WO2012020113A1

WO2012020113A1 - Stabilisierung nanopartikulärer füllstoffe in harzformulierungen

Info

Publication number: WO2012020113A1
Application number: PCT/EP2011/063916
Authority: WO
Inventors: Max Von Bistram; Xingyu Wang
Original assignee: Sgl Carbon Se
Priority date: 2010-08-13
Filing date: 2011-08-12
Publication date: 2012-02-16
Also published as: DE102010039318A1; EP2603553A1

Abstract

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

Description

Stabilisierung nanopartikulärer Füllstoffe in Harzformulierungen

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von mit Nanoteilchen versetzten Harzformulierungen, wobei Defekte in dem ausgehärteten Material vermieden werden, die durch eine Agglomeration der Partikel hervorgerufen werden.

Die EP1244730B1 beschreibt ein Verfahren zur Einarbeitung von CNT Agglomeraten in eine Polymermatrix durch hydrodynamische Beanspruchung. Auf diese Weise wird ein Aufbrechen der Agglomerate erreicht.

In der EP692136B1wird eine Polymerzusammensetzung offenbart, bei der durch einen Einarbeitungsprozess mit Hilfe von Scherkräften Agglomerate von Kohlenstoff- Fibrillen aufgebrochen werden.

US6265466B1 beschreibt eine Polymerzusammensetzung aus Polymermaterial und CNTs, die elektromagnetische Abschirmung bietet sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung. Das Verfahren beinhaltet die Verwendung von Scherkräften, um die CNTs zu orientieren.

In der EP1673825A1 wird ein Verfahren zur Oberflächenmodifikation durch Plas- matron Behandlung beschrieben.

Alle bekannten Methoden zur Stabilisierung der Dispersion sind thermodynamisch beeinflusst. Sobald sich agglomerierte Flocken gebildet haben, die sich zu einem gewissen Grad ineinander verhaken, zum Beispiel durch Scherung des Harzes während der Formulierung, ist dieser thermodynamische Ansatz unbefriedigend. Die ausgeflockten Füllstoffe werden durch die potentiell freigesetzte Oberflächenenergie nicht vollständig redispergiert, sobald die kinetische oder sterische Barriere zur Entflechtung der Ausflockung höher ist als der Energiegewinn.

Trotz aller Bemühungen ist es nicht gelungen, die Agglomeration von partikulären Füllstoffen innerhalb von Harzen mit einfachen Mitteln zu verhindern, wodurch in der Regel schlechtere Materialeigenschaften entstehen, beispielsweise schlechtere me- chanische Eigenschaften oder schlechtere optische oder haptische Eigenschaften einer Oberfläche. Die Agglomeration von Partikeln wird oftmals durch eine kontinuierliche Scherung des Systems begünstigt. Vor allem bei hohen Scherraten und starker Perturbation des Harzes, wie dies beispielsweise beim Rühren, Kneten, Spreizen, Pressen oder beim Spritzguss auftreten kann, besteht daher in besonderem Maß das Bedürfnis, die Agglomeration partikulärer Füllstoffe zu verhindern.

Wünschenswert ist eine ausreichende chemische und/oder physikalische Stabilisierung der Dispersion, wodurch die Agglomeration von partikulären Füllstoffen unter statischen und dynamischen Umständen stark vermindert wird.

Ein Hauptproblem bezüglich CNTs als funktionale Füllmaterialien in Epoxidharzen besteht darin, dass kommerziell erhältliche CNTs, beispielsweise unfunktionalisierte mehrwändige CNTs, in den meisten Matrixsystemen keine thermodynamisch stabilen Suspensionen bilden. Dies liegt daran, dass große Grenzflächenbereiche, wie sie von guten Dispersionen kleiner Teilchen gebildet werden, zu sehr hoher Grenzflächenenergie innerhalb eines Systems führen.

Thermodynamisch erfolgt eine Minimierung der Systemenergie, indem der Grenzflächenbereich dadurch verkleinert wird, dass eine Agglomeration der Füllstoffe auftritt.

Aktuell wird dieses Problem durch grenzflächenaktive Substanzen mit meist niedrigem Molekulargewicht als Additive gelöst, um die Oberflächenspannung der Matrixflüssigkeit zu senken, oder aber durch chemische Modifikation der Oberfläche von CNTs, was durch Funktionalisierung wie z. B. Oxidation oder Aminierung der CNTs geschieht.

Tenside zur Lösung des Stabilitätsproblems sind für Anwendungen wie faserverstärkte Verbundmaterialien nur bedingt geeignet, da die Wechselwirkung zwischen der Matrix und den Fasern negativ beeinflusst werden kann.

Die Funktionalisierung von CNTs ist wiederum mit einer zusätzlichen chemischen Umsetzung verbunden und damit ziemlich teuer. Es sind zwar relativ günstige funktionalisierte CNTs am Markt erhältlich, die in der Regel durch harsche oxidative Behandlung von CNTs hergestellt werden. Durch diese oxidative Behandlung entstehen aber signifikante strukturelle Defekte innerhalb der CNTs, wodurch sich die mechanischen Eigenschaften der Füllstoffe stark verschlechtern. Weniger destruktive Funktionalisierungsmethoden sind großtechnisch anspruchsvoller und mit entsprechendem Aufwand verbunden.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, Formulierungen von mit Nanoteilchen versetzten Harzformulierungen herzustellen, deren Dispergiergüte ohne den Einsatz von Tensi- den und/oder aufwändige chemische Modifizierung der Grenzfläche in einem solchen Maße gewährleistet wird, dass keine Defekte, die durch Agglomeration partikulärer Füllstoffe während der Formulierung hervorgerufen werden, in dem ausgehärteten Material entstehen.

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung von mit Nanoteilchen versetzten Harzformulierungen, wobei makromolekulare Substanzen genutzt werden, um eine Agglomeration von Füllstoffen in einer Dispersion zu verhindern. Durch makromolekulare Substanzen und/oder partikuläre Füllstoffe wird die Tendenz dispergier- ter CNTs zur Bildung von Agglomeraten, insbesondere auch unter ausgeprägt dynamischen Bedingungen (wie Rühren, Kneten, Spritzen), unterdrückt. Somit werden viele Verarbeitungsprozesse ermöglicht, ohne Gefahr zu laufen, dass die tendenziell aggregationsfreudigen Füllstoffe im solidifizierten Zustand der Matrix, Defektstellen ausbilden.

Besonders bevorzugt wird die Dispersion auch unter dynamischer Beanspruchung stabilisiert.

Durch die erfindungsgemäßen makromolekularen Substanzen als Stabilisierungsagens kann die Agglomeration der nanopartikulären Füllstoffe (z.B. CNTs) in einer Dispersion in einem Flüssigharz wie DGEBA (Di-Glycidylether von Bisphenol-A) verhindert werden. Insbesondere im perturbierten Zustand des Systems wird die

Dispersionsgüte erhalten (siehe hierzu Figur 1 ; wobei a) Scherkraft und b) keine Agglomeration bedeutet). Dieser Vorteil ermöglicht die Herstellung von sehr homogenen Nanokomposite Matrix Harzen für effektive Anwendungen in vorzugsweise Faserverbundmaterialien, welche die Konzentration von Defekten reduzieren und daher die mechanischen Eigenschaften der Matrix deutlich verbessert werden. Ohne stabilisierende makromolekulare Substanzen tritt hingegen durch Scherkräfte induzierte Agglomeration auf, weshalb die gewünschte Homogenität der Partikeldispersion in dem Produkt oder Halbzeug nicht in befriedigendem Maße erreicht wird.

Die Stabilisierung durch Makromoleküle basiert nur zum Teil auf oberflächenaktiven Eigenschaften, die die Oberfläche der Nanopartikel mit dem Matrixharz kompatibili- siert. Die Verwendung von stabilisierenden makromolekularen Substanzen führt jedoch weiterhin zu einer Stabilisierung der Dispersion unter starker dynamischer Beanspruchung. Hierbei spielen zum einen die gesteigerte Konsistenz des Systems und zum anderen die gute Wechselwirkung des Stabilisierungsagens mit Füllstoff und Matrix die entscheidende Rolle. Überraschend gelingt so die Stabilisierung nano- partikluärer Füllstoffe in reaktiven Harzen unter statischen und sogar unter dynamisch gestörten Bedingungen.

Bevorzugt besteht die Formulierung aus Epoxidharzen, ungesättigten Polyesterharzen, Vinylesterharzen, Cyanatesterharzen, Acrylestern, Silikonen, Polyurethanen, Phenolharzen, Benzoxazinharzen, Oxazolinharzen, Harnstoff/Formaldehyharzen, Melaminharzen, Furanharzen, Bismaleimidharzen, Terpenharzen und/oder

Polyurethanen als Basismaterial.

Die Formulierung umfasst weiterhin bevorzugt sphärische Partikel mit einem mittleren Durchmesser kleiner 250 nm als partikuläre Füllstoffe, gebildet aus Kohlenstoff, Silizium, Keramik, Metall, Pigmenten, Polymeren, Proteinen oder Kautschuk, und/oder faserartigen Partikeln mit einem mittleren Durchmesser kleiner 250 nm und einem Aspektverhältnis von mindestens 10 gebildet aus Kohlenstoff, Silizium, Keramik, Metall, Polymeren, Proteinen oder Nukleotiden, und/oder plättchenförmigen Partikeln mit einem mittleren Durchmesser von weniger als 100 nm und einem Aspektverhältnis von mindestens 10 gebildet aus Kohlenstoff, Silizium, Keramik, Metall oder Polymeren. Der Gehalt an partikulären Füllstoffen für sphärische Partikel liegt bevorzugt zwischen 0,05 und 50 Gew.-%, vorzugsweise zwischen 5 und 40 Gew.-% und besonders bevorzugt zwischen 5 und 25 Gew.-%.

Der Gehalt an partikulären Füllstoffen für faserförmige Partikel liegt bevorzugt zwischen 0,05 und 20 Gew.-%, vorzugsweise zwischen 0, 1 und 5 Gew.-% und besonders bevorzugt zwischen 0, 1 und 2 Gew.-%.

Der Gehalt an partikulären Füllstoffen für Plättchen liegt zwischen 0,05 und 20 Gew.- %, vorzugsweise zwischen 0, 1 und 10 Gew.-% und besonders bevorzugt zwischen 0, 1 und 5 Gew.-%.

Als makromolekulare Substanzen besonders bevorzugt werden Thermoplasten (linear, verzweigt und/oder verästelt) eingesetzt, darunter auch Harzoligomere mit höheren Molekulargewichten als das Basisharz und/oder makromolekulare Härter. Überraschend wurde gefunden, dass die Thermoplasten in besonderer Weise die Dispersion der CNTs innerhalb des Harzkomponente stabilisieren: eine Tendenz der dispergierten CNTs zur Agglomeration tritt selbst bei langfristiger Perturbation nicht mehr auf.

Es ist bevorzugt, dass die makromolekularen Substanzen polare Funktionalitäten aus der Gruppe Hydroxyl, Carbonyl, Carboxyl, Amino, Amid, Halogen, Nitril, Cyanat, Iso- cyanat, Thiol, Sulphonyl, Sulphoxyl, Phosphat, Ether, Thioether, Acetal, Carbonat, Urethan, Anhydrid, und/oder Imido enthalten oder als ionische Anteile in dem Polymerrückgrat vorliegen und/oder als Substituenten dienen.

In bevorzugter Weise werden die erfindungsgemäß hergestellten mit Nanoteilchen versetzten Harzformulierungen für Beschichtungen, Klebstoffe, strukturelle Polymere oder faserverstärkte Verbundstoffe eingesetzt.

Als Beispiel für ein thermoplastisches Additiv, das eine Dispersion nicht funktionali- sierter CNTs stabilisieren kann, wurde der Effekt eines in einem Epoxidharz löslichen thermoplastischen Additivs auf die Stabilität einer Dipersion von unfunktionalisierten mehrwändigen Kohlenstoff Nanotubes (MWCNTs) in einem Epoxidharz, Diglycidyl- ether von Bisphenol-A (DGEBA), untersucht.

Die thermodynamische Instabilität einer Dispersion nicht funktionalisierter mehrwän- diger CNTs in DGEBA, wurde durch ein Alterungsexperiment nachgewiesen. Eine Stammdispersion von 1 Gew.-% MWCNT in DGEBA wurde über eine Dreiwalzendispersion hergestellt, anschließend einige Monate bei Raumtemperatur ohne dynamische Beanspruchung aufbewahrt und schließlich mittels mikroskopischer Methoden analysiert. Das Ergebnis zeigt, dass diese Stammdispersion eine thermodynamisch instabile Dispersion ist, gekennzeichnet durch Reagglomeration/Ausflockung der CNTs über die Zeit. Diese Agglomeration kommt ohne weitere Perturbation des Systems zustande, ist demnach rein energetisch getrieben.

Die Instabilität der Dispersion von Partikeln in einer Harzkomponente gegenüber scherinduzierter Agglomeration lässt sich sehr gut in einem Rotationsviskosimeter verfolgen. Hierzu wird ein Versuch mit konstanter Scherrate über die Zeit durchgeführt. Um auch den Einfluss unterschiedlicher Temperaturen abzubilden, wurde ein Temperaturprofil durchlaufen. Das Temperaturprofil setzt sich aus mehreren Schritten zusammen:

a) Aufheizen mit konstanter Heizrate bis 60 °C

b) Temperatur halten bei 60 °C (isothermer Schritt)

c) Aufheizen mit konstanter Heizrate bis 100 °C

d) Temperatur halten bei 100 °C (isothermer Schritt)

e) Aufheizen mit konstanter Heizrate bis Messende

Die resultierenden Kurven für ungefülltes DGEBA (1 ), MWCNTs in DGEBA (2) und MWCNTs in DGEBA + thermoplastischer Stabilisator (3) sind exemplarisch in Fig.2 dargestellt.

Bei Flüssigkeiten findet sich typischerweise eine Erniedrigung der Viskosität mit steigender Temperatur. Dieses Verhalten zeigt sich auch während der Aufheizschritte (a, c, e) deutlich. Besonderes Augenmerk muss aber auf die isothermen Schritten (b, d) gelegt werden, da hier die Situation der kontinuierlichen Scherung am besten wiedergegeben wird. Sofern eine Dispersion vorliegt, die gegenüber scherungsindu- zierter Agglomeration anfällig ist, zeigt sich das in einer kontinuierlichen Viskositätsabnahme während dieser isothermen Schritte (deutlich zu sehen bei Kurve 2). Kann es zu keiner Agglomeration kommen (Kurve 1 = reine Harzkomponente) oder ist die Dispersion stabilisiert (Kurve 3 = mit Stabilisator), zeigt sich das in einem stabilen Viskositätswert über die Zeit (keine Stufe bei isothermen Schritten b und d).

Als weiteren Beleg für auftretende Agglomeration kann der flachere Kurvenverlauf bei der nicht stabilisierten Dispersion betrachtet werden. Es bildet sich ein Gleichgewichtszustand zwischen scherungsinduzierter Agglomeration/Netzwerkbildung und Aufbrechen der Agglomerate durch steigende Scherkräfte innerhalb des agglomerierten Netzwerks. Das Resultat ist eine Grenzviskosität, an welche sich die Kurve annähert. Ein solcher Kurvenverlauf wird mit Hilfe des makromolekularen Additivs effektiv verhindert. Der Kurvenverlauf (3) entspricht dem des ungefüllten Systems (1 ), insgesamt nur bei höheren Viskositätswerten.

Anwendungsbeispiele:

Stammlösung: 1 Gew.-% nicht-funktionalisierte mehrwändige CNTs in Epoxidharz, Diglycidylether von Bisphenol-A.

Ein Beispiel ohne thermoplastisches Stabilisierungsagens wird wie folgt ausgeführt:

Stammlösung und Epoxidharz werden zu dem Härter gegeben und 10 Minuten bei 60 °C gerührt. Danach wird die Formulierung auf Raumtemperatur abgekühlt.

Beispiele mit thermoplastischem Stabilisierungsagens werden ähnlich ausgeführt, wobei das Epoxidharz aber vorher modifiziert werden muss:

Thermoplastisches Pulver und Epoxidharz werden mit einem Rührer gemischt und anschließend auf 130 °C erhitzt, um das Polymer in dem Harz zu lösen (die Bedingungen zur Lösung des Additives innerhalb des Harzes hängen von den jeweils benutzten Komponenten ab). So bald eine homogene Lösung des Thermoplasten erreicht ist (klare Lösung), wird das Harz auf 60 °C unter Rühren abgekühlt. Stammlösung und die zubereitete Epoxidharz werden zu dem Härter gegeben und 10 Minuten bei 60 °C gerührt. Danach wird die Formulierung auf Raumtemperatur abgekühlt.

Claims

Patentansprüche

1 . Verfahren zur Herstellung von mit Nanoteilchen versetzten und ein flüssiges Basisharz umfassenden Harzformulierungen, dadurch gekennzeichnet, dass

Thermoplasten als makromolekulare Substanzen (linear, verzweigt und/oder verästelt) und/oder Harzoligomere mit höheren Molekulargewichten als das Basisharz eingesetzt werden, um eine Agglomeration der Nanoteilchen als partikuläre Füllstoffe in einer Dispersion in der Harzformulierung zu verhindern.

2. Verfahren zur Herstellung von mit Nanoteilchen versetzten Harzformulierungen nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Dispersion auch unter dynamischer Beanspruchung stabilisiert werden kann.

3. Verfahren zur Herstellung von mit Nanoteilchen versetzten Harzformulierungen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Formulierung Epoxidharze, ungesättigten Polyesterharze, Vinylesterharze, Cya- natesterharze, Acrylesterharze, Silikone, Polyurethane, Phenol/Formaldehydharze, Benzoxazine, Oxazoline, Harnstoff/Formaldehyharze, Melaminharze, Furanharze, Bismaleimid Harze, Terpenharze und/oder Polyurethane als Basisharz beinhaltet.

4. Verfahren zur Herstellung von mit Nanoteilchen versetzten Harzformulierungen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Formulierung sphärische Partikel mit einem mittleren Durchmesser kleiner 250 nm als partikuläre Füllstoffe umfasst, gebildet aus Kohlenstoff, Silizium, Keramik, Metall, Pigmenten, Polymeren, Proteinen oder Kautschuk und/oder faserartigen Partikeln mit einem mittleren Durchmesser kleiner 250 nm und einem Aspektverhältnis von mindestens 10 gebildet aus Kohlenstoff, Silizium, Keramik, Metall, Polymeren, Proteinen oder Nukleotiden und/oder plättchenförmigen Partikeln mit einem mittleren

Durchmesser von weniger als 100 nm und einem Aspektverhältnis von mindestens 10 gebildet aus Kohlenstoff, Silizium, Keramik, Metall oder Polymeren.

5. Verfahren zur Herstellung von mit Nanoteilchen versetzten Harzformulierungen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehalt an partikulären Füllstoffen für sphärische Partikel zwischen 0,05 und 50 Gew.-% ist, vorzugsweise zwischen 5 und 40 Gew.-% und besonders bevorzugt zwischen 5 und 25 Gew.-%.

6. Verfahren zur Herstellung von mit Nanoteilchen versetzten Harzformulierungen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehalt an partikulären Füllstoffen für faserförmige Partikel zwischen 0,05 und 20 Gew.-% ist, vorzugsweise zwischen 0, 1 und 5 Gew.-% und besonders bevorzugt zwischen 0, 1 und 2 Gew.-%.

7. Verfahren zur Herstellung von mit Nanoteilchen versetzten Harzformulierungen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehalt an partikulären Füllstoffen für Plättchen zwischen 0,05 und 20 Gew.-% ist, vorzugsweise zwischen 0, 1 und 10 Gew.-% und besonders bevorzugt zwischen 0, 1 und 5 Gew.-%.

8. Verfahren zur Herstellung von mit Nanoteilchen versetzten Harzformulierungen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die makromolekularen Substanzen polare Funktionalitäten aus der Gruppe Hydroxyl, Carbonyl, Carboxyl, Amino, Amid, Halogen, Nitril, Cyanat, Isocyanat, Thiol, Sulpho- nyl, Sulphoxyl, Phosphat, Ether, Thioether, Acetal, Carbonat, Urethan, Anhydrid, und/oder Imido enthalten oder als ionische Anteile in dem Polymerrückgrad vorliegen und/oder als Substituenten dienen.

9. Verwendung der nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8 hergestellten mit Nanoteilchen versetzten Harzformulierungen für Beschichtungen, Klebstoffe, strukturelle Polymere und/oder faserverstärkte Verbundstoffe.

10. Verwendung von makromolekularen Substanzen zur Herstellung von mit

Nanoteilchen versetzten und ein flüssiges Basisharz umfassenden

Harzformulierungen,

dadurch gekennzeichnet, dass

die makromolekularen Substanzen lineare, verzweigte und/oder verästelte

Thermoplasten und/oder Harzoligomere eines höheren Molekulargewichts als das Basisharz sind, um eine Agglomeration der Nanoteilchen als partikuläre Füllstoffe in einer Dispersion in der Harzformulierung zu verhindern.