが、市販のアクリル結合剤組成物の使用下での実施。
木材のコーティングの際のUV耐性:
実施例B−2A/PU及びB−2Aからのコーティング組成物を用いて、それぞれ3つのマツ材試験体(プライマー(Relius Aqua Holz Grund)で予備処理した)を、コーティングした(QW−B 313;DIN EN 927−6,ISO 11507,ASTM D 4857)。比較として、アクリル/ポリウレタンベースの酸化亜鉛不含のコーティング組成物(Relius Aqua Holz Grund)を用いたマツ材試験体を使用した。
1000時間の試験時間後、実施例B−2AP及びB−2Aからの酸化亜鉛含有コーティングは、酸化亜鉛不含のコーティングとは対照的に、明らかにより少なくなった黄変、明らかにより高まった光沢を示し、かつこのコーティングに脆化又は割れを示さなかった。
これらの結果は、DIN−EN 927−1による実地試験を用いて確認された。
ガラスのコーティングの際の硬度:
実施例B−2A/PU及びB−2Aからのコーティング組成物、並びに比較としてのアクリル/ポリウレタンベースの酸化亜鉛不含のコーティング組成物(Relius Aqua Siegel Gloss)は、150μmの層厚で、ガラスプレートに塗布された。この硬度は、1、6、13及び34日間の乾燥時間後に、通常の実験室条件(20℃、65%RH)(DIN ISO 1522)で決定された。実施例B−2AP及びB−2Aから生じた層の硬度は、比較例のものの硬度よりも100%までより高かった。
コーティングした金属プレートでの光沢及び白色度:
金属プレートを、白色塗料で予備処理した。引き続き、前記のコーティング組成物B−2A、B−2A/PU、B−3A及びB−3A/PU及び市販のコーティング組成物を、有機UVフィルターで処理し、55日間DIN53231に従って放射した。
有機UVフィルターを用いた試験体のBergerに従った白色度は、前記の時間の後、81.5を有し、その一方で本発明による組成物B−2A及びB−3Aを有する試験体は、86.5又は86の値を有した。
光沢(光沢角60゜)は、前記の時間後に、本発明による組成物B−2A/PU及びB−3A/PUでは、7〜10倍、比較試験体での光沢よりも高かった。
公知技術による酸化亜鉛粉体を含有する分散液に対する、UV吸収及び透明性
超音波分散機を用いて、それぞれ0.1質量%の、酸化亜鉛の分散液(D4〜D7)を、水中で製造し、これらの分散液のUV−VISスペクトルを記録した(層厚1mm)。
分散液D4(本発明による)は、出願番号10342728.2を有する、出願日2003年9月22日付けのドイツ国特許出願に記載された、25m/gのBET表面積を有する酸化亜鉛粉体を含有する。
分散液D5(比較)は、BET表面積34m/gを有する酸化亜鉛粉体ZnO−410(Sumitomo Osaka)を含有する。
分散液D6(比較)は、BET表面積19m/gを有する酸化亜鉛粉体Z−Cote(R)(Nanophase)を含有する。
分散液D7(比較)は、BET表面積17m/gを有する酸化亜鉛粉体Zinvisible(R)(Zinc Corp. of America)を含有する。
図1は、本発明による分散液D4が、UV−A領域に高い吸収を、同時に高い透明性でもって有することを示す。分散液D5〜D7との比較において、本発明による分散液D4は、少なくとも比較可能な良好なUV吸収で、透明性における著しい利点を有する。これは特に、分散液D5(この酸化亜鉛粉体は本発明による分散液D4の酸化亜鉛粉体よりもより高いBET表面積を有する)との比較の際に、意外なものである。

Claims (15)

  1. ポリアクリラート及び/又はポリウレタンを結合剤として含有するコーティング組成物において使用するための、酸化亜鉛粉体を含有する分散液であって、前記酸化亜鉛粉体が10〜200m/gのBET表面積、前記分散液中で300nmより小さい平均二次粒子径、及びこの分散液の総量に対して0.1〜60質量%の固体含量を有し、かつこの分散液が少なくとも1つの添加剤を含有し、その際、添加剤がポリアクリル酸の塩であることを特徴とする、酸化亜鉛粉体を含有する分散液。
  2. 前記分散液が水性であることを特徴とする、請求項1記載の分散液。
  3. 前記酸化亜鉛が、異方性の一次粒子のアグリゲートの形で存在することを特徴とする、請求項1又は2記載の分散液。
  4. 前記酸化亜鉛がアグリゲートの形で存在し、その際前記アグリゲートが様々な形態を有する粒子から構成されていて、かつその際前記アグリゲートが、
    −0〜10%まで円状の形で
    −30〜50%まで楕円状の形で、
    −30〜50%まで線形の形で、
    −20〜30%まで分枝した形で
    存在することを特徴とする、請求項1又は2記載の分散液。
  5. 前記酸化亜鉛粉体が疎水化されていることを特徴とする、請求項1から4までのいずれか1項記載の分散液。
  6. 前記の疎水化した酸化亜鉛粉体が、オクチルトリメトキシシラン又はポリジメチルシロキサンで疎水化した酸化亜鉛粉体であることを特徴とする、請求項5記載の分散液。
  7. 前記の疎水化した酸化亜鉛粉体が、18±5m/gのBET表面積及び0.5〜1.0質量%の炭素含量を有することを特徴とする、請求項5又は6記載の分散液。
  8. 前記酸化亜鉛粉体が、鉛に関して最高で20ppm、ヒ素に関して最高で3ppm、カドミウムに関して最高で15ppm、鉄に関して最高で200ppm、アンチモンに関して最高で1ppm、及び水銀に関して最高で1ppmの割合を有することを特徴とする、請求項1から7までのいずれか1項記載の分散液。
  9. 請求項1から8までのいずれか1項記載の分散液及び少なくとも1つの結合剤を含有し、その際、結合剤が、ポリアクリラート及び/又はポリウレタンである、コーティング組成物。
  10. 結合剤に関する割合が、0.1〜50質量%であることを特徴とする、請求項記載のコーティング組成物。
  11. 酸化亜鉛に関する割合が、0.1〜60質量%であることを特徴とする、請求項又は10記載のコーティング組成物。
  12. 付加的に、レオロジーを変更させるための化合物を含有することを特徴とする、請求項から11までのいずれか1項記載のコーティング組成物。
  13. 有機溶媒を含有することを特徴とする、請求項から12までのいずれか1項記載のコーティング組成物。
  14. 請求項1から8までのいずれか1項記載の分散液を、分散性の条件下で、結合剤に添加することを特徴とする、請求項から13までのいずれか1項記載のコーティング組成物の製造方法。
  15. 木材、PVC、プラスチック、鋼、アルミニウム、MDF、亜鉛、銅、ガラス又はコンクリートのコーティングのための、請求項から13までのいずれか1項記載のコーティング組成物の使用。
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