KR20080072065A - 산화 아연 나노입자 - Google Patents

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KR20080072065A
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마티아스 코흐
게르하르트 욘슈커
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메르크 파텐트 게엠베하
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Abstract

본 발명은 3 내지 50 nm 범위의 평균 입자 크기를 갖는 산화 아연 나노입자의 제조 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 a) 나노입자에 대한 하나 이상의 전구체를 알콜에서 반응시켜 나노입자를 산출하는 단계, b) 흡수 에지가 반응 용액의 UV/VIS 스펙트럼에서 목표한 값에 도달했을 때, 실리카에 대한 전구체인 하나 이상의 개질제를 첨가하여 나노입자의 성장을 종료하는 단계, 임의로 c) 실리카 코팅을 유기작용성 실란, 사차 암모늄 화합물, 포스포네이트, 포스포늄 및 설포늄 화합물 또는 그의 혼합물을 포함하는 군으로부터 선택되는 하나 이상의 추가 표면-개질제의 첨가에 의해 개질하는 단계, 및 임의로 d) 단계 a)로부터의 알콜을 제거하고, 그것을 다른 유기 용매로 교체하는 단계를 특징으로 한다. 또한 본 발명은 그렇게 수득된 나노입자 및 중합체에서 UV 차단을 위한 그의 용도에 관한 것이다.

Description

산화 아연 나노입자 {ZINC OXIDE NANOPARTICLES}
본 발명은 개질된 산화 아연 나노입자, 상기 입자의 제조 방법 및 UV 차단을 위한 그의 용도에 관한 것이다.
중합체 매트릭스 내로의 무기 나노입자의 혼입은 예를 들어, 충격 강도와 같은 매트릭스의 기계적 특성에 영향을 미칠 수 있을 뿐만 아니라, 예를 들어, 파장 의존 투과, 색 (흡수 스펙트럼) 및 굴절 지수와 같은 그의 광학적 특성을 또한 개질 시킬 수 있다. 광학적 적용을 위한 혼합물에서, 매트릭스의 굴절 지수와 다른 굴절 지수를 가지는 물질의 첨가는 불가피하게 빛의 산란 및 결국 빛의 불투명성을 야기하기 때문에 입자 크기는 중요한 역할을 한다. 혼합물을 통과하는 일정한 파장의 복사 세기의 감소는 무기 입자의 직경에 따라 매우 다르다는 것을 나타낸다.
게다가 중합체의 거의 대부분은 UV 복사에 민감하며, 중합체가 실제 사용을 위해서는 UV-안정화되어야 한다는 것을 의미한다. 여기서 안정화제로서 대체로 적절한 많은 유기 UV 필터는 불행히도 그 자체가 광안정성이 아니거나 광촉매성 활성이고, 결과적으로는 장기 적용을 위해 적절한 물질에 대한 계속 요구가 지속된다.
적절한 물질은 결과적으로 UV 영역을 흡수해야만 하며, 가시광선 영역에서는 가능한 한 투명성을 나타내고, 중합체 내로 혼입되기 위해 직선성이어야 한다. 그러나 수많은 산화 금속이 UV 광을 흡수하지 않는 한, 그들은 상기 언급된 이유로 가시광선 영역에서 기계적 또는 광학적 특성의 손상없이, 중합체 내로 어렵게 혼입될 수 있을 것이다.
중합체 내 분산액을 위한 적절한 나노물질의 개발은 입자 크기뿐만 아니라, 입자의 표면 특성의 조절까지 요구한다. 소수성 중합체 매트릭스를 갖는 친수성 입자의 간단한 혼합 (예를 들어, 압출 성형에 의한)은 중합체 내 입자의 불균일 분포 및 추가적으로는 그의 응집을 야기한다. 따라서 중합체 내로의 무기 입자의 균일 혼입을 위해, 그의 표면은 적어도 소수성으로 개질되야만 한다. 게다가, 특히 나노입자 물질은 또한 연속적인 표면 처리에도 견디는 응집체를 형성하기 위한 우수한 경향성을 나타낸다.
문헌은 적절한 입자를 제공하기 위한 다양한 접근을 포함한다:
국제 특허 출원 제 WO　2005/070820호는 중합체에서 UV 안정화제로서 적절한 중합체-개질 나노입자를 개시한다. 이러한 입자는 a) 나노입자의 하나 이상의 수용성 전구체 또는 용해물을 포함하는 역유화액이 소수성 라디칼을 함유하는 하나 이상의 단량체 및 친수성 라디칼을 함유하는 하나 이상의 단량체의 랜덤 공중합체의 도움으로 제조되는 단계, 및 b) 입자가 제조되는 단계의 방법에 의해 수득될 수 있다. 이러한 입자는 바람직하게는 라우릴 메타크릴레이트 (LMA) 및 히드록시에틸 메타크릴레이트 (HEMA)로 본질적으로 이루어진 공중합체의 코팅을 갖는 30 내 지 50 nm의 입자 크기를 갖는 ZnO 입자이다. ZnO 입자는 예를 들어, 수성 아연 아세테이트 용액으로부터 염기성 침전물에 의해 수득된다.
국제 특허 출원 제 WO　2000/050503호는 알콜 또는 알콜/물 혼합물에서 하나 이상의 아연 혼합물의 염기성 가수분해에 의한 산화 아연 겔의 제조 과정을 개시하고, 이는 침전물이 산화 아연이 완전히 응집될 때까지 가수분해가 완성되는 동안 초기에 형성되고, 이어서 상기 침전물이 압축되어 겔을 산출하고, 상청액 상으로부터 분리되는 것을 특징으로 한다.
국제 특허 출원 제 WO　2005/037925호는 발광 플라스틱의 제조에 적절한 ZnO 및 ZnS 나노입자의 제조를 기재한다. ZnO 입자는 에탄올성 NaOH 용액으로 아연 아세테이트의 에탄올성 용액으로부터 침전되고, 24시간 숙성 후, 에탄올이 부탄디올 모노아크릴레이트로 교체된다.
국제 특허 출원 제 WO　2004/106237호는 용액의 Kg당 OH 1 내지 10 몰의 히드록사이드 이온 농도를 갖는 메탄올성 칼륨 히드록사이드 용액을 용액의 Kg당 Zn 0.01 내지 5 몰의 아연 이온 농도를 갖는 아연 카르복실산 염의 메탄올성 용액에 OH:Zn의 몰비가 1.5 내지 1.8이 되도록 교반하면서 첨가하고, 첨가가 완료될 때 수득된 침전 용액은 40 내지 65℃의 온도에서 5 내지 50분의 기간에 걸쳐 완성되고, 이어서 25℃ 이하의 온도로 냉각하여 가상 구형인 입자를 산출하는 산화 아연 입자의 제조 과정을 기재한다.
K. Feddern의 논문 ("Synthese und optische Eigenschaften von ZnO Nanokristallen" [Synthesis and Optical Properties of ZnO Nanocrystals], University of Hamburg, June 2002)은 이소프로판올에서 LiOH로 아연 아세테이트로부터의 ZnO 입자 제조를 기재한다. 입자는 암모니아의 존재하에서 테트라에톡시실란과 반응에 의해 소위 "Stober process"로 여기서 SiO2로 코팅될 수 있지만, 여기서 흐린 분산액을 형성한다. 또한 오르토포스페이트 또는 트리부틸 포스페이트 또는 디이소옥틸-포스핀산으로 분산된 ZnO 입자의 코팅이 여기에 기재된다.
그러나 상기 모든 방법에서, 흡수 및 산란 거동의 정밀한 조정 및 입자 크기의 조절은 어렵거나 제한된 범위로만 가능하다.
따라서 분산액에서 수득된 입자가 UV 영역 내 복사는 흡수하지만, 가시광선 영역 내 임의의 복사는 거의 흡수하지 않거나 산란하는, 응집체가 없는 방법이 가능한 어디에서든지, 소형 산화 아연 나노입자가 적절한 표면 개질에 의해 직접적으로 형성될 수 있는 방법을 갖는 것이 요구될 것이다.
놀랍게도, 이는 입자 형성이 개질제의 첨가에 의해 요구되는 시간에 종결되고 관찰되는 경우 가능하다는 것이 발견되었다.
그러므로 본 발명은 우선 a) 나노입자의 하나 이상의 전구체가 알콜에서 나노입자로 전환되는 단계, b) 반응 용액의 UV/VIS 스펙트럼에서 흡수 에지가 목표한 값에 도달할 때, 나노입자의 성장이 실리카의 전구체인 하나 이상의 개질제의 첨가에 의해 종료되는 단계, 및 임의로 c) 단계 a)로부터의 알콜이 제거되고, 다른 유기 용매로 교체되는 단계의 방법에 의해 수득될 수 있는 것을 특징으로 하는, 입자 상관관계 분광기 (PCS) 또는 투과 전자 현미경에 의해 측정된, 3 내지 50 nm 범위 내 평균 입자 크기를 가지고, 입자의 표면이 실리카로 개질되고, 유기 용매 내에 분산된, 산화 아연 나노입자에 관한 것이다.
기재된 방법에 의해 분산된, 존재하는 본 발명에 따른 ZnO 나노입자는 또한 분리될 수 있다. 이는 단계 a)로부터의 알콜을 건조 제거하여 얻을 수 있다.
더욱이 본 발명은 a) 나노입자의 하나 이상의 전구체가 알콜에서 나노입자로 전환되는 단계, b) 나노입자의 성장이 반응 용액의 UV/VIS 스펙트럼에서 흡수 에지가 목표한 값에 도달할 때, 실리카의 전구체인 하나 이상의 개질제의 첨가에 의해 종료되는 단계, 및 임의로 c) 단계 a)로부터의 알콜이 제거되고, 다른 유기 용매로 교체되는 단계를 특징으로 하는, 입자 상관관계 분광기 (PCS) 또는 투과 전자 현미경에 의해 측정된, 3 내지 50 nm 범위 내 평균 입자 크기를 가지고, 유기 용매 내로 분산된, 산화 아연 나노입자의 해당하는 제조 방법에 관한 것이다.
하기에 기재되는 것과 같이 사용되는 전구체에 따라, ZnO 형성시 형성되는 염은 단계 b) 또는 단계 c) 에서 여과해 낸다.
본 발명에 따른 입자는 가시광선 영역에서 높은 투명도와 함께 UV 영역, 특히 바람직하게는 UV-A 영역에서의 높은 흡수에 의해 구별된다. 종래 기술에서 알려진 많은 산화 아연 등급과 대조적으로, 유기 용매에 분산된 본 발명에 따른 입자의 이러한 특성은 보관중에 변하지 않거나, 단지 무시할 정도로만 변한다.
입자의 크기는 검사가 사용 설명서에 따라 Malvern Zetasizer를 사용하여 수행되는, 특히 입자 상관관계 분광기 (PCS)에 의해 측정된다.
입자의 직경은 여기서 d50 또는 d90 값으로서 측정된다.
비처리된 산화 아연의 광촉매 활성은 실리카 시스 (silica sheath)의 적용으로 감소된다.
본 발명의 목적에 대하여, 실리카는 이산화 규소 및/또는 수산화 규소로 본질적으로 이루어진 물질을 의미하며, 또한 Si 원자 중 일부는 이미 개질제에 존재하는 유기 라디칼을 가질 수 있다.
본 발명의 바람직한 구현예에서, ZnO의 광촉매 활성은 한 시간에 걸쳐 0.20*10-3　mol/(kg*분) 미만, 바람직하게는 0.10*10-3 mol/(kg*분) 미만인 범위로 감소되고, Hg 중간압력 이머젼 램프 (예를 들어, Haereus model TQ718; 500W)로부터의 UV 광의 조사로 2-프로판올이 아세톤으로 산화되어 측정되고, 특히 바람직하게는 모든 실험에서 더 이상 측정될 수 없다 (실험 조건 : 조사 동안 분산액을 통한 산소 기포, 실온에서 350 ml의 2-프로판올에 현탁된 250 mg의 ZnO 입자).
실리카의 전구체인 개질제는 바람직하게는 트리알콕시실란 또는 테트라알콕시실란이고, 여기서 알콕시는 바람직하게는 메톡시 또는 에톡시, 특히 바람직하게는 메톡시를 나타낸다.
특히 바람직하게는 본 발명에 따른 개질제로서 테트라메톡시실란의 사용이 제공된다.
여기서 개질제는 상기 기재된 것과 같이 목표한 흡수 에지에 따라 다르지만, 일반적으로 반응의 개시 후 1 내지 50분, 바람직하게는 반응의 개시 후 10 내지 40 분, 특히 바람직하게는 약 30분 후에 첨가된다. UV 스펙트럼 내 흡수 에지의 위치는 산화 아연 입자 성장의 초기 상태에서 입자 크기에 따라 다르다. 반응의 시작시, 이는 약 300 nm이고, 시간에 따라 370 nm의 방향으로 이동한다. 개질제의 첨가는 임의의 목표한 점에서 성장이 중단되도록 할 수 있다. 가능한 한 가시광선 영역 (400 nm에서부터)에 가까운 이동은 가장 넓은 범위에 걸친 UV 흡수를 달성하기 위해 바람직하다. 입자가 지나치게 성장하는 경우, 용액이 흐려지게 된다. 따라서 바람직한 흡수 에지는 300 - 400　nm 범위, 바람직하게는 320 - 380　nm 범위이다. 최적값은 355 내지 365 nm인 것으로 증명되었다.
동시에 개별 입자가 바로 코팅을 형성할 수 있기 때문에 나노입자는 표면 개질제로의 추가 개질에 의해 실질적으로 응집체가 없는 방법으로 분산액으로부터 본 발명에 따라 성공적으로 분리될 수 있다.
더욱이, 상기 방법을 이용하여 수득할 수 있는 나노입자는 특히 간단하고 균일하게 분산액될 수 있으며, 특히 가시광선에서 상기 분산액의 투명도의 바람직하지 않은 감소를 충분히 피할 수 있다.
그러므로 본 발명의 변형에서, 본 발명은 a) 나노입자의 하나 이상의 전구체가 알콜에서 나노입자로 전환되는 단계, b) 임의의 단계에서 반응 용액의 UV/VIS 스펙트럼에서 흡수 에지가 목표한 값에 도달할 때, 나노입자의 성장이 실리카의 전구체인 하나 이상의 개질제의 첨가에 의해 종료되는 단계, c) 실리카 코팅이 유기작용성 실란, 사차 암모늄 화합물, 포스포네이트, 포스포늄 및 설포늄 화합물 또는 그의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 추가 표면 개질제의 첨가에 의해 개질되는 단계, 및 임의로 d) 단계 a)로부터의 알콜이 제거되고, 다른 유기 용매로 교체되는 단계의 방법에 의해 수득할 수 있는 것을 특징으로 하는, 입자 상관관계 분광기 (PCS)에 의해 측정된, 3 내지 50 nm 범위 내 평균 입자 크기를 가지고, 입자 표면이 실리카로 개질되고, 유기 용매 내로 분산된, 산화 아연 나노입자에 관한 것이다.
상기 방법으로 제조된 나노입자는 단계 a)로부터의 알콜을 건조 제거하는 d)단계에서 분리된다. 부가로 형성되는 임의의 염은 단계 b), c) 및 또한 단계 d)에서 여과로 제거될 수 있다.
적절한 표면 개질제는 예를 들어, 유기작용성 실란, 사차 암모늄 화합물, 포스포네이트, 포스포늄 및 설포늄 화합물 또는 그의 혼합물이다. 표면 개질제는 바람직하게는 유기작용성 실란의 군으로부터 바람직하게 선택된다.
본 발명에 따라 기재된 표면 개질제의 조건은 특히 두 개 이상의 작용기를 갖는 접촉 촉진제에 의해 만족된다. 접촉 촉진제의 기는 나노입자의 산화물 표면과 화학적으로 반응한다. 알콕시실릴기 (예를 들어, 메톡시- 및 에톡시실란), 할로실란 (예를 들어, 클로로실란) 또는, 인산 에스테르 또는 포스폰산 및 포스폰산 에스테르의 산성기가 여기서 고려된다. 기재된 기는 비교적 긴 공간자를 통해 이차 작용기에 결합된다. 상기 공간자는 비반응성 알킬 사슬, 실록산, 폴리에테르, 티오에테르 또는 우레탄 또는 화학식 (C,Si)nHm(N,O,S)x (식 중, n = 1-50, m　=　2-100 및 x　=　0-50)의 이러한 기의 조합이다. 작용기는 바람직하게는 아크릴레이트, 메타크릴레이트, 비닐, 아미노, 시아노, 이소시아네이트, 에폭시드, 카르복실 또는 히드록실 기이다.
실란-기재 표면 개질제는 예를 들어, DE　40　11　044 C2에 기재된다. 인산-기재 표면 개질제는 그중에서도 특히, LUBRIZOL (Langer & Co.)의 Lubrizol®2061 및 2063로서 수득될 수 있다. 적절한 실란은 예를 들어, 비닐트리메톡시실란, 아미노프로필트리에톡시실란, N-에틸아미노-N-프로필디메톡시실란, 이소시아나토프로필트리에톡시실란, 메르캅토프로필트리메톡시실란, 비닐트리에톡시실란, 비닐에틸디클로로실란, 비닐메틸디아세톡시실란, 비닐메틸디클로로실란, 비닐메틸디에톡시실란, 비닐트리아세톡시실란, 비닐트리클로로실란, 페닐비닐디에톡시실란, 페닐알릴디클로로실란, 3-이소시아나토프로폭시트리에톡시실란, 메타크릴옥시프로페닐트리메톡시실란, 3-메타크릴옥시프로필트리메톡시실란, 3-글리시딜옥시프로필트리메톡시실란, 1,2-에폭시-4-(에틸트리에톡시실릴)시클로헥산, 3-아크릴옥시프로필트리메톡시실란, 2-메타크릴옥시에틸트리메톡시실란, 2-아크릴옥시에틸트리메톡시실란, 3-메타크릴옥시프로필트리에톡시실란, 3-아크릴옥시프로필트리메톡시실란, 2-메타크릴옥시에틸트리에톡시실란, 2-아크릴옥시에틸트리에톡시실란, 3-메타크릴옥시프로필트리스(메톡시에톡시)실란, 3-메타크릴옥시프로필트리스(부톡시에톡시)실란, 3-메타크릴옥시프로필트리스(프로폭시)실란, 3-메타크릴옥시프로필트리스(부톡시)실란, 3-아크릴옥시프로필트리스(메톡시에톡시)실란, 3-아크릴옥시프로필트리스(부톡시에톡시)실란, 3-아크릴옥시프로필트리스(프로폭시)실란, 3-아크릴옥시프로필트리스(부톡시)실란이다. 3-메타크릴옥시프로필트리메톡시실란이 특히 바람직하다. 이러한 실란 및 다른 실란은 예를 들어, ABCR GmbH & Co., Karlsruhe, 또는 Sivento Chemie GmbH, Dussel-dorf에서 시판된다.
또한 비닐포스폰산 및 디에틸 비닐포스포네이트는 여기서 접착 촉진제로서 언급될 수 있다 (제조사: Hoechst AG, Frankfurt am Main).
본 발명에 따라서, 화학식 (R)3Si-SP-Ahp-Bhb (식 중, 라디칼 R은 동일하거나 상이할 수 있고, 가수분해로 제거가능한 라디칼을 나타내고, SP는 -O- 또는 1-18의 탄소 원자를 갖는 직쇄 또는 분지형 알킬, 2-18의 탄소 원자 및 하나 이상의 이중 결합을 갖는 직쇄 또는 분지형 알케닐, 2-18의 탄소 원자 및 하나 이상의 삼중 결합을 갖는 직쇄 또는 분지형 알키닐, 1-6의 탄소 원자를 갖는 알킬기로 치환될 수 있는 3-7의 탄소 원자를 갖는 포화, 부분 또는 완전 불포화 시클로알킬을 나타내고, Ahp는 친수성 블록을 나타내고, Bhb는 소수성 블록을 나타내고, 하나 이상의 반응성 작용기는 바람직하게는 Ahp 및/또는 Bhb에 결합함)의 양친매성 실란인 표면 개질제가 특히 바람직하다.
양친매성 실란은 헤드 기 (R)3Si을 함유한다 (식 중, 라디칼 R은 동일하거나 상이할 수 있고, 가수분해로 제거가능한 라디칼을 나타냄). 라디칼 R은 바람직하게는 동일하다.
가수분해로 제거가능한 적절한 라디칼은 예를 들어, 1 내지 10의 탄소 원자, 바람직하게는 1 내지 6의 탄소 원자를 갖는 알콕시기, 할로겐, 수소, 2 내지 10 및 특히 2 내지 6의 탄소 원자를 갖는 아실옥시기 또는 NR'2기 (식 중, 라디칼 R'는 동일하거나 상이할 수 있고, 수소 및 1 내지 10의 탄소 원자, 특히 1 내지 6의 탄소 원자를 갖는 알킬로부터 선택됨)이다. 적절한 알콕시기는 예를 들어, 메톡시, 에톡시, 프로폭시 또는 부톡시기이다. 적절한 할로겐은 특히, Br 및 Cl이다. 아실옥시기의 예는 아세톡시 및 프로폭시기이다. 또한 더욱이 옥심은 가수분해로 제거가능한 라디칼로서 적절하다. 여기서 옥심은 수소 또는 임의의 바람직한 유기 라디칼로 치환될 수 있다. 라디칼 R은 알콕시기 및 특히 메톡시 또는 에톡시기가 바람직하다.
공간자 SP는 상기 언급된 헤드 기에 공유 결합되고, Si 헤드 기 및 친수성 블록 Ahp사이의 원소를 연결하여 작용하고, 본 발명의 목적을 위해 가교 작용을 한다. 기 SP는 -O- 또는 1-18의 탄소 원자를 갖는 직쇄 또는 분지형 알킬, 2-18의 탄소 원자 및 하나 이상의 이중 결합을 갖는 직쇄 또는 분지형 알케닐, 2-18의 탄소 원자 및 하나 이상의 삼중 결합을 갖는 직쇄 또는 분지형 알키닐, 1-6의 탄소 원자를 갖는 알킬기로 치환될 수 있는 3-7의 탄소원자를 갖는 포화, 부분 또는 완전 불포화 시클로알킬이다.
SP의 C1-C18-알킬기는 예를 들어, 메틸, 에틸, 이소프로필, 프로필, 부틸, sec-부틸 또는 tert-부틸, 추가로 또한 펜틸, 1-, 2- 또는 3-메틸부틸, 1,1-, 1,2- 또는 2,2-디메틸프로필, 1-에틸프로필, 헥실, 헵틸, 옥틸, 노닐, 데실, 운데실, 도데실, 트리데실 또는 테트라데실기이다. 이는 예를 들어, 디플루오로메틸, 테트라플루오로에틸, 헥사플루오로프로필 또는 옥타플루오로부틸기로서 임의로 퍼플루오르화될 수 있다.
2 내지 18의 탄소 원자를 갖고, 또한 다수의 이중 결합이 존재할 수 있는 직쇄 또는 분지형 알케닐은 예를 들어, 비닐, 알릴, 2- 또는 3-부테닐, 이소부테닐, sec-부테닐, 추가로 4-펜테닐, 이소펜테닐, 헥세닐, 헵테닐, 옥테닐, -C9H16, -C10H18 내지 -C18H34, 바람직하게는 알릴, 2- 또는 3-부테닐, 이소부테닐, sec-부테닐, 더욱 바람직하게는 4-펜테닐, 이소펜테닐 또는 헥세닐이다.
2 내지 18의 탄소 원자를 갖고, 또한 다수의 삼중 결합이 존재할 수 있는 직쇄 또는 분지형 알키닐은 예를 들어, 에티닐, 1- 또는 2-프로피닐, 2- 또는 3-부티닐, 추가로 4-펜티닐, 3-펜티닐, 헥시닐, 헵티닐, 옥티닐, -C9H14, -C10H16 내지 -C18H32, 바람직하게는 에티닐, 1- 또는 2-프로피닐, 2- 또는 3-부티닐, 4-펜티닐, 3-펜티닐 또는 헥시닐이다.
3-7의 탄소 원자를 갖는 비치환 포화 또는 부분 또는 완전 불포화 시클로알킬기는 시클로프로필, 시클로부틸, 시클로펜틸, 시클로헥실, 시클로헵틸, 시클로펜테닐, 시클로펜타-1,3-디에닐, 시클로헥세닐, 시클로헥사-1,3-디에닐, 시클로헥사-1,4-디에닐, 페닐, 시클로헵테닐, 시클로헵타-1,3-디에닐, 시클로헵타-1,4-디에닐 또는 시클로헵타-1,5-디에닐기일 수 있고, 이것은 C1- 내지 C6-알킬기로 치환될 수 있다.
공간자 SP는 친수성 블록 Ahp를 따른다. 후자는 비이온성, 양이온성, 음이온성 및 쯔비터이온성 친수성 중합체, 올리고머 및 기로부터 선택될 수 있다. 가장 간단한 구현예에서, 친수성 블록은 암모늄, 설포늄 또는 포스포늄기, 카르복실을 함유하는 알킬 사슬, 설페이트 또는 포스페이트 측면기를 포함하며, 또한 이것은 해당하는 염, 유리산 또는 염의 기를 함유하는 부분 에스테르화 무수물, 하나 이상의 OH기를 함유하는 OH-치환된 알킬 또는 시클로알킬 사슬 (예를 들어, 당), NH- 및 SH-치환된 알킬 또는 시클로알킬 사슬 또는 모노-, 디-, 트리- 또는 올리고에틸렌 글리콜기의 형태일 수 있다. 해당하는 알킬 사슬의 길이는 1 내지 20의 탄소 원자, 바람직하게는 1 내지 6의 탄소 원자일 수 있다.
비이온성, 양이온성, 음이온성 또는 쯔비터이온성 친수성 중합체, 올리고머 또는 기는 여기서 당업자들에게 일반적으로 알려진 방법에 의한 중합에 의해 해당하는 단량체로부터 제조될 수 있다. 여기서 적절한 친수성 단량체는 하기로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 분산된 작용기를 함유한다:
(i) 중화제에 의해 음이온으로 전환될 수 있는 작용기 및 음이온기, 및/또는
(ii) 중화제 및/또는 4차화제에 의해 양이온으로 전환될 수 있는 작용기 및 양이온기, 및/또는
(iii) 비이온성 친수성기.
작용기 (i)은 카르복실, 설포닐 및 포스포닐기, 산성 황산 및 인산 에스테르기 및 카르복실레이트, 설포네이트, 포스포네이트, 설페이트 에스테르 및 포스페이트 에스테르기로 이루어진 군으로부터 바람직하게 선택되고, 작용기 (ii)는 일차, 이차 및 삼차 아미노기, 일차, 이차, 삼차 및 사차 암모늄기, 사차 포스포늄기 및 삼차 설포늄기로 이루어진 군으로부터 바람직하게 선택되고, 작용기 (iii)은 오메가-히드록시- 및 오메가-알콕시폴리(알킬렌 옥사이드)-1-일기로 이루어진 군으로부터 바람직하게 선택된다.
중화되지 않을 경우, 또한 일차 및 이차 아미노기가 또한 이소시아네이트-반응성 작용기로서 제공될 수 있다.
작용기 (i)을 함유하는 매우 적절한 친수성 단량체의 예는 아크릴산, 메타크릴산, 베타-카르복시에틸 아크릴레이트, 에타크릴산, 크로톤산, 말레산, 푸마르산 및 이타콘산; 올레핀계 불포화 설폰 및 포스폰산 및 그의 부분 에스테르; 및 모노(메트)아크릴로일옥시에틸 말레에이트, 모노(메트)아크릴로일옥시에틸 숙시네이트 및 모노(메트)아크릴로일옥시에틸 프탈레이트, 특히 아크릴산 및 메타크릴산이다.
작용기 (ii)를 함유하는 매우 적절한 친수성 단량체의 예는 2-아미노에틸 아크릴레이트 및 메타크릴레이트 및 알릴아민이다.
작용기 (iii)를 함유하는 매우 적절한 친수성 단량체의 예는 오메가-히드록시- 및 오메가-메톡시폴리(에틸렌 옥사이드)-1-일, 오메가-메톡시폴리(프로필렌 옥사이드)-1-일 및 오메가-메톡시폴리(에틸렌 옥사이드-코-폴리프로필렌 옥사이드)-1-일 아크릴레이트 및 메타크릴레이트, 및 히드록실-치환 에틸렌, 아크릴레이트 및 메타크릴레이트, 예를 들어, 히드록시에틸 메타크릴레이트이다.
쯔비터이온성 친수성 중합체의 형성을 위해 적절한 단량체의 예는 베타인 구조가 측면기에서 생성된 것들이다. 측면기는 -(CH2)m-(N+(CH3)2)-(CH2)n-SO3 -, -(CH2)m-(N+(CH3)2)-(CH2)n-PO3 2-, -(CH2)m-(N+(CH3)2)-(CH2)n-O-PO3 2 - 및 -(CH2)m-(P+(CH3)2)-(CH2)n-SO3 - (식 중, m은 1 내지 30의 범위, 바람직하게는 1 내지 6의 범위, 특히 바람직하게는 2인 정수를 나타내고, n은 1 내지 30의 범위, 바람직하게는 1 내지 8의 범위, 특히 바람직하게는 3인 정수를 나타냄)으로부터 바람직하게 선택된다.
여기서 하나 이상의 친수성 블록 구조 단위가 포스포늄 또는 설포늄 라디칼을 함유하는 것이 특히 바람직할 것이다.
해당하는 구조는 일반적으로 하기의 반응식에 따라 제조될 수 있다:
Figure 112008044918031-PCT00001
여기서, 라우릴 메타크릴레이트 (LMA) 및 디메틸아미노에틸 메타크릴레이트 (DMAEMA)의 바람직한 양은 알려진 방법, 바람직하게는 AIBN의 첨가에 의해 톨루엔에서 자유 라디칼로 공중합된다. 베타인 구조는 그 다음 알려진 방법에 의해 1,3-프로판 술톤과 아민의 반응으로 수득된다.
본 발명의 다른 변형에서, 라우릴 메타크릴레이트 (LMA) 및 히드록시에틸 메타크릴레이트 (HEMA)로 본질적으로 이루어지고, 톨루엔에서 AIBN을 사용하여 자유-라디칼 중합에 의해 알려진 방법으로 제조될 수 있는 공중합체를 사용하는 것이 바람직하다.
친수성 단량체를 선택할 때, 작용기 (i)을 함유하는 친수성 단량체 및 작용기 (ii)를 함유하는 친수성 단량체가 불용성 염 또는 착물을 형성하지 않는 방식으로 서로 바람직하게 결합된다는 것을 보증해야만 한다. 대조적으로, 작용기 (i) 또는 작용기 (ii)를 함유하는 친수성 단량체는 작용기 (iii)을 함유하는 친수성 단량체와 요구되는 것처럼 결합될 수 있다.
상기 기재된 친수성 단량체의 작용기 (i)을 함유하는 단량체가 특히 바람직하게 사용된다.
음이온으로 전환될 수 있는 작용기 (i)에 대한 중화제는 여기서 암모니아, 트리메틸아민, 트리에틸아민, 트리부틸아민, 디메틸아닐린, 디에틸아닐린, 트리페닐아민, 디메틸에탄올아민, 디에틸에탄올아민, 메틸디에탄올아민, 2-아미노메틸프로판올, 디메틸이소프로필아민, 디메틸이소프로판올아민, 트리에탄올아민, 디에틸렌트리아민 및 트리에틸렌테트라아민으로 이루어진 군으로부터 바람직하게 선택되고, 양이온으로 전환될 수 있는 작용기 (ii)에 대한 중화제는 여기서 황산, 염산, 인산, 포름산, 아세트산, 락트산, 디메틸올프로피온산 및 시트르산으로 이루어진 군으로부터 바람직하게 선택된다.
친수성 블록은 모노-, 디- 및 트리에틸렌 글리콜 구조 단위로부터 특히 매우 바람직하게 선택된다.
소수성 블록 Bhb은 친수성 블록 Ahp에 결합된다. 블록 Bhb은 친수성 블록과 유사한 소수성기 또는 중합에 적절한 소수성 단량체를 기초로 한다.
적절한 소수성기의 예는 1-18의 탄소 원자를 갖는 직쇄 또는 분지형 알킬, 2-18의 탄소 원자 및 하나 이상의 이중 결합을 갖는 직쇄 또는 분지형 알케닐, 2-18의 탄소 원자 및 하나 이상의 삼중 결합을 갖는 직쇄 또는 분지형 알키닐, 1-6의 탄소 원자를 갖는 알킬기로 치환될 수 있는 3-7의 탄소 원자를 갖는 포화, 부분 또는 완전 불포화 시클로알킬이다. 상기 기의 예는 이미 상기에 언급되었다. 추가로 아릴, 폴리아릴, 아릴-C1-C6-알킬 또는 2개 이상의 탄소 원자를 갖는 에스테르가 적절하다. 또한 상기 기는 추가로 할로겐에 의해 특히 치환될 수 있고, 퍼플루오르화된 기가 특히 적절하다.
아릴-C1-C6-알킬은 예를 들어, 여기서 벤질, 페닐에틸, 페닐프로필, 페닐부틸, 페닐펜틸 또는 페닐헥실을 나타내고, 특히 바람직하게는 벤질 또는 페닐프로필을 나타내며, 여기서 페닐고리 또는 또한 알킬렌 사슬 모두는 상기 기재된 것과 같이 F에 의해 부분 또는 완전 치환될 수 있다.
소수성 블록 Bhb에 대한 적절한 소수성 올레핀계 불포화 단량체의 예는 하기이다:
(1) 산기가 본질적으로 없는 올레핀계 불포화 산의 에스테르, 예컨대, 알킬 라디칼 내 20개의 탄소 원자를 갖는 (메트)아크릴산, 크로톤산, 에타크릴산 ,비닐포스폰산 또는 비닐설폰산의 알킬 또는 시클로알킬 에스테르, 특히 메틸, 에틸, 프로필, n-부틸, sec-부틸, tert-부틸, 헥실, 에틸헥실스테아릴 또는 라우릴 아크릴레이트, 메타크릴레이트, 크로토네이트, 에타크릴레이트 또는 비닐포스포네이트 또는 비닐설포네이트; (메트)아크릴산, 크로톤산, 에타크릴산, 비닐포스폰산 또는 비닐설폰산의 시클로지방족 에스테르, 특히 시클로헥실, 이소보르닐, 디시클로펜타디에닐, 옥타히드로-4,7-메타노-1H-인덴메탄올 또는 tert-부틸시클로헥실 (메트)아크릴레이트, 크로토네이트, 에타크릴레이트, 비닐포스포네이트. 이들은 (메트)아크릴산, 크로톤산 또는 에타크릴산의 다작용성 알킬 또는 시클로알킬 에스테르, 예컨대 에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜, 디에틸렌 글리콜, 디프로필렌 글리콜, 부틸렌 글리콜, 펜탄-1,5-디올, 헥산-1,6-디올, 옥타히드로-4,7-메타노-1H-인덴디메탄올 또는 시클로헥산-1,2-, -1,3- 또는 -1,4-디올 디(메트)아크릴레이트, 트리메틸올프로판 트리(메트)아크릴레이트 또는 펜타에리트리톨 테트라(메트)아크릴레이트, 및 유사 에타크릴레이트 또는 크로토네이트의 극미량을 포함할 수 있다. 본 발명의 목적을 위해 다작용성 단량체 (1)의 미량은 중합체의 겔화 또는 가교결합을 산출하지 않는 양을 의미하는 것으로 여겨진다;
(2) 분자당 하나 이상의 히드록실기 또는 히드록시메틸아미노기를 갖고 산 기가 본질적으로 없는 단량체, 예컨대,
- 알파, 베타-올레핀계 불포화 카르복실산의 히드록시알킬 에스테르, 예컨대 아크릴산, 메타크릴산 및 에타크릴산의 히드록시알킬 에스테르 (여기서 히드록시 알킬기는 20개 이하의 탄소 원자를 함유함), 예컨대 2-히드록시에틸, 2-히드록시프로필, 3-히드록시프로필, 3-히드록시부틸, 4-히드록시부틸 아크릴레이트, 메타크릴레이트 또는 에타크릴레이트; 1,4-비스(히드록시메틸)시클로헥산, 옥타히드로-4,7-메타노-1H-인덴디메탄올 또는 메틸프로판디올 모노아크릴레이트, 모노메타크릴레이트, 모노에타크릴레이트 또는 모노크로토네이트; 또는 예를 들어, 입실론-카프로락톤과 같은 환형 에스테르와 이러한 히드록시알킬 에스테르의 반응 생성물;
- 올레핀계 불포화 알콜, 예컨대 알릴 알콜;
- 폴리올의 알릴 에테르, 예컨대 트리메틸올프로판 모노알릴 에테르 또는 펜타에리트리톨 모노-, 디- 또는 트리알릴 에테르. 다작용성 단량체는 일반적으로 미량으로만 사용된다. 본 발명의 목적을 위해, 다작용성 단량체의 미량은 중합체의 겔화와 가교결합을 산출하지 않는 양을 의미하는 것으로 여겨진다;
- 알파, 베타-올레핀계 불포화 카르복실산과 분자 내 5 내지 18의 탄소 원자를 갖는 알파-분지형 모노카르복실산의 글리시딜 에스테르의 반응 생성물. 아크릴 또는 메타크릴산과 삼차 알파-탄소 원자를 함유하는 카르복실산의 글리시딜 에스테르의 반응은 중합 전, 동안 또는 후에 일어날 수 있다. 사용되는 단량체 (2)는 아크릴 및/또는 메타크릴산과 Versatic® 산의 글리시딜 에스테르의 반응 생성물이 바람직하다. 상기 글리시딜 에스테르는 제품명 Cardura® E10으로 시판된다. 참조는 Rompp Lexikon Lacke 및 Druckfarben [Rompp's Lexicon of Surface Coatings and Printing Inks], Georg Thieme Verlag, Stuttgart, New York, 1998, 605 내지 606쪽에 추가적으로 기재된다;
- 알파, 베타-올레핀계 불포화 카르복실산 및 알파, 베타-불포화 카르복사미드의 아미노알킬에스테르의 포름알데히드 부가물, 예컨대 N-메틸올- 및 N,N-디메틸올아미노에틸 아크릴레이트, -아미노에틸 메타크릴레이트, -아크릴아미드 및 -메타크릴아미드; 및
- 히드록실-작용성 실란과 에피클로로히드린 30의 반응 및 중간체와 알파, 베타-올레핀계 불포화 카르복실산, 특히 아크릴산 또는 메타크릴산의 연이은 반응으로 제조될 수 있는 아크릴옥시실란기 및 히드록실기를 함유하는 올레핀계 불포화 단량체, 또는 그의 히드록시-알킬 에스테르;
(3) 분자 내 5 내지 18의 탄소 원자를 갖는 알파-분지형 모노카르복실산의 비닐 에스테르, 예컨대 VeoVa® 브랜드로 판매되는 Versatic® 산의 비닐 에스테르;
(4) 시클릭 및/또는 아크릴 올레핀, 예컨대 에틸렌, 프로필렌, 부트-1-엔, 펜트-1-엔, 헥스-1-엔, 시클로헥센, 시클로펜텐, 노르보르넨, 부타디엔, 이소프렌, 시클로펜타디엔 및/또는 디시클로펜타디엔;
(5) 알파, 베타-올레핀계 불포화 카르복실산의 아미드, 예컨대 (메트)아크릴아미드, N-메틸-, N,N-디메틸-, N-에틸-, N,N-디에틸-, N-프로필-, N,N-디프로필-, N-부틸-, N,N-디부틸- 및/또는 N,N-시클로헥실메틸(메트)아크릴아미드;
(6) 에폭시드기를 함유하는 단량체, 예컨대 아크릴산, 메타크릴산, 에타크릴산, 크로톤산, 말레산, 푸마르산 및/또는 이타콘산의 글리시딜 에스테르;
(7) 비닐방향족 탄화수소, 예컨대 스티렌, 비닐톨루엔 또는 알파-알킬스티렌, 특히 알파-메틸스티렌;
(8) 니트릴, 예컨대 아크릴로니트릴 또는 메타크로니트릴;
(9) 비닐 할라이드, 예컨대 비닐 클로라이드, 비닐 플루오라이드, 비닐리덴 디클로라이드, 비닐리덴 디플루오라이드; 비닐아미드, 예컨대 N-비닐피롤리돈; 비닐 에테르, 예컨대 에틸 비닐 에테르, n-프로필 비닐 에테르, 이소프로필 비닐 에테르, n-부틸 비닐 에테르, 이소부틸 비닐 에테르 및 비닐 시클로헥실 에테르; 및 비닐 에스테르, 예컨대 비닐 아세테이트, 비닐 프로피오네이트 및 비닐 부티레이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 비닐 화합물;
(10) 알릴 에테르 및 에스테르로 이루어진 군으로부터 선택되는 알릴 화합물, 예컨대 프로필 알릴 에테르, 부틸 알릴 에테르, 에틸렌 글리콜 디알릴 에테르, 트리메틸올프로판 트리알릴 에테르 또는 알릴 아세테이트 또는 알릴 프로피오네이트; 다작용성 단량체가 고려되어지는 한, 상기 언급된 것들이 유사하게 적용된다;
(11) 실록산 또는 폴리실록산 단량체는 이미 상기 언급된 다른 소수성기 또는 포화, 불포화, 직쇄 또는 분지형 알킬기로 치환될 수 있다. 또한 적합한 것은, DE　38　07　571 A1의 5쪽에서 7쪽, DE　37　06　095 A1의 3줄에서 7줄, EP　0　358　153 B 1의 3쪽에서 6쪽, US　4,754,014 A1의 5줄에서 9줄, DE　44　21　823 A1 또는 국제 특허 출원 제 WO　92/22615호의 12쪽의 18줄에서 18쪽의 10줄에 기재된 것과 같이, 1000 내지 40000의 수 평균 분자량 Mn을 가지고, 분자 당 평균 0.5 내지 2.5 에틸렌계 불포화 이중 결합을 함유하는 폴리실록산 거대단량체, 특히 2000 내지 20000, 특히 바람직하게는 2500 내지 10000 및 특히 3000 내지 7000의 수 평균 분자량 Mn을 가지고, 분자당 평균 0.5 내지 2.5, 바람직하게는 0.5 내지 1.5의 에틸렌계 불포화 이중 결합을 함유하는 폴리실록산 거대단량체이다;
(12) 카르바메이트 또는 알로파네이트기를 함유하는 단량체, 예컨대 아크릴로일옥시- 또는 메트아크릴로일옥시에틸, -프로필 또는 -부틸 카르바메이트 또는 알로파네이트; 카르바메이트기를 함유하는 적절한 단량체의 추가예는 특허 명세서 US　3,479,328 A1, US　3,674,838 A1, US　4,126,747 A1, US　4,279,833 A1 또는 US　4,340,497 A1에 기재된다.
상기 언급된 단량체의 중합은 당업자에게 알려진 임의의 방법, 예를 들어 폴리첨가 또는 양이온성, 음이온성 또는 자유-라디칼 중합으로 수행될 수 있다. 폴리첨가는 단량체의 상이한 유형이 간단한 방법, 예를 들어, 디카르복실산을 갖는 에폭시드 또는 디올을 갖는 이소시아네이트와 같은 다른 것과 결합될 수 있기 때문에 이와 관련하여 바람직하다.
각각의 친수성 및 소수성 블록은 대체로 임의의 바람직한 방법으로 서로 결합될 수 있다. 본 발명에 따른 양친매성 실란은 2-19의 범위, 바람직하게는 4-15의 범위의 HLB 값을 바람직하게 갖는다. HLB 값은 여기서 하기와 같이 정의되고,
Figure 112008044918031-PCT00002
실란이 더 친수성 또는 소수성 거동을 갖는지, 즉 Ahp 및 Bhb의 두 개의 블록 중 어느 것이 본 발명에 따른 실란의 특성을 조절하는 지를 나타낸다. HLB 값은 이론적으로 계산되고, 친수성 및 소수성기의 질량비로부터 기인한다. 0인 HLB 값은 친유성 화합물을 나타내고; 20인 HLB값을 갖는 화학적 화합물은 오직 친수성 분획만 갖는다.
게다가 본 발명의 양친매성 실란은 하나 이상의 반응성 작용기가 Ahp 및/또는 Bhb에 결합한다는 사실에 의해 구분된다. 반응성 작용기는 바람직하게는 소수성 블록 Bhb에 위치하고, 이것은 특히 바람직하게는 소수성 블록의 끝에 결합된 곳이다. 바람직한 구현예에서, 헤드 기 (R)3Si 및 반응성 작용기는 매우 잘 분리될 수 있는 가능성을 갖는다. 이는 반응성 기, 예를 들어 주변 매질의 가능한 반응성을 상당히 제한하지 않고, 블록 Ahp 및 Bhb의 사슬 길이의 유연한 조절을 가능하게 한다.
반응성 작용기는 가수 분해로 제거가능한 라디칼을 함유하는 실릴기, OH, 카르복실, NH, SH 기, 할로겐 및 이중 결합을 함유하는 반응기, 예를 들어, 아크릴레이트 또는 비닐기로부터 선택될 수 있다. 가수 분해로 제거가능한 라디칼을 함유하는 적절한 실릴기는 헤드 기 (R)3Si의 설명에 이미 상기에 기재되었다. 반응기는 바람직하게는 OH 기이다.
본 발명에 따르면, 양친매성 실란에 대한 특히 바람직한 표면 개질제로는 하기가 있다:
- 이소시아나토프로필트리메톡시실란과 디에틸렌 글리콜 모노헥실 에테르의 반응에 의해 제조될 수 있는, 2-(2-헥실옥시에톡시)에틸 (3-트리메톡시실라닐프로필)카르바메이트,
- 이소시아나토프로필트리에톡시실란과 디에틸렌 글리콜 모노헥실 에테르의 반응에 의해 제조될 수 있는, 2-(2-헥실옥시에톡시)에틸 (3-트리에톡시실라닐프로필)카르바메이트,
- 트리에톡시실릴프로필무수 숙신산과 1-아미노헥사놀의 반응에 의해 제조될 수 있는, 4-트리에톡시실라닐-2-[(6-히드록시헥실카르바모일)메틸부탄산,
- 글리시독시프로필트리메톡시실란과 1-아미노-헥산의 반응에 의해 제조될 수 있는, 1-헥실아미노-3-(3-트리메톡시실라닐프로폭시)-프로판-2-올.
사용되는 표면 개질제는 2-(2-헥실옥시에톡시)에틸 (3-트리메톡시실라닐프로필)카르바메이트가 매우 특히 바람직하다.
나노입자에 사용될 수 있는 전구체는 일반적으로 아연 염이다. 카르복실산또는 할라이드의 아연 염, 특히 아연 포르메이트, 아연 아세테이트 또는 아연 프로피오네이트만이 아니라 아연 클로라이드를 바람직하게 사용할 수 있다. 본 발명에 따라 사용되는 전구체는 아연 아세테이트 또는 그의 이수화물이 특히 매우 바람직하다.
전구체의 산화 아연으로의 전환은 바람직한 방법으로 히드록사이드 염기, 예컨대 LiOH, NaOH 또는 KOH가 사용되는, 염기성 매질에서 본 발명에 따라 바람직하게 수행된다.
본 발명에 따른 방법에서 반응, 단계 a)는 알콜에서 수행되고, 특히 메탄올 또는 에탄올이 적절하다. 여기서는 메탄올이 특히 적절한 용매가 되는 것으로 증명되었다.
본 발명에 따른 나노입자의 분산액을 위해 적절한 유기 용매 또는 용매 혼합물은 과정 초기에 수득된 알콜 이외에, 통상적으로 표면 코팅 용매이다. 통상적인 표면-코팅 용매는 예를 들어, 메탄올 또는 에탄올과 같은 알콜, 디에틸 에테르, 테트라히드로푸란 및/또는 디옥산과 같은 에테르, 부틸 아세테이트와 같은 에스테르, 또는 톨루엔과 같은 탄화수소, 석유 에테르, 디클로로-메탄과 같은 할로겐화 탄화수소, 또는 시판되는 제품, 예컨대 용매 나프타 또는 Shellsol의 제품으로, 고-비등점 탄화수소 용매, 예를 들어 Shellsol A, Shellsol T, Shellsol D40 또는 Shellsol D70이다.
본 발명에 따른 입자는 바람직하게는 상기에 기재된 것과 같이 입자 상관관계 분광기 (PCS), 또는 투과 전자 현미경에 의해 측정된, 5 내지 20 nm, 바람직하게는 7 내지 15 nm의 평균 입자 크기를 갖는다. 특히, 본 발명의 바람직한 구현예와 마찬가지로, 입자 크기의 분포는 좁고, 즉, d50 값, 및 특히 바람직한 구현예에서는 d90 값은 상기 언급한 5 내지 15 nm, 또는 7 내지 12 nm의 범위가 바람직하다.
중합체에서의 UV 차단을 위한 이러한 나노입자의 용도의 관점에서, 분산액의 흡수 에지가 예를 들어, 300-400　nm의 범위, 바람직하게는 330-380 nm의 범위, 특히 바람직하게는 355 내지 365 nm의 범위에서 나노입자 0.001 중량%로 위치하는 것이 특히 바람직하다. 더욱이 조사 방법에 의해 제한되는 중량 % 데이타는 0.001 중량%를 포함하고, 10 mm의 층 두께를 갖는 상기 분산액 (또는 또한 현탁액과 동의어로 사용)의 투과는 320 nm에서 10% 미만, 바람직하게는 5% 미만이고, 440 nm에서는 90% 초과, 바람직하게는 95% 초과인 경우 본 발명에 따라 특히 바람직하다.
측정은 UV/VIS 분광기 (Varian Carry 50)로 수행된다. 여기서 용액의 농도는 기기의 감도 (약 0.001 중량%로 희석)에 대등하다.
본 발명에 따른 방법은 상기 기재된 것과 같이 수행될 수 있다. 여기서 반응 온도는 실온과 선택된 용매의 끓는점 사이의 범위에서 선택될 수 있다. 반응 속도는 반응 온도, 개시 물질 및 그의 농도 및 용매의 적절한 선택을 통해 조절될 수 있으며, 당업자는 전혀 어려움 없이 UV 분광기로 반응의 과정을 관찰하는 방법으로 속도를 조절하는 것이 가능하다.
임의의 경우에서, 유화제, 바람직하게는 비이온성 계면활성제가 사용되는 경우가 유용할 수 있다. 바람직한 유화제는 임의로 에톡실화 또는 프로폭실화되고, 에톡실화 또는 프로폭실화의 다양한 정도를 갖는 비교적 장쇄 알카놀 또는 알킬페놀 (예를 들어, 알킬렌 옥사이드 0 내지 50몰을 갖는 부가물)이다.
또한 분산액 보조제가 유리하게 사용될 수 있으며, 수용성, 극성기를 함유하는 고분자량 유기 화합물, 예컨대, 폴리비닐피롤리돈, 비닐 프로피오네이트 또는 아세테이트 및 비닐피롤리돈의 공중합체, 아크릴레이트 및 아크릴로니트릴의 부분 설폰화된 공중합체, 다양한 잔류 아세테이트 함량을 갖는 폴리비닐 알콜, 셀룰로스 에테르, 젤라틴, 블록 공중합체, 개질된 녹말, 카르복실 및/또는 설포닐기를 함유하는 저분자량 중합체, 또는 이러한 물질의 혼합물이 바람직하게 사용된다.
특히 바람직한 보호 콜로이드는 40 몰% 미만, 특히 5 내지 39 몰%의 잔류 아세테이트 함량을 갖는 폴리비닐 알콜, 및/또는 35 중량% 미만, 특히 5 내지 30 중량%의 비닐 에스테르 함량을 갖는 비닐피롤리돈-비닐 프로피오네이트 공중합체이다.
온도, 압력, 반응 지속기간과 같은 반응 조건의 조절은 목표된 방법으로 설정되기 위해 필수적인 나노입자의 바람직한 특성 조합을 가능하게 한다. 이러한 변수의 해당되는 조절은 당업자들에게 아무런 어려움 없이 존재한다. 예를 들어, 반응은 많은 목적에 대해 대기압 및 30 내지 50℃의 온도 범위에서 수행될 수 있다.
유기 용매에 분산되거나 단리된 본 발명에 따른 나노입자는 특히 중합체에서 UV 차단을 위해 사용된다. 상기 적용에서, 입자는 UV 복사에 의한 분해에 대하여 중합체 스스로를 보호하거나, 나노입자를 포함하는 중합체 조성물은 차례로 다른 물질에 대한 UV 차단와 같이 예를 들어, 보호 필름의 형태 또는 코팅 필름으로서 적용되어 사용된다. 따라서 본 발명은 더욱이 중합체가 본 발명에 따른 나노입자를 포함하는 것을 특징으로하는 표면-코팅 조성물 또는 하나 이상의 중합체로 본질적으로 이루어진 중합체 및 UV-안정화된 중합체 조성물의 UV 안정화에 대한 본 발명에 따른 나노입자의 해당 용도에 관한 것이다. 본 발명에 따른 분리된 나노입자 내로 잘 혼입될 수 있는 중합체는 특히, 폴리카르보네이트 (PC), 폴리에틸렌 테레프탈레이트 (PETP), 폴리이미드 (PI), 폴리스티렌 (PS), 폴리메틸 메타크릴레이트 (PMMA) 또는 상기 중합체 중 하나의 한 부분 이상을 포함하는 공중합체이다.
혼입은 여기서 중합체 조성물 제조를 위한 통상적인 방법에 의해 수행될 수 있다. 예를 들어, 중합체 물질은 본 발명에 따른 단리된 나노입자와 바람직하게는 압출기 및 혼화기에서 혼합될 수 있다.
실란 코팅을 갖는 본 발명에 따른 입자의 특별한 장점은 종래 기술과 비교해 단지 낮은 에너지 주입만이 중합체 내 입자의 균일한 분포를 위해 필요하는 것으로 이루어진다.
여기서 중합체는 또한 중합체의 분산액, 예를 들어, 표면 코팅 또는 표면-코팅 조성물일 수 있다. 여기서 혼입은 통상적인 혼합 공정에 의해 수행될 수 있다. 단계 c) 또는 d)에 기재된 것과 같이, 본 발명에 따른 입자의 우수한 재분산액성은 특히 상기 유형의 분산액의 제조를 단순화할 것이다. 따라서 유사하게 본 발명은 더욱이 하나 이상의 중합체를 포함하는 본 발명에 따른 입자의 분산액에 관한 것이다.
더욱이 또한 단리된 나노입자를 포함하는 본 발명에 따른 중합체 조성물 또는 본 발명에 따른 분산액은 특히 표면, 예를 들어, 목재, 플라스틱, 섬유 또는 유리의 코팅을 위해 적절하다. 따라서 코팅 아래의 표면 또는 물질은 예를 들어, UV 복사에 대해 보호될 수 있다.
하기의 실시예는 이것에만 제한되지 않고 본 발명을 예증한다. 따라서 본 발명은 본 명세서에 나타난 범위의 전반에 걸쳐 수행될 수 있다.
실시예 1: ZnO 입자의 형성
42.5　ml의 메탄올성 KOH 용액 (5 mol/l)을 500　ml의 메탄올성 Zn(AcO)2*2H2O 용액 (0.25　mol/l)에 50℃에서 첨가하였다.
산화 아연으로의 전환 및 나노입자의 성장은 UV 분광기에 의해 관찰될 수 있다. 단지 1 분의 반응 지속 후, 흡수 최대치는 일정하게 남아있으며, 즉, ZnO 형성은 이미 처음 일 분 내에 완성되었다. 흡수 에지는 반응 지속 기간이 증가하면서 더 긴 파장으로 이동하였다. 이는 Ostwald 숙성으로 인한 ZnO 입자의 지속적인 성장과 관련될 수 있다.
실시예 2: TMOS 의 첨가에 의한 개질
30분 후, 흡수 에지가 360 nm 값에 도달했을 때, 30　ml의 테트라메틸 오르토실리케이트 (TMOS)를 첨가하고, 50℃에서 교반을 지속하였다.
첨가 후, 흡수 에지의 추가 이동은 관찰되지 않았다. 현탄액은 수일 동안 안정하고 투명하게 남아있었다.
반응에서 형성된 칼륨 아세테이트를 한외여과로 분리하여 UV 분광기 및 X-ray 회절에 따른, ZnO를 포함하는 투명하고, 안정한 현탄액을 산출하였다. Malvern Zetasizer (PCS)를 사용하는 입자 상관관계 분석 조사에 따라 입자의 직경은 6-7　nm의 d50 및 5-10 nm의 d90을 갖는 4-12 nm였다. 더욱이, 칼륨 아세테 이트 반사는 X-선 다이아그램에서 보이지 않았다.
실시예 2C:
TMOS 용액의 첨가가 없는 비교 실험은 지속적인 입자의 성장을 나타내고, 14h 후 흐려졌다.
실시예 3: 연이은 실란화에 의한 개질
실시예 3a: 양친매성 실란의 제조
Figure 112008044918031-PCT00003
보호 기체하에서, 등몰량의 이소시아나토프로필트리메트옥시실란 및 디에틸렌 글리콜 모노헥실 에테르를 톨루엔 내 질소 둥근 바닥 플라스크에서 합하고, 90℃에서 환류 응축기로 밤새 교반하였다. 박막 크로마토그래피 (톨루엔:에틸 아세테이트 1:1)로 관찰한 반응은 거의 반응이 완성되었는 것을 나타냈다. 모든 휘발성 성분을 회전 증발기로 제거하여, 추가 정제없이 사용되는 무색 액체를 산출하였다.
실시예 3b: 실란화
실시예 3a에서 제조된 20 ml의 양친매성 실란을 50℃에서 실시예 2에서의 생성 분산액에 첨가하고, 혼합물은 추가로 18 시간 동안 50℃에서 교반하여, UV 분광기 및 X-ray 회절에 따른, ZnO를 포함하는 안정하고, 투명한 현탁액을 산출하였다. Malvern Zetasizer (PCS)를 사용하는 입자 상관관계 분광 조사에 따라 입자의 직경은 6-7 nm의 d50 및 5-10 nm의 d90을 갖는 4-12 nm였다.
10일 후 재측정은 측정 정확도의 범위 내에서 동일한 값을 제공하였다. 따라서 입자의 응집이 일어나지 않을 수 있다. 더욱이 칼륨 아세테이트 반사가 X-선 다이아그램에서 보이지 않았다.
실시예 3C:
실란화없이, 실시예 2로부터의 초원심분리된 현탁액은 2일 후 흐려졌다. 일주일 내로 입자가 침전되었다. 이는 상청액의 UV 분광 조사에 의해 관찰될 수 있다. UV 흡수의 일정한 감소가 관찰되었다.
실시예 4:
Figure 112008044918031-PCT00004
보호 기체하에서 등몰량의 이소시아나토프로필트리에톡시실란 및 디에틸렌글리콜 모노헥실 에테르를 톨루엔 내 질소 둥근 바닥 플라스크에서 결합하고, 90℃에서 환류 응축기로 밤새 교반하였다. 박막 크로마토그래피 (톨루엔:에틸 아세테이트 1:1)에 의한 반응 관찰은 반응이 사실상 완결되는 것을 나타낸다. 모든 휘발성 성분을 회전 증발기로 제거하여, 추가 정제없이 사용되는 무색 액체를 산출하였다.
연이은 실란화는 실시예 3b와 유사하게 수행되었다.
실시예 5:
Figure 112008044918031-PCT00005
50　g의 THF, 30.4 g의 Geniosil GF 20 (트리에톡시실릴프로필무수 숙신산, Wacker, Germany) 및 11.7 g의 1-아미노헥사놀을 혼합하고, 한 시간 동안 교반하면서 환류하였다. 테트라히드로푸란을 증류로 연이어 제거하였다.
연이은 실란화가 실시예 3b와 유사하게 수행되었다.
실시예 6:
Figure 112008044918031-PCT00006
23.6 g의 글리시독시프로필트리메톡시실란을 50 g의 테트라히드로푸란 내 10.1 g의 1-아미노헥산의 용액에 교반하면서 적가하고, 이어서 한 시간 동안 환류하였다. 테트라히드로푸란을 이어서 증류로 제거하였다.
연이은 실란화는 실시예 3b와 유사하게 수행되었다.
실시예 7:
부틸 아세테이트 내 전환:
500 ml의 부틸 아세테이트를 실시예 3 또는 4로부터 실란화된 입자의 현탁액에 첨가하고, 메탄올을 증류로 제거하여 평균 입자 크기 (PCS) 4-12 nm를 갖는 부틸 아세테이트 내 산화 아연의 투명한 현탁액을 산출하였다.
실시예 8:
용매 나프타 내 전환:
500 ml의 용매 나프타를 실시예 6으로부터 실란화된 입자의 현탁액에 첨가하고, 메탄올을 증류로 제거하여 평균 입자 크기 (PCS) 4-12 nm를 갖는 용매 나프타 내 산화 아연의 투명한 현탁액을 산출하였다.
실시예 9:
중합체 나노복합재의 제조:
실시예 5로부터의 현탁액을 감압하에 건조될 때까지 증발시켜, 표면 개질 산화 아연을 포함하는 미세하고, 자유-유동성인 분말을 산출하였다.
10 g의 이러한 입자를 1 kg의 PMMA (폴리메틸 메타크릴레이트, Degussa Rohm의 PMMA 성형 물질 7H)와 압출기에서 혼합하고, 10 g의 수득된 과립를 100 g의 동일한 중합체로 재압출하였다. 수득된 나노복합재는 사출 성형에 의해 1.5 mm의 두께를 갖는 판으로 전환되었다. 이러한 판은 투명하고, UV/VIS 분광기에서 측정되어 350 nm에서 5% 미만의 투과, 450 nm에서 90% 초과의 투과를 나타낸다.

Claims (26)

  1. 하기 단계의 방법에 의해 수득될 수 있는 것을 특징으로 하는, 입자 상관관계 분광기 (PCS)에 의해 측정된, 3 내지 50 nm 범위의 평균 입자 크기를 갖고, 입자의 표면이 실리카로 개질되고, 유기 용매에 분산된 산화 아연 나노입자:
    a) 나노입자의 하나 이상의 전구체가 알콜에서 나노입자로 전환되는 단계,
    b) 반응 용액의 UV/VIS 스펙트럼에서 흡수 에지가 목표한 값에 도달할 때, 나노입자의 성장이 실리카의 전구체인 하나 이상의 개질제의 첨가에 의해 종료되는 단계, 및 임의로
    c) 단계 a)로부터의 알콜이 제거되고, 다른 유기 용매로 교체되는 단계.
  2. 제 1 항에 있어서, 산화 아연 입자가 입자 상관관계 분광기 (PCS)에 의해 측정된, 5 내지 20 nm, 바람직하게는 7 내지 15 nm의 평균 입자 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 나노입자.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 개질제가 트리알콕시실란 또는 테트라알콕시실란이고, 상기 알콕시는 바람직하게는 메톡시 또는 에톡시, 특히 바람직하게는 메톡시를 나타내는 것을 특징으로 하는 나노입자.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 실리카 코팅이 유기작용성 실란, 사차 암모늄 화합물, 포스포네이트, 포스포늄 및 설포늄 화합물, 및 그의 혼합물로 이루어진 군, 바람직하게는 유기 작용성 실란으로부터 선택되는 하나 이상의 추가 표면 개질제로 개질되는 것을 특징으로 하는 나노입자.
  5. 제 4 항에 있어서, 실란이 화학식 (R)3Si-SP-Ahp-Bhb
    (식 중, 라디칼 R은 동일하거나 상이할 수 있고, 가수 분해로 제거가능한 라디칼을 나타내고, Sp는 -O-, 또는 1-18의 탄소 원자를 갖는 직쇄 또는 분지형 알킬, 2-18의 탄소 원자 및 하나 이상의 이중 결합을 갖는 직쇄 또는 분지형 알케닐, 2-18의 탄소 원자 및 하나 이상의 삼중 결합을 갖는 직쇄 또는 분지형 알키닐, 1-6의 탄소 원자를 갖는 알킬기에 의해 치환될 수 있는 3-7의 탄소 원자를 갖는 포화, 부분 또는 완전 불포화 시클로알킬을 나타내고, Ahp는 친수성 블록을 나타내고, Bhb는 소수성 블록을 나타내고, 상기 하나 이상의 반응성 작용기는 바람직하게는 Ahp 및/또는 Bhb에 결합함)의 양친매성 실란인 것을 특징으로 하는 나노입자.
  6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서, 양친매성 실란이 2-(2-헥실옥시에톡시)-에틸 (3-트리메톡시실라닐프로필)카르바메이트, 2-(2-헥실옥시에톡시)-에틸 (3-트리에톡시실라닐프로필)카르바메이트, 4-트리에톡시실라닐-2-[(6-히드록시헥실카르바모일)메틸부탄산 및 1-헥실아미노-3-(3-트리메톡시실라닐프로폭시)프로판-2-올의 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 나노입자.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 따른 나노입자 및 중합체를 포함하는 분산액.
  8. 제 7 항에 있어서, 분산액이 표면 코팅 또는 표면-코팅 조성물인 것을 특징을 하는 분산액.
  9. 하기의 단계를 특징으로 하는, 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 따른, 3 내지 50 nm 범위의 평균 입자 크기를 갖고, 유기 용매에 분산된 산화 아연 나노입자의 제조 방법:
    a) 나노입자의 하나 이상의 전구체가 알콜에서 나노입자로 전환되는 단계,
    b) 반응 용액의 UV/VIS 스펙트럼에서 흡수 에지가 목표한 값에 도달했을 때, 나노입자의 성장이 실리카의 전구체인 하나 이상의 개질제의 첨가에 의해 종료되는 단계, 임의로
    c) 실리카 코팅이 유기작용성 실란, 사차 암모늄 화합물, 포스포네이트, 포스포늄 및 설포늄 화합물 또는 그의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 추가 표면 개질제의 첨가에 의해 개질되는 단계, 및 임의로
    d) 단계 a)로부터의 알콜이 제거되고, 다른 유기 용매로 교체되는 단계.
  10. 제 9 항에 있어서, 산화 아연의 전구체가 카르복실산 또는 할라이드의 아연 염, 바람직하게는 아연 포르메이트, 아연 아세테이트, 아연 프로피오네이트 및 아연 클로라이드로부터 선택되고, 특히 바람직하게는 아연 아세테이트인 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서, 전구체의 전환이 염기의 첨가에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제 9 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서, 개질제가 트리알콕시실란 또는 테트라알콕시실란이고, 상기 알콕시는 바람직하게는 메톡시 또는 에톡시, 특히 바람직하게는 메톡시를 나타내는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제 9 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 흡수 에지가 300-400 nm의 범위, 바람직하게는 330-380 nm의 범위, 특히 바람직하게는 355-365 nm의 범위인 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제 9 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서, 표면 개질제가 화학식 (R)3Si-SP-Ahp-Bhb
    (식 중, 라디칼 R은 동일하거나 상이할 수 있고, 가수 분해로 제거가능한 라 디칼을 나타내고, Sp는 -O-, 또는 1-18의 탄소 원자를 갖는 직쇄 또는 분지형 알킬, 2-18의 탄소 원자 및 하나 이상의 이중 결합을 갖는 직쇄 또는 분지형 알케닐, 2-18의 탄소 원자 및 하나 이상의 삼중 결합을 갖는 직쇄 또는 분지형 알키닐, 1-6의 탄소 원자를 갖는 알킬기로 치환될 수 있는 3-7의 탄소 원자를 갖는 포화, 부분 또는 완전 불포화 시클로알킬을 나타내고, Ahp는 친수성 블록을 나타내고, Bhb는 소수성 블록을 나타내고, 상기 하나 이상의 반응성 작용기는 바람직하게는 Ahp 및/또는 Bhb에 결합함)의 양친매성 실란인 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제 9 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서, 유기 용매가 알콜, 에테르, 에스테르 및 탄화수소로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제 9 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서, 유화제, 바람직하게는 비이온성 계면활성제가 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제 9 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의해 수득될 수 있으나, 단계 d)에서 단계 a)로부터의 알콜이 건조 제거되는 것을 특징으로 하는, 입자 상관관계 분광기 (PCS)로 측정된, 3 내지 50 nm 범위의 평균 입자 크기를 갖는 산화 아연 나노입자.
  18. 제 9 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의해 제조되나, 단계 d)에서 단계 a)로부터의 알콜이 건조 제거되는 것을 특징으로 하는, 제 17 항에 따른 산화 아연 나노입자의 제조 방법.
  19. 중합체의 UV 안정화를 위한 제 1 항 내지 제 6 항 또는 제 17 항 중 어느 한 항에 따른 나노입자, 또는 제 7 항 또는 제 8 항에 따른 분산액의 용도.
  20. 중합체가 제 17 항에 따른 나노입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 하나 이상의 중합체로 본질적으로 이루어진 중합체 조성물.
  21. 제 20 항에 있어서, 중합체가 폴리카르보네이트, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리이미드, 폴리스티렌, 폴리메틸 메타크릴레이트, 또는 상기 중합체 중 하나를 일부 이상 포함하는 공중합체인 것을 특징으로 하는 중합체 조성물.
  22. 중합체 물질이 제 17 항에 따른 나노입자와, 바람직하게는 압출기 또는 혼화기에서 혼합되는 것을 특징으로 하는, 제 20 항 또는 제 21 항에 따른 중합체 조성물의 제조 방법.
  23. 제 7 항 또는 제 8 항에 따른 분산액으로 처리된 목재.
  24. 제 7 항 또는 제 8 항에 따른 분산액으로 처리되거나 제 17 항 또는 제 18 항에 따른 중합체 조성물을 포함하는 플라스틱.
  25. 제 7 항 또는 제 8 항에 따른 분산액으로 처리되거나 제 17 항 또는 제 18 항에 따른 중합체 조성물을 포함하는 섬유.
  26. 제 7 항 또는 제 8 항에 따른 분산액으로 처리된 유리.
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