DE102017108831A1 - Electrically conductive adhesive film - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrisch leitfähigen Haftfilm umfassend mindestens eine Haftschicht, welche ein amphiphiles Polymer, das funktionelle Gruppen mit basischen und bevorzugt nukleophilen Stickstoffatomen enthält, umfasst oder daraus besteht; und mindestens eine Leitschicht, welche leitfähige, nichtmetallische Nanopartikel umfasst oder daraus besteht. Zudem betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung eines solchen Haftfilms zum Beschichten oder Verbinden von Substraten, sowie einen entsprechenden Verbund und Verfahren zur Herstellung eines solchen Verbundes.The present invention relates to an electroconductive adhesive film comprising at least one adhesive layer comprising or consisting of an amphiphilic polymer containing functional groups with basic and preferably nucleophilic nitrogen atoms; and at least one conductive layer comprising or consisting of conductive non-metallic nanoparticles. In addition, the present invention relates to the use of such an adhesive film for coating or bonding substrates, as well as a corresponding composite and method for producing such a composite.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrisch leitfähigen Haftfilm umfassend mindestens eine Haftschicht, welche ein amphiphiles Polymer, das funktionelle Gruppen mit basischen und bevorzugt nukleophilen Stickstoffatomen enthält, umfasst oder daraus besteht; und mindestens eine Leitschicht, welche leitfähige, nichtmetallische Nanopartikel umfasst oder daraus besteht. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung auch einen elektrisch leitfähigen Haftfilm welcher auf einen Stimulus reagiert. Zudem betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung eines erfindungsgemäßen Haftfilms zum Beschichten oder Verbinden von Substraten, sowie einen Verbund aus einem erfindungsgemäßen Haftfilm und einem oder mehreren Substrat(en) und Verfahren zur Herstellung von einem erfindungsgemäßen Verbund.The present invention relates to an electroconductive adhesive film comprising at least one adhesive layer comprising or consisting of an amphiphilic polymer containing functional groups with basic and preferably nucleophilic nitrogen atoms; and at least one conductive layer comprising or consisting of conductive non-metallic nanoparticles. In particular, the present invention also relates to an electrically conductive adhesive film which responds to a stimulus. Moreover, the present invention relates to the use of an adhesive film according to the invention for coating or bonding substrates, as well as a composite of an adhesive film according to the invention and one or more substrate (s) and methods for producing a composite according to the invention.
Submikroskopische leitfähige Schichten finden Anwendung in der Sensorelektronik für die Detektion von Stromsignalen und Kapazitätsmessungen. Als Elektrodenmaterial können sie für photovoltaische Anwendungen oder (organische) Leuchtdioden verwendet werden. Verbreitet ist die Verwendung von ITO (Indium Tin Oxide) -Schichten als Elektrodenmaterial für Photovoltaikzellen, welche in einem Vakuumprozess aufgedampft werden. Auch elektrochrome Gläser, deren Transparenz sich beim Anlegen einer elektrischen Spannung ändert und die so zu „Smart Windows“ werden können, bedürfen eines leitfähigen Glassubstrats und es kommen zum Beispiel FTO-Gläser zum Einsatz, die mit Fluor-dotiertem Zinnoxid ausgerüstet sind. Zunehmend gewinnt aber Graphen oder (teilweise) reduziertes Graphenoxid an Bedeutung.Submicroscopic conductive layers are used in sensor electronics for the detection of current signals and capacitance measurements. As electrode material, they can be used for photovoltaic applications or (organic) light-emitting diodes. The use of ITO (indium tin oxide) layers as electrode material for photovoltaic cells, which are vapor-deposited in a vacuum process, is widespread. Even electrochromic glasses whose transparency changes when an electrical voltage is applied and which can thus become "smart windows" require a conductive glass substrate and, for example, FTO glasses are used which are equipped with fluorine-doped tin oxide. Graphene or (partially) reduced graphene oxide is gaining in importance.
Graphen-Einzellagen (Monolayer) werden in der Regel in Gasphasenprozessen auf Substrate aufgebracht (z.B. PVD oder CVD, siehe
Geringe elektrische Schichtwiderstände bei gleichzeitig hoher Transmission ermöglichen vor allem mittels CVD hergestellte Graphenschichten (
Schicht-für-Schicht Selbstorganisations-basierte Graphenoxid(GO)/Polyelektroloyt-Nanokompositfilme und ihr Einsatz als Feuchtigkeitssensoren sind aus
Poly(diallylldimethylammoniumchlorid) (PDDA) dient dabei als positiv geladenes und Poly(natrium 4-styrolsulfonat) (PSS) als negativ geladenes Polyelektrolyt-Teilschichtsystem. Die Haftung auf Substraten wird hier durch die Anhaftung von PDDA oder PSS zum Substrat bestimmt. Offenbart wird die Nanoschicht-Folge PDDA-PSS-PDDA-GO-PDDA-GO. Der Schichtabstand zwischen Graphenoxid-Schichten beträgt 0.776 nm. Die Sensoren werden nach der Tauchbelegung des Substrats in aufeinander folgenden Schritten (und zwischengeschalteten Spülschritten) zwei Stunden bei 50 °C getrocknet und schließlich kapazitiv ausgelesen.Poly (diallyl dimethyl ammonium chloride) (PDDA) serves as a positively charged poly (sodium 4-styrenesulfonate) (PSS) as a negatively charged polyelectrolyte sublayer system. The adhesion to substrates is determined here by the adhesion of PDDA or PSS to the substrate. The nano-layer sequence is disclosed as PDDA-PSS-PDDA-GO-PDDA-GO. The layer spacing between graphene oxide layers is 0.776 nm. The sensors are after the immersion of the substrate in successive steps (and intermediate rinsing steps) dried for two hours at 50 ° C and finally read capacitive.
Die kovalente Anbindung von reduziertem Graphenoxid (rGO) auf Aminopropyltriethoxysilan (APTES)-modifizierten SiO2/Si-Schichten ist in Ou et al. (Langmuir, 26 (20), 2010, 15830-15836) offenbart. APTES kann über Kondensationsreaktionen an Hydroxidgruppen auf Substratoberflächen gebunden werden. Die terminale, primäre Aminogruppe der modifizierten Oberfläche bindet kovalent an die GO-Schicht.The covalent attachment of reduced graphene oxide (rGO) to aminopropyltriethoxysilane (APTES) -modified SiO 2 / Si layers is described in Ou et al. (Langmuir, 26 (20), 2010, 15830-15836). APTES can be attached via condensation reactions to hydroxide groups on substrate surfaces. The terminal, primary amino group of modified surface covalently binds to the GO layer.
Dass transparente und leitfähige ultradünne, kontinuierliche und homogene Graphenfilme aus exfoliertem Graphenoxid (bzw. Graphitoxid) durch Tauchbeladung von hydrophilen Substraten (wie zum Beispiel vorbehandeltem Quarz) bei 70 °C und anschließende thermische Reduktion (zum Beispiel bei 550 °C bis 1100 °C) hergestellt werden können, ist in
Bekannt ist auch die Bildung von Zwei-Schichtsystemen auf Basis von GO, auf dem ein Polypeptid (z.B. Polylysin) adsorbiert wird (
Vakuum- bzw. Gasphasenprozesse zur Beschichtung von Substraten sind in der Regel aufwändig und teuer. Mehrstufige Verfahren wie Schicht-für-Schicht-Prozesse z.B. unter Verwendung von unterschiedlich geladenen Polyelektrolyten, erfordern meist eine ganze Reihe von zwischengeschalteten Spül- und/oder Trocknungsschritten und sind daher ebenfalls nicht effizient. Eine feste, insbesondere kovalente Anbindung der leitfähigen Schichten ist in der Regel nur auf speziell modifizierten Substraten möglich.Vacuum or gas phase processes for coating substrates are usually complex and expensive. Multi-stage methods such as layer-by-layer processes e.g. using differently charged polyelectrolytes usually require a whole series of intermediate rinsing and / or drying steps and are therefore also not efficient. A solid, in particular covalent, binding of the conductive layers is generally possible only on specially modified substrates.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es daher Materialien und Verfahren bereitzustellen, mit denen unter möglichst wenig Aufwand submikroskopische leitfähige Schichten auf ein möglichst breites Spektrum von Substraten aufgetragen werden können und dabei eine stabile Anhaftung erreicht wird.It was therefore an object of the present invention to provide materials and methods with which submicroscopic conductive layers can be applied to the widest possible spectrum of substrates with as little effort as possible and a stable adhesion is achieved.
Zudem war es auch eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung leitfähige Schichten bereitzustellen, die so gute Hafteigenschaften aufweisen, dass sie auch zum Verbinden von zwei oder mehr Substraten geeignet sind.In addition, it was also an object of the present invention to provide conductive layers which have such good adhesive properties that they are also suitable for bonding two or more substrates.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, leitfähige Schichten bereitzustellen, die empfindlich auf einen Stimulus reagieren, insbesondere durch messbare Leitfähigkeits-/Kapazitätsänderungen.Another object of the present invention was to provide conductive layers that are sensitive to stimulus, particularly through measurable conductivity / capacitance changes.
Schließlich war es auch eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung Möglichkeiten bereitzustellen, die Stapelung von leitfähigen Schichten aufeinander gezielt zu steuern so wie die Freisetzung von Substanzen aus den Schichten zu ermöglichen.Finally, it was also an object of the present invention to provide possibilities to selectively control the stacking of conductive layers as well as to facilitate the release of substances from the layers.
Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß gelöst durch einen elektrisch leitfähigen Haftfilm umfassend
- (i) mindestens eine Haftschicht, welche ein amphiphiles Polymer, das funktionelle Gruppen mit basischen und bevorzugt nukleophilen Stickstoffatomen enthält, umfasst oder daraus besteht; und
- (ii) mindestens eine Leitschicht, welche leitfähige, nichtmetallische Nanopartikel umfasst oder daraus besteht.
- (i) at least one adhesive layer comprising or consisting of an amphiphilic polymer containing functional groups with basic and preferably nucleophilic nitrogen atoms; and
- (ii) at least one conductive layer comprising or consisting of conductive non-metallic nanoparticles.
In bevorzugten Anwendungen erfindungsgemäßer Beschichtungen wird an diese eine elektrische Spannung angelegt und passiv:
- - ein Stromsignal ausgelesen (z.B. Leitfähigkeitsmessung)
- - eine Kapazitätsmessung durchgeführt (z.B. Feuchtesensorik, chemische Sensorik)
- - um als Sensor zur Ermittlung des Zustands oder von Änderungen des Zustands an Grenzflächen von Polymerschichten enthaltenden Verbunden verwendet zu werden
- - um als Elektrodenmaterial für photovoltaische Anwendungen verwendet zu werden
- - um als Elektrodenmaterial für (flexible), (organische) Leuchtdioden (OLEDs) verwendet zu werden.
- - ein resistives Erhitzen durchgeführt,
- - eine elektrische Polarisation durchgeführt,
- - um eine Anti-Eis-Wirkung oder anti-Fouling zu erzielen.
- - read out a current signal (eg conductivity measurement)
- - a capacitance measurement carried out (eg humidity sensor, chemical sensors)
- to be used as a sensor for determining the state or changes in state at interfaces of polymer layer-containing composites
- - to be used as electrode material for photovoltaic applications
- - to be used as electrode material for (flexible), (organic) light-emitting diodes (OLEDs).
- - performed a resistive heating,
- - performed an electrical polarization,
- - to achieve an anti-ice effect or anti-fouling.
Ein Haftfilm dient im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung auch dazu in einer Klebezone die Adhäsion zu bestimmen, d.h. der Haftfilm bewirkt zumindest teilweise entweder ein- oder beidseitig eine Adhäsion.An adhesive film, in the context of the present invention, also serves to determine the adhesion in an adhesive zone, i. the adhesive film causes at least partially either one or both sides of an adhesion.
Sensorelektronik ist mit Spannungen bis zu 10V bei Strömen im Mikroampere-Bereich und bei Schichtwiderständen von wenigen Megaohm betreibbar. Erfindungsgemäße Haftfilme weisen nicht nur ein breites Haftspektrum (zu Substraten und aufliegenden Schichten) auf, sondern sie sind bevorzugt auch nur wenige Nanometer dünn, aber dabei ausreichend gut leitfähig.Sensor electronics can be operated with voltages up to 10 V at currents in the microampere range and with layer resistances of a few megohms. Adhesive films according to the invention not only have a broad adhesion spectrum (to substrates and overlying layers), but they are preferably also only a few nanometers thick, but sufficiently conductive.
Bei dem amphiphilen Polymer, das funktionelle Gruppen mit basischen und bevorzugt nukleophilen Stickstoffatomen (N-basierte funktionelle Gruppen) enthält, handelt es sich um ein grenzflächenaktives Polymer, im Folgenden auch als „Interfactant“ (kurz für: interface active agent) bezeichnet. Als polymeres Interfactant wird ein polymeres benetzbares, molekulares Benetzungsmittel verstanden, das Substrate in solcher Weise benetzt, dass in Richtung senkrecht zur Substratoberfläche eine oder zwei Interfactant-Moleküllagen aufliegen. Nach Adsorption auf einer weiten Spanne verschiedenartiger Substratoberflächen sind solche Interfactants binnen einer Zeit, die überhalb einer typischen Schichtbildungsprozess-Zeit liegt (ca eine Stunde), nicht mehr mit Wasser vom Substrat abwaschbar. N-basierte-funktionelle Gruppen mit basischen und bevorzugt nukleophilen Stickstoffatomen weisen am Stickstoff ein freies Elektronenpaar auf, welches als Base protoniert werden und gegebenenfalls auch als Nukleophil wirken kann. Solche Gruppen können z.B. Amin- und Amid-Gruppen sein. Weitere Möglichkeiten werden weiter unten beschrieben. Bevorzugte Polymere sind z.B. in
(Komplexierte) Metallionen und Polysaccharide steuern das Verhalten der Haftschichten in sich (kohäsiv) und in Wechselwirkung mit umgebenden Leitschichten (adhäsiv) wesentlich. So wirken sie sich während der nasschemischen Schichtherstellung auf die Bildung, Struktur und die Zusammensetzung der Haftfilme aus. Während der Härtung/Konditionierung der Filme bei der Umwandlung von GO in (teilweise) (thermisch) reduziertes GO beeinflussen (komplexierte) Metallionen und Polysaccharide die innere Filmstruktur und die Struktur der Filmober- bzw. -grenzflächen, so zum Beispiel die Bildung von Falten in den Leitschichten bei der Konditionierung. (Komplexierte) Metallionen können dabei insbesondere Vernetzungsreaktionen zwischen Interfactants und GO katalysieren und somit bei niedrigeren Temperaturen als im nicht-katalysierten Falle ermöglichen. In gehärteten/konditionierten Haftfilmen beeinflussen (komplexierte) Metallionen und Polysaccharide als zusätzlicher Schichtbestandteil die Antwort (Response) der Haftschichten (und somit auch der Haftfilme) auf Stimuli, d.h. sie verändern sie (also erhöhen oder erniedrigen oder ermöglichen oder machen spezifsch), indem sie die Leitfähigkeit und/oder die Wasseraufnahmefähigkeit und/oder das Quellverhalten bei Wasseraufnahme beeinflussen. Insbesondere können sie mit den weiteren Haftschichtbestandteilen in An- oder auch Abwesenheit der externen Stimuli lateral (also in Richtung parallel zur Schichtebene) wechselwirken und den Haftschichtaufbau und die Haftschichtstruktur verändern, wobei komplexierte Metallionen z.B. durch koordinative Vernetzung und Polysaccharide als hydrophile Abstandshalter wirken. Schließlich können sie vertikal (also in Richtung senkrecht zur Schichtebene) auch die (adhäsive) Wechselwirkung zwischen der Haftschicht und einer (oder beiden) umgebenden Leitschichten beeinflussen.(Complexed) metal ions and polysaccharides essentially control the behavior of the adhesive layers in themselves (cohesively) and in interaction with surrounding conductive layers (adhesively). Thus, during the wet-chemical layer production, they have an effect on the formation, structure and composition of the adhesive films. During cure / conditioning of the films in the conversion of GO into (partially) (thermally) reduced GO, (complexed) metal ions and polysaccharides affect the internal film structure and the structure of the film interfaces, such as the formation of wrinkles in the conductive layers during conditioning. (Complexed) metal ions can in particular catalyze crosslinking reactions between interferants and GO and thus allow at lower temperatures than in the non-catalyzed case. In cured / conditioned adhesive films, (complexed) metal ions and polysaccharides as an additional layer component affect the response of the adhesive layers (and thus also the adhesive films) to stimuli, i. they change them (ie increase or decrease or allow or make specific) by influencing the conductivity and / or the water absorbency and / or the swelling behavior when absorbing water. In particular, they can interact laterally with the other adhesive layer constituents in the presence or absence of the external stimuli (ie in the direction parallel to the layer plane) and change the adhesive layer structure and the adhesive layer structure, complexed metal ions e.g. by coordinative crosslinking and polysaccharides act as hydrophilic spacers. Finally, vertically (ie in the direction perpendicular to the layer plane), they can also influence the (adhesive) interaction between the adhesive layer and one (or both) of the surrounding conductive layers.
Die Anhaftung von Laccase auf Siliziumoxid-, Kohlenstoff- oder Magnesiumoberflächen ist bereits beschrieben worden (
Solche Polymere erlauben es, das leitfähige Material materialschlüssig zu fügen und an Substrate anzubinden. Das elektrisch leitfähige Material weist somit einerseits über seine Unterseite eine vollflächige Haftung auf unterschiedlichen Substraten wie z.B. Kohlenstoff, Polymeren, Metallen und Keramiken auf und andererseits ist das Haftungsverhalten der Oberseite ebenfalls vollflächig einstellbar, z.B. durch das Auftragen einer weiteren Haftschicht. Die Filmdicke kann zudem durch Stapeln alternierender Haft- und Leitschichten eingestellt werden. Der erfindungsgemäße Haftfilm kann die Haftung zu unterschiedlichen, auch selbst wiederum schichtbildenden Materialien, z. B. auch Klebstoffen, vermitteln und damit zum variablen Aufbau verschiedener Schichtstrukturen eingesetzt werden.Such polymers allow the conductive material to be materially joined and bonded to substrates. The electrically conductive material thus has, on the one hand, over its underside a full-surface adhesion to different substrates, such as e.g. Carbon, polymers, metals and ceramics and on the other hand, the adhesion behavior of the top is also fully adjustable, e.g. by applying a further adhesive layer. The film thickness can also be adjusted by stacking alternating adhesive and conductive layers. The adhesive film of the invention, the adhesion to different, even in turn layer-forming materials, for. As well as adhesives, mediate and thus used for the variable structure of different layer structures.
Als Leitschichtbildner kommen z.B. Nanopartikel aus (partiell) reduziertem Graphenoxid, Kohlenstoffnanoröhren, Ruß oder eine Mischung der vorgenannten Materialien in Frage. Bevorzugte Nanopartikel sind weiter unten beschrieben.As a conductive layer former, e.g. Nanoparticles of (partially) reduced graphene oxide, carbon nanotubes, carbon black or a mixture of the aforementioned materials in question. Preferred nanoparticles are described below.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hat der Haftfilm eine Dicke von weniger als 100 nm, bevorzugt weniger als 20 nm, besonders bevorzugt weniger als 10 nm. Die Lichttransmissivität des erfindungsgemäßen Haftfilms kann dabei mindestens 1 %, mindestens 10 %, mindestens 30 %, bevorzugt mindestens 80 %, oder besonders bevorzugt mindestens 90 % betragen.According to one embodiment of the present invention, the adhesive film has a thickness of less than 100 nm, preferably less than 20 nm, particularly preferably less than 10 nm. The light transmissivity of the adhesive film according to the invention may be at least 1%, at least 10%, at least 30%, preferred at least 80%, or more preferably at least 90%.
Der erfindungsgemäße Haftfilm kann damit submikroskopische Dicken aufweisen und sogar transpatent sein, was für bestimmte optische Anwendungen von Vorteil sein kann.The adhesive film according to the invention may thus have submicroscopic thicknesses and even be transparent, which may be advantageous for certain optical applications.
Ähnlich wie bei einer Parallelschaltung Ohmscher Widerstände ist die Leitfähigkeit bei dickeren Schichten höher. Also gibt man die Leitfähigkeiten oft bezogen auf die Schichtdicke des Haftfilms an, was indirekt über die Lichttransmissivität quantifiziert werden kann. Die nachfolgend aufgeführten Zahlenwerte sind Zahlenwerte für die „kombinierte“ Messgröße „Conductivity of transparency“ mit der Einheit S/m (Siemens pro Meter).Similar to a parallel connection of ohmic resistors, the conductivity is higher for thicker layers. Thus, the conductivities are often given in relation to the layer thickness of the adhesive film, which can be quantified indirectly via the light transmissivity. The numerical values listed below are numerical values for the "combined" measured variable "Conductivity of transparency" with the unit S / m (Siemens per meter).
Bei den oben ausgeführten Lichttransmissivitäten der erfindungsgemäßen Haftfilme liegen die Werte für die elektrische Leitfähigkeit (gemessen zwischen zwei mehrere Millimeter voneinander entfernten elektrischen Kontaktstellen mit dem Haftfilm) zwischen 0,1 S/m und 5000 S/m. Bevorzugte Werte liegen im Falle von Haftfilmen mit einer Lichttransmissivität größer als 90 % (gemessen bei einer Lichtwellenlänge von 550 nm) zwischen 1 und 500 S/m.In the case of the above-described light transmissivities of the adhesive films according to the invention, they are Values for the electrical conductivity (measured between two electrical contact points several millimeters apart with the adhesive film) between 0.1 S / m and 5000 S / m. Preferred values in the case of adhesive films with a light transmissivity greater than 90% (measured at a light wavelength of 550 nm) are between 1 and 500 S / m.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die mindestens eine Haftschicht und/oder die mindestens eine Leitschicht jeweils ein Monolayer.According to a preferred embodiment, the at least one adhesive layer and / or the at least one conductive layer is in each case a monolayer.
Unter einem Monolayer oder einer Einzellage ist im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung eine Anordnung zu verstehen, bei der idealerweise jedes Molekül der Haftschicht gleichzeitig in Kontakt mit dem Substrat und den Nanopartikeln der Leitschicht ist, bzw. im Fall alternierender Haft- und Leitschichten, gleichzeitig in Kontakt mit den Nanopartikeln der darunter und der darüber liegenden Leitschicht ist. Für die Ausbildung solcher Monolayer als Haftschicht eignen sich ganz besonders Polypeptide, insbesondere globuläre Proteine, wie Laccasen und Albumine. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die einzelnen Polymermoleküle der Haftschicht nicht untereinander vernetzt.In the context of the present invention, a monolayer or a single layer means an arrangement in which each molecule of the adhesion layer is ideally in contact with the substrate and the nanoparticles of the conductive layer simultaneously or, in the case of alternating adhesion and conductive layers, simultaneously Contact with the nanoparticles of the underlying and overlying conductive layer is. Particularly suitable for the formation of such monolayer as an adhesive layer are polypeptides, in particular globular proteins, such as laccases and albumins. According to one embodiment of the present invention, the individual polymer molecules of the adhesion layer are not crosslinked with one another.
Ähnlich bedeutet ein Monolayer oder eine Einzellage der Leitschicht, dass jeder Nanopartikel mit der darunter liegenden Haftschicht und gegebenenfalls gleichzeitig mit der darüber liegenden Haftschicht in Kontakt ist. Dabei können gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zwischen dem Interfactant und den Nanopartikeln der Leitschicht nur van der Waals-Wechselwirkungen auftreten, während es in einer anderen Ausführungsform zu kovalenten Bindungen zwischen Interfactant und Leitschichtbildnern kommen kann, sowie zu einer chemisch kovalenten Überbrückung zwischen zwei benachbarten Leitschichten.Similarly, a monolayer or a single layer of the conductive layer means that each nanoparticle is in contact with the underlying adhesive layer and optionally simultaneously with the overlying adhesive layer. In this case, according to one embodiment of the present invention, only van der Waals interactions can occur between the interacting agent and the nanoparticles of the conductive layer, while in another embodiment covalent bonds between the interacting agent and the conducting layer formers may occur, as well as a chemically covalent bridging between two adjacent conductive layers ,
Besonders bevorzugt ist erfindungsgemäß ein leitfähiger Haftfilm, wobei die leitfähigen, nichtmetallischen Nanopartikel der mindestens einen Leitschicht Nanoflakes sind, welche so angeordnet sind, dass sie teilweise überlappen.According to the invention, a conductive adhesive film is particularly preferred, wherein the conductive, non-metallic nanoparticles of the at least one conductive layer are nanoflakes which are arranged such that they partially overlap.
Unter Nanoflakes sind im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ungleichmäßige Partikel zu verstehen, bei denen eine Dimension deutlich kleiner als die anderen beiden ist und mindestens eine Dimension im Nanometer Bereich liegt. Typische Nanoflakes sind maximal 10 µm breit. Dabei ist eine Flocke (Flake) nicht unbedingt vollkommen flach, aber hat insgesamt eine eher platte Form. In der oben beschriebenen, teilweise überlappenden Anordnung sind solche Nanoflakes idealerweise so auf der Haftschicht angeordnet, dass jedes Flake in Kontakt mit der Haftschicht ist sich aber die Randbereiche benachbarter Flakes so überlappen, dass eine die Haftschicht vollständig bedeckende, durchgehende Schicht entsteht. Dabei ist die Wechselwirkung mit der Haftschicht ausschlaggebend für die Morphologie. Der Effekt des Interfactants ist dabei, dass wenn auf dem Substrat eine Schicht aus ein-, zwei- oder mehrlagigen Nanoflakes, z.B. (teilweise) reduzierten Graphenoxidflakes, oder Graphen-Stapel (Stacks) gebildet wird, die resultierende Schicht maximal zwei Graphen-Stack-Dicken hoch ist. Dies bedeutet, dass sobald ein Erst-Adsorbat gebunden ist, ein zweites stets auf Lücke bindet (siehe
Erfindungsgemäß ist insbesondere ein elektrisch leitfähiger Haftfilm wie oben beschrieben, wobei das Polymer in der Haftschicht eine oder mehrere basische und bevorzugt nukleophile, N-basierte-funktionelle Gruppen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Aminogruppen, Amidgruppen, Peptidgruppen, Imidgruppen, insbesondere Amidgruppen und Imidgruppen von Carbonsäuren, Dicarbonsäuren und Polycarbonsäuren, sowie Esteramidgruppen und Diamidgruppen, insbesondere Urethangruppen und Harnstoffgruppen enthält.According to the invention, in particular an electrically conductive adhesive film as described above, wherein the polymer in the adhesive layer one or more basic and preferably nucleophilic, N-based functional groups selected from the group consisting of amino groups, amide groups, peptide groups, imide groups, in particular amide groups and imide groups of Carboxylic acids, dicarboxylic acids and polycarboxylic acids, as well as ester amide groups and diamide groups, in particular urethane groups and urea groups.
Polymere, die die oben genannten funktionellen Gruppen tragen, haben sich als besonders geeignet für die Ausbildung erfindungsgemäßer Haftfilme herausgestellt. Sie sind in Wasser löslich bzw. (kolloidal) dispergierbar. In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung liegen sie als Einzelmoleküle vor, welche untereinander nicht vernetzt sind, und sie weisen eine Molmasse von 200 bis 200 000 g/mol, bevorzugt von 2000 bis 100 000 g/mol auf. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform bilden die Amingruppen zumindest bei Raumtemperatur keine kovalenten Bindungen mit der Leitschicht. Sie zeichnen sich durch amphiphile Eigenschaften sowie ihre Protonierbarkeit bzw. Deprotonierbarkeit aus. Am isoelektrischen Punkt liegen sie ungeladen vor und weisen eine besonders gute Haftung an unterschiedlichen Substraten auf. Durch Wahl des pH Wertes sind sie aber auch umladbar, z.B. auch von positiv nach negativ, was bei Polyelektrolyten nicht ohne weiteres möglich ist. Bei Verwendung von alternierend positiv- und negativ- geladenen Polyelektrolytschichten müssen daher Materialien ausgewählt werden, die bei gleichem pH unterschiedlich geladen sind. Die erfindungsgemäßen Polymere sind dagegen in der Lage, als Monolayer die Leitschicht mit verschiedenen Substraten zu verbinden.Polymers bearing the abovementioned functional groups have proven to be particularly suitable for the formation of adhesive films according to the invention. They are soluble in water or (colloidally) dispersible. In a preferred embodiment of the present invention, they are present as single molecules, which are not crosslinked with one another, and they have a molecular weight of 200 to 200,000 g / mol, preferably from 2000 to 100,000 g / mol. In a further preferred embodiment, the amine groups form no covalent bonds with the conductive layer, at least at room temperature. They are characterized by amphiphilic properties and their protonability or deprotonability. At the isoelectric point they are uncharged and have a particularly good adhesion to different substrates. By choosing the pH, they are also reloadable, for example, from positive to negative, which is not readily possible with polyelectrolytes. When using alternating positively and negatively charged polyelectrolyte layers, it is therefore necessary to select materials which are differently charged at the same pH. The polymers of the invention are on the other hand, it is able to connect the conductive layer as a monolayer to various substrates.
Besonders bevorzugt ist erfindungsgemäß ein elektrisch leitfähiger Haftfilm, wobei die mindestens eine Haftschicht ein Polymer mit der Formel
- a = 0-3,
- b = 1-5,
- A eine Brückenstruktureinheit ist,
- R1 unabhängig voneinander H oder ein aliphatischer, aromatischer, olefinischer, cyclischer, heterocyclischer, polycyclischer oder polyheterocyclischer Rest ist,
- R2 unabhängig voneinander ein polymeres Grundgerüst ist,
- X unabhängig voneinander eine funktionelle Gruppe ist ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Amiden oder Imiden von Carbonsäuren, Dicarbonsäuren und Polycarbonsäuren,
- und wobei die Molmasse des Polymers vorzugsweise zwischen 200 und 10.000, besonders bevorzugt zwischen 400 und 6.000 g/mol liegt,
- a = 0-3,
- b = 1-5,
- A is a bridge structure unit,
- R 1 is independently H or an aliphatic, aromatic, olefinic, cyclic, heterocyclic, polycyclic or polyheterocyclic radical,
- R 2 is independently a polymeric backbone,
- X is independently a functional group selected from the group consisting of amides or imides of carboxylic acids, dicarboxylic acids and polycarboxylic acids,
- and wherein the molecular weight of the polymer is preferably between 200 and 10,000, more preferably between 400 and 6,000 g / mol,
Die Molmasse der Polymere kann hier jeweils durch Matrix Assisted Laser Desorption lonization - Time of Flight Mass Spectrometry (MALDI-TOF-MS) bestimmt werden.The molar mass of the polymers can be determined here in each case by matrix assisted laser desorption ionization - time of flight mass spectrometry (MALDI-TOF-MS).
Solche Polymere sind aus
Erfindungsgemäß besonders bevorzugt ist ein elektrisch leitfähiger Haftfilm wie oben beschrieben, wobei die mindestens eine Haftschicht ein Polypeptid oder Protein mit einer Molmasse zwischen 200 und 200.000, vorzugsweise zwischen 2000 und 100.000 g/mol, insbesondere Laccase oder ein Albumin umfasst oder daraus besteht.Particularly preferred according to the invention is an electrically conductive adhesive film as described above, wherein the at least one adhesive layer comprises or consists of a polypeptide or protein having a molecular weight between 200 and 200,000, preferably between 2,000 and 100,000 g / mol, in particular laccase or an albumin.
Polypeptide bzw. Proteine sind besonders geeignet die erfindungsgemäßen Molekül-Monolayer zu formen. Insbesondere Laccasen und Albumine können globuläre Strukturen ausbilden, die jeweils als Einzelmolelüle direkt den Kontakt zwischen Substrat und Leitschicht bzw. zwischen zwei Leischichten vermitteln können.Polypeptides or proteins are particularly suitable for forming the molecular monolayers according to the invention. In particular, laccases and albumins can form globular structures, which can mediate as a single molecule directly the contact between the substrate and the conductive layer or between two layers.
Weiter erfindungsgemäß ist ein elektrisch leitfähiger Haftfilm wie oben beschrieben, wobei die mindestens eine Haftschicht eine Mischung aus wenigstens einem Polymer mit der Formel (R1)aA(R2X)b wie oben definiert und wenigstens einem Polypeptid oder Protein mit einer Molmasse zwischen 200 und 200.000, vorzugsweise zwischen 2000 und 100.000 g/mol, insbesondere Laccase oder ein Albumin, umfasst oder daraus besteht.Further according to the invention is an electrically conductive adhesive film as described above, wherein the at least one adhesive layer comprises a mixture of at least one polymer having the formula (R 1 ) a A (R 2 X) b as defined above and at least one polypeptide or protein having a molecular weight between 200 and 200,000, preferably between 2000 and 100,000 g / mol, in particular laccase or an albumin, comprises or consists thereof.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung reagiert der Haftfilm zumindest teilweise auf einen Stimulus.According to one embodiment of the present invention, the adhesive film is at least partially responsive to a stimulus.
Ist der erfindungsgemäße Haftfilm Stimulus-responsiv, kann er wie ein Sensorelement wirken. Unter einem Stimulus ist dabei jedweder äußere Einfluss zu verstehen, der eine der im Folgenden beschriebenen Reaktionen hervorrufen kann. Als Reaktion (Response) auf einen Stimulus kommt es zum Beispiel zu einer geometrischen Verformung des Haftfilms, welche mikroskopisch, d.h. durch Elektronenmikroskopie oder Rastersondenmikroskopie nachgewiesen werden kann. Verformen kann sich dabei in erster Line die Haftschicht und im Kontakt mit der Haftschicht auch die Leitschicht. Wenn die Verformung der Haftschicht allerdings beispielsweise in einem Anschwellen besteht, ändert sich in erster Linie nur der Abstand zwischen zwei benachbarten Leitschichten bzw. zwischen der Leitschicht und dem Substrat (siehe
Mögliche Stimuli bzw. Reaktionen, welche letztlich zu Verformungen des Haftfilms führen, sind beispielsweise:
- - mechanische Verformung (Dehnung, Scherung), also vor allem eine elastische (komplett reversible) Verformung,
- - Kratzer oder Risse in oder durch den Haftfilm, also (nicht völlig reversible) Verformung; z.B. durch Ritzen mit einer Skalpellklinge,
- - Temperatur (Geometrieänderung durch Wärmedehnung, Leitfähigkeitsänderung),
- - Eindringen von Medien, z.B. Wasser, Ionen, Gase, Dielektrika wie Lösungsmittel; auch Lösungsmittel in Klebstoffen/Lacken oder Bestandteile aus Mischungen reaktiver Monomere und Präpolymere in Klebstoffen/Lacken),
- - in Nachbarschaft härtende (typischerweise schrumpfende) Mischungen reaktiver Monomere und Präpolymere (in Klebstoffen, Lacken, Beschichtungen),
- - bei transparenten Schichten: Licht (über thermische Wirkung, Änderung der Leitfähigkeit).
- mechanical deformation (elongation, shear), ie above all an elastic (completely reversible) deformation,
- - Scratches or cracks in or through the adhesive film, ie (not completely reversible) deformation; eg by scoring with a scalpel blade,
- Temperature (change in geometry due to thermal expansion, change in conductivity),
- - Ingress of media, eg water, ions, gases, dielectrics such as solvents; also solvents in adhesives / lacquers or components of mixtures of reactive monomers and prepolymers in adhesives / lacquers),
- - curing in the neighborhood (typically shrinking) mixtures of reactive monomers and prepolymers (in adhesives, paints, coatings),
- - for transparent layers: light (via thermal effect, change in conductivity).
Als mögliche (messbare) Reaktion (Response) kommt z. B. eine Impedanzänderung (elektrische Leitfähigkeit /elektrischer Widerstand, Kapazität) in Frage. As a possible (measurable) response (response) comes z. B. an impedance change (electrical conductivity / electrical resistance, capacity) in question.
Besonders vorteilhaft ist eine solche Reaktion im Zusammenhang mit dem „Health Monitoring“ bei Klebungen oder Kompositen, vor allem bei Faser/Matrix-Kompositen, wo der Haftfilm an der Oberfläche einer flächigen Faser-Lage (bei Gewebe/Gelege/Fasermatten) zu verorten wäre. Weiterhin vorteilhaft ist diese Reaktion bei (optischen) Einzel-Fasem, die zum „Health Monitoring“ in Polymere eingebracht werden, sogenannte Faser Bragg Gitter (FBG-Sensoren). Solche Sensoren mit den erfindungsgemäßen Haftfilmen zu belegen ist neben der Einbringung zwischen einem Klebsystem und einem Fügeteil eine wesentliche Anwendung des erfindungsgemäßen Haftfilms.Such a reaction is particularly advantageous in connection with the "health monitoring" in the case of bonds or composites, especially in the case of fiber / matrix composites, where the adhesive film would be located on the surface of a flat fiber layer (in the case of tissue / scrim / fiber mats) , This reaction is also advantageous in the case of (optical) single-fibers, which are introduced into polymers for "health monitoring", so-called fiber Bragg gratings (FBG sensors). To prove such sensors with the adhesive films according to the invention in addition to the introduction between an adhesive system and a joining part is an essential application of the adhesive film according to the invention.
Die Antwort (Response) auf eine externe Anregung (Stimulus) kann in der Interfactant-Schicht erreicht werden durch folgende Zusammensetzung dieser Schicht:
- - Einsatz Stimulus-responsiver Interfactants. Beispiel: Wasseraufnahme-bedingtes Quellen von Laccase bei Exposition in feuchten oder nassen Medien;
- - Einsatz Stimulus-responsiver Komposite, deren Stimulus-Responsivität nicht auf ein an sich schon für einen betrachteten Stimulus responsives Interfactant resultiert sondern auf eine Stimulus-responsive Substanz zurückgeht, die in die Interfactant-Schicht eingebracht wird und die Responsivität bewirkt (ein Metall, Metallkomplex, Metallsalz).
- - Insbesondere sind schließlich synergistisch Stimulus-responsive Hybride zu nennen (z.B. Laccase ist im Gemenge mit Metallpartikeln anders responsiv als reine Laccase).
- - Use of stimulus-responsive interferants. Example: Water uptake of laccase on exposure in moist or wet media;
- - The use of stimulus-responsive composites whose stimulus-responsiveness does not result in a responsive intrinsic stimulus, but is due to a stimulus-responsive substance that is incorporated into the interacting layer and causes responsiveness (a metal, metal complex , Metal salt).
- Finally, synergistic stimulus-responsive hybrids should be mentioned (eg laccase reacts differently with metal particles than pure laccase).
Eine weitere Reaktion kann in der Freisetzung des Polymers (Interfactants) aus der Haftschicht bestehen.Another reaction may be the release of the polymer (interferent) from the adhesive layer.
Die Haftschicht besteht ja gemäß einer bevorzugten Ausführungsform aus einzelnen Interfactant-Molekülen, die untereinander nicht vernetzt sind. Als Folge eines Ritzes senkrecht durch den Haftfilm können also Interfactant-Moleküle, die zwischen benachbarten Leitschichten eingebaut sind, von außen zugänglich werden und bei Kontakt mit z.B. (Regen-)Wasser auch aus dem Leitschicht-Zwischenraum freigesetzt werden. Werden nun beispielsweise die korrosionsinhibierenden Polymere aus
Erfindungsgemäß wird demnach die Multifunktionalität der Interfactants genutzt, die zum einen bei der Filmbildung als Haftschicht und zum anderen bei Verletzung des Haftfilms als freisetzbarer Wirkstoff fungieren, wobei eine Verformung des Haftfilms (bzw. der Leitschicht) zu einer Änderung der Impedanz führt, was wiederum für das „Health Monitoring“ ausgenutzt werden kann. Der Haftfilm selbst ist damit multifunktionell, da er ja auch als Depot für einen Wirkstoff (das Interfactant) dient.According to the invention, the multifunctionality of the interactants is used, which on the one hand function as an adhesive layer during film formation and on the other hand as a release substance when the adhesive film is damaged, deformation of the adhesive film (or of the conductive layer) leading to a change in the impedance, which in turn the "Health Monitoring" can be exploited. The film itself is thus multifunctional, since it also serves as a depot for an active ingredient (the Interfactant).
Erfindungsgemäß besonders bevorzugt ist ein elektrisch leitfähiger Haftfilm wie oben beschrieben, wobei die Leitschicht wenigstens teilweise reduziertes Graphenoxid umfasst oder daraus besteht.Particularly preferred according to the invention is an electrically conductive adhesive film as described above, wherein the conductive layer comprises or consists of at least partially reduced graphene oxide.
Bevorzugt wird Graphenoxid, insbesondere Graphenoxid-Flakes als Leitschichtbildner verwendet. Diese können in einer (wässrigen) Dispersion zur Schichtbildung eingesetzt werden. Graphenoxid-Flakes weisen am Rand saure Carbonsäuregruppen auf und ober-/unterhalb der Flake-Ebene neben Hydroxy- vor allem Epoxy-Gruppen. Bis zu etwa jedes fünfte C-Atom der Flakes ist Teil eines Epoxy-/Oxiran-Dreirings. Teilweise reduziertes Graphenoxid weist dagegen weniger Epoxy-Gruppen auf.Graphene oxide, in particular graphene oxide flakes, is preferably used as the conductive layer former. These can be used in an (aqueous) dispersion for layer formation. Graphene oxide flakes have acidic carboxylic acid groups on the edge and above and above the flake plane next to hydroxy, especially epoxy groups. Up to about every fifth carbon atom of the flakes is part of an epoxy / oxirane triplet. In contrast, partially reduced graphene oxide has fewer epoxy groups.
Die (teilweise) Reduktion von Graphenoxid erfolgt - beispielsweise in einem Konditionierungsschritt nach Ausbildung des erfindungsgenmäßen Haftfilms oder davor - durch thermische (z.B. im Konvektionsofen oder durch resistives Heizen vorreduzierter Schichten) Energiezufuhr, oder durch photonische oder chemische Prozesse. Dabei können gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kovalente Bindungen zwischen der Haftschicht und dem Graphenoxid entstehen. Beispielsweise erfolgt ein in-situ-Auftrag (wet-in-wet) in aufeinanderfolgenden Tauch- oder Sprühprozessen, d.h. mit reaktivem Graphenoxid (nicht mit leitfähigem Graphen) bei der Klebstoff/Lack-Applikation gefolgt von in-situ-Reduktion beim Härten des Klebstoffs/Lacks (z.B. thermisch - falls mindestens 150 °C isotherm vorliegen; oder z.B. unterstützt von der katalytischen Wirkung von in die Interfactant-Schicht eingebauten Übergangsmetall-Kationen).The (partial) reduction of graphene oxide takes place - for example in a conditioning step after formation of the inventive adhesive film or before - by thermal (for example in the convection oven or by resistive heating pre-reduced layers) energy supply, or by photonic or chemical processes. In this case, according to an embodiment of the present invention, covalent bonds are formed between the adhesion layer and the graphene oxide. For example, in-situ wet-in-wet processing occurs in successive dipping or spraying processes, i. with reactive graphene oxide (not with conductive graphene) in the adhesive / lacquer application followed by in situ reduction during curing of the adhesive / lacquer (eg thermal - if isothermal at least 150 ° C, or eg supported by the catalytic effect of the Interfactant layer incorporated transition metal cations).
Erfindungsgemäß ist auch ein elektrisch leitfähiger Haftfilm wie oben beschrieben, umfassend drei, vier oder mehr Schichten (i) und (ii) in alternierender Abfolge.Also, according to the present invention, an electroconductive adhesive film as described above comprising three, four or more layers (i) and (ii) is in an alternating sequence.
Durch das Stapeln von alternierenden Haftschichten und Leitschichten können Strukturen mit variabler Dicke erzeugt werden und die Lichttransmissivität im sichtbaren und nahen ultravioletten Spektralbereich gesteuert werden.By stacking alternating adhesive layers and conductive layers, variable thickness structures can be produced and the Light transmissivity in the visible and near ultraviolet spectral range are controlled.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist der oben beschriebene elektrisch leitfähige Haftfilm Falten auf.According to another embodiment of the present invention, the above-described electrically conductive adhesive film has wrinkles.
Die Faltung kann gesteuert werden, so dass auf einer Skala von 0 bis 10 nicht gefaltete bis hoch gefaltete Strukturen gebildet werden können. Hoch gefaltet bedeutet, dass ausgehend von einem 10 Nanometer dünnen Film, Faltenhöhen größer als 30 Nanometer erzielt werden. Dabei erfolgt die Messung der Faltenhöhe relativ zum Filmniveau.The folding can be controlled so that unfolded to highly folded structures can be formed on a scale of 0 to 10. Being folded up means that, starting from a 10 nanometer thin film, wrinkle heights greater than 30 nanometers can be achieved. In this case, the measurement of the pleat height takes place relative to the film level.
Die Faltenbildung in der Leitschicht führt zu einer (Um-)Strukturierung des Haftfilms. Dies ist dann relevant, wenn:
- - der Haftfilm einseitig haftet, also als Beschichtung eingesetzt ist. Dann entsteht eine nanostrukturierte Schichtoberfläche. Liegt diese nanostrukturierte Schicht auf einem mikrorauen Substrat (liegen also zwei Rauheits-„Niveaus“ vor, „Lotuseffekt“), so können superhydrophobe (oder auch superhydrophile) Oberflächen hergestellt werden. Diese können Wassertropfen abperlen lassen oder auch eine Anti-Fouling-Wirkung (Bewuchshemmung) hervorrufen.
- - der Haftfilm beidseitig haftet, weil die Wechselwirkung mit die Haftschicht umgebenden Medien (oder Monomeren, Polymeren), die Verformungsneigung (z.B. horizontallaterale Dehnbarkeit) der Leitschicht sowie die Impedanz der Leitschicht (Kapazität oder Leitfähigkeit) und deren Stimulus-Reaktion von den Falten beeinflusst werden.
- - The adhesive film is liable on one side, that is used as a coating. Then a nanostructured layer surface is created. If this nanostructured layer lies on a microrough substrate (ie two roughness "levels", "lotus effect"), then superhydrophobic (or even superhydrophilic) surfaces can be produced. These can cause drops of water to bead off or even cause an anti-fouling effect (inhibition of growth).
- - The adhesive film adheres to both sides, because the interaction with the adhesive layer surrounding media (or monomers, polymers), the tendency to deformation (eg horizontal lateral extensibility) of the conductive layer and the impedance of the conductive layer (capacitance or conductivity) and their stimulus reaction are influenced by the wrinkles ,
Bislang konnte die Faltenbildung z.B. gezielt durch mechanische Verformungen „flacher“ Schichten (
Damit können erfindungsgemäß besonders leicht definiert gefaltete Leitschichten hergestellt werden. Während es bislang in erster Linie das Ziel war, möglichst flache, hoch leitfähige Graphenschichten zu erzeugen, eignen sich gefaltete Strukturen ganz besonders zur Anwendung in Sensoren, da ihre Leitfähigkeit (Impedanz) besonders empfindlich auf Stimuli reagiert, d.h. dass geringe Änderungen verzeichnet werden können, wobei aber keine besonders hohe Leitfähigkeit notwendig ist.Thus, according to the invention, particularly easily folded folded conductive layers can be produced. While the primary goal to date has been to produce as flat, highly conductive graphene layers as possible, folded structures are particularly suitable for use in sensors because their conductivity (impedance) is particularly sensitive to stimuli, i. that small changes can be recorded, but no particularly high conductivity is necessary.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft die Verwendung eines elektrisch leitfähigen Haftfilms wie oben beschrieben zum Beschichten eines oder zum Verbinden zweier oder mehrerer Substrate.Another aspect of the present invention relates to the use of an electrically conductive adhesive film as described above for coating one or joining two or more substrates.
Erfindungsgemäß haftet nicht nur der (gesamte) Haftfilm auf dem Substrat bzw. Fügeteil, sondern es ist auch die Oberfläche des Haftfilms für weitere Schichten (z.B. Primer oder Klebstoff) haftungsbegünstigend. Wird der Haftfilm z.B. in die Substrat-nahe Zone einer Klebung eingebracht, bestimmt er die Adhäsion. Der Gesamt-Haftfilm dient also der Adhäsionssteuerung in der Klebung. Es wird davon ausgegangen, dass im Unterschied zur LbL (Layer-by-Layer)-Abscheidung auf Basis wechselnder elektrostatischer Ladungen (pos., neg., pos., neg.), im erfindungsgemäßen Haftfilm van-der-Waals-Kräfte auftreten und gegebenenfalls nach Reaktion zwischen einerseits primären und sekundären Aminogruppen (als Nukleophil) und andererseits Epoxygruppen des Graphenoxids auch kovalente Bindungen.According to the present invention, not only the (entire) adhesive film adheres to the substrate or adherend, but also the surface of the adhesive film is liable to promote adhesion to other layers (e.g., primer or adhesive). If the adhesive film is e.g. placed in the substrate-near zone of a bond, it determines the adhesion. The total adhesive film thus serves the adhesion control in the bond. It is assumed that unlike the LbL (layer-by-layer) deposition based on alternating electrostatic charges (pos., Neg., Pos., Neg.), Van der Waals forces occur in the adhesive film of the invention and optionally after reaction between on the one hand primary and secondary amino groups (as nucleophile) and on the other hand epoxy groups of graphene oxide also covalent bonds.
Vorteilhafterweise kann der erfindungsgemäße Haftfilm auf unterschiedlichsten Substraten eingesetzt werden, wobei die Substratoberflächen nicht flach sein müssen sondern auch gebogen oder unregelmäßig sein können. Dabei bleibt die elektrische Leitfähigkeit des erfindungsgemäßen Haftfilms auch beim Verbiegen flexibler Substrate erhalten.Advantageously, the adhesive film of the invention can be used on a wide variety of substrates, wherein the substrate surfaces need not be flat but may also be curved or irregular. In this case, the electrical conductivity of the adhesive film according to the invention also remains when bending flexible substrates.
Erfindungsgemäß ist daher eine Verwendung wie oben beschrieben, wobei das oder die Substrate jeweils unabhängig voneinander starr oder flexibel ist bzw. sind, transparent oder nicht transparent, bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Polymeren, Keramiken, Oxiden, Metallen und Komposit-Werkstoffen. Insbesondere können auf den erfindungsgemäßen Haftfilm für weitere Anwendungen auch Primer und/oder Klebstoffe aufgetragen werden.The invention therefore provides a use as described above, wherein the substrate (s) are each independently rigid or flexible, transparent or non-transparent, preferably selected from the group consisting of polymers, ceramics, oxides, metals and composite materials. In particular, primers and / or adhesives can also be applied to the adhesive film according to the invention for further applications.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch einen Verbund umfassend mindestens ein Substrat und einen elektrisch leitfähigen Haftfilm wie oben beschrieben, wobei die mindestens eine Haftschicht mindestens einen Teil mindestens einer Oberfläche des Substrats bedeckt.The present invention also relates to a composite comprising at least one substrate and an electrically conductive adhesive film as described above, wherein the at least one adhesive layer covers at least a part of at least one surface of the substrate.
Bevorzugt ist auch ein Verbund, wobei der elektrisch leitfähige Haftfilm mindestens eine Oberfläche eines Substrats und mindestens eine Oberfläche eines zweiten Substrats miteinander verbindet.Also preferred is a composite, wherein the electrically conductive adhesive film interconnects at least one surface of a substrate and at least one surface of a second substrate.
Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der nach Abschluss des Schichtbildungsprozesses die auf dem Substrat vorliegende Schichtenabfolge so terminiert wird, dass die am Ende des Schichtbildungsprozesses vorliegende Oberfläche unterstöchiometrisch mit Interfactant bedeckt ist, so dass es bei Aufbringung weiterer Schichten (z.B. im Klebprozess die Aufbringung einer Primer- oder Klebstoffschicht) dazu kommen kann, dass Bestandteile dieser weiteren Schichten kovalent mit (freiliegenden) funktionellen Gruppen des (Flake-förmigen) Leitschichtbildner-Nanopartikels (gemeint sind vor allem Epoxid-Gruppen in den Graphenoxid-Flakes) kovalente Bindungen bilden können. Ganz besonders bevorzugt ist dabei eine Stimulus-resposive Haftschicht zwischen zwei (teilweise) reduzierten Graphenoxid-Flakes-Leitschichten, terminiert durch eine unter-stöchiometrische Interfactant-Schicht (siehe
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung auch ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundes umfassend mindestens ein Substrat und einen elektrisch leitfähigen Haftfilm wie oben beschrieben, umfassend
- (a) das Inkubieren mindestens eines Teils einer Oberfläche eines Substrats mit einer Lösung bzw. Dispersion enthaltend ein amphiphiles Polymer, das funktionelle Gruppen mit basischen und bevorzugt nukleophilen Stickstoffatomen enthält, und
- (b) das Inkubieren mindestens eines Teils derselben Oberfläche mit einer Dispersion von nichtmetallischen Nanopartikeln.
- (a) incubating at least a portion of a surface of a substrate with a solution or dispersion containing an amphiphilic polymer containing functional groups with basic and preferably nucleophilic nitrogen atoms, and
- (b) incubating at least a portion of the same surface with a dispersion of non-metallic nanoparticles.
Erfindungsgemäß wird ein Verbund aus flüssiger (bevorzugt wässriger) Phase auf das Substrat appliziert. Das Haftschicht-bildende amphiphile Polymer, das funktionelle Gruppen mit basischen und bevorzugt nukleophilen Stickstoffatomen enthält (Interfactant), und die Leitschicht-bildenden Nanopartikel sind jeweils gelöst bzw. dispergiert.According to the invention, a composite of liquid (preferably aqueous) phase is applied to the substrate. The adhesive layer-forming amphiphilic polymer containing functional groups with basic and preferably nucleophilic nitrogen atoms (Interfactant), and the conductive layer-forming nanoparticles are respectively dissolved or dispersed.
Bevorzugt ist ein Verfahren, wobei der mindestens eine Teil einer Oberfläche des Substrats mit einer Dispersion enthaltend ein amphiphiles Polymer, das funktionelle Gruppen mit basischen und bevorzugt nukleophilen Stickstoffatomen enthält, und nichtmetallische Nanopartikel inkubiert wird.Preferred is a method wherein the at least a portion of a surface of the substrate is incubated with a dispersion containing an amphiphilic polymer containing functional groups with basic and preferably nucleophilic nitrogen atoms, and non-metallic nanoparticles.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann in einem einzigen Tauch-/lnkubaktionsschritt durchgeführt werden, wenn sowohl Haftschicht- als auch Leitschicht-Bildner gleichzeitig in der Dispersion vorhanden sind. Das erfindungsgemäße Verfahren ist effizienter und deutlich weniger aufwändig als aus dem Stand der Technik bekannte Schicht-für-Schicht-Prozesse. Eine entsprechende Dispersion enthaltend sowohl ein amphiphiles Polymer, das funktionelle Gruppen mit basischen und bevorzugt nukleophilen Stickstoffatomen enthält, als auch nichtmetallische Nanopartikel ist ebenfalls erfindungsgemäß.The process of the present invention can be carried out in a single dip / incubation step when both adhesive layer and conductive layer formers are present in the dispersion simultaneously. The inventive method is more efficient and much less expensive than known from the prior art layer-by-layer processes. A corresponding dispersion containing both an amphiphilic polymer containing functional groups with basic and preferably nucleophilic nitrogen atoms and non-metallic nanoparticles is also in accordance with the invention.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren können auch die dispergierten, nichtmetallischen Nanopartikel zumindest an Teilen ihrer Oberfläche eine Haftschicht aus dem amphiphilen Polymer, das funktionelle Gruppen mit basischen und bevorzugt nukleophilen Stickstoffatomen enthält, aufweisen. Besonders bevorzugt ist das Interfactant in der Dispersion im Wesentlichen adsorbiert vorhanden und allenfalls in geringem Maße im Dispersionsmittel gelöst bzw. dispergiert. Eine entsprechende Dispersion ist ebenfalls erfindungsgemäß (siehe
In der Dispersion können bereits mit einer Haftschicht versehene Nanopartikel vorliegen, welche bevorzugt auch auf einen Stimulus reagieren. Eine solche Dispersion enthaltend mit einer Haftschicht versehene Nanopartikel, die bevorzugt auch auf einen Stimulus reagieren, ist ebenfalls erfindungsgemäß (siehe
Ein Stimulus-responsiver Haftfilm kann damit bereits während der Applikation in der dispergierten Phase vorliegen, bevorzugt zwischen (mindestens) zwei Nanoflakes, deren zum Dispersionsmittel gewandte Oberfläche nicht Stimulus-responsiv sein muss (siehe
Alternativ kann der Stimulus-responsive Haftfilm in der während der Applikation auf dem Substrat adsorbierten Phase vorliegen. Bevorzugt ist nach Abschluss des Adsorptions-(also des Schichtbildungs-) prozesses auf dem Substrat (die Ausführung dieses Schichtbildungsprozesses ist die „Applikation“) die (mindestens eine) Stimulus-responsive Schicht zwischen (mindestens) zwei Nanoflakes eingeschlossen, und die zum Dispergiermittel gewandte Adsorbat-Oberfläche muss nicht Stimulus-responsiv sein. Die nach Abschluss des Schichtbildungsprozesses auf dem Substrat vorliegende SchichtenAbfolge wird bevorzugt so terminiert, dass die am Ende des Schichtbildungsprozesses dem Dispersionsmittel zugewandte Oberfläche unter-stöchiometrisch mit Interfactant bedeckt ist, so dass es bei Aufbringung weiterer Schichten (z.B. im Klebprozess die Aufbringung einer Primer- oder Klebstoff-Schicht) dazu kommen kann, dass Bestandteile dieser weiteren Schichten kovalent mit (freiliegenden) funktionellen Gruppen des (Flake-förmigen) Leitschichtbildner- Nanopartikels (gemeint sind vor allem Epoxid-Gruppen in den Graphenoxid-Flakes) kovalente Bindungen bilden können.Alternatively, the stimulus-responsive adhesive film may be present in the phase adsorbed on the substrate during application. Preferably, after completion of the adsorption (ie, film formation) process on the substrate (the execution of this film formation process is the "application"), the (at least one) stimulus-responsive layer is sandwiched between (at least) two nanoflakes, and the one turned to the dispersant Adsorbate surface does not have to be stimulus-responsive. The layer sequence present on the substrate after completion of the layer formation process is preferably terminated in such a way that the surface facing the dispersion medium at the end of the layer formation process is under stoichiometrically covered with an interactant, so that when further layers are applied (eg in the adhesion process, the application of a primer or primer) Adhesive layer) may occur that components of these further layers covalently with (exposed) functional groups of the (flake-shaped) Leitschichtbildner- nanoparticle (meaning especially epoxy groups in the graphene oxide flakes) can form covalent bonds.
Besonders bevorzugt sind die dispergierten, nichtmetallischen Nanopartikel zumindest teilweise reduzierte Graphenoxidflakes.The dispersed, non-metallic nanoparticles are particularly preferably at least partially reduced graphene oxide flakes.
Vorteilhafterweise können bereits die in der Dispersion während der Applikation vorhandenen Graphenoxidflakes zumindest teilweise reduziert sein, so dass im Anschluss an den Beschichtungsprozess keine Reduktion mehr nötig ist. Eine solche Dispersion ist ebenfalls erfindungsgemäß.Advantageously, the graphene oxide flakes present in the dispersion during application may already be at least partially reduced, so that no reduction is necessary after the coating process. Such a dispersion is also according to the invention.
Die Oberfläche der Schicht bzw. des erfindungsgemäßen Haftfilms kann chemisch und morphologisch durch geeignete Wahl der Prozessparameter eingestellt werden. The surface of the layer or of the adhesive film according to the invention can be adjusted chemically and morphologically by suitable choice of the process parameters.
Chemisch:chemical:
- • Die oberste (terminierende) Schicht kann GO sein, also Epoxy-Gruppen aufweisen.• The top (terminating) layer can be GO, that is epoxy groups.
-
• Die oberste (terminierende) Schicht kann Interfactant sein, also Klebungs-/Haftungs-vermittelnde Eigenschaften aufweisen (wie in
DE 10 2014 221 181 A1 DE 10 2014 221 181 A1
Morphologisch:morphologically:
- • Die Schichtoberfläche kann Substrat-parallel flach sein.• The layer surface can be flat parallel to the substrate.
- • Die Schichtoberfläche kann runzelig-rau sein.• The layer surface can be wrinkled-rough.
Der erfindungsgemäße Haftfilm kann letztlich als Beschichtung eingesetzt werden, wobei die oberste (terminierende) Schicht wie (ein Lack) z.B. einer Bewitterung ausgesetzt wird.The adhesive film according to the invention can ultimately be used as a coating, wherein the uppermost (terminating) layer such as (a lacquer) e.g. exposed to weathering.
Erfindungsgemäß können zusätzlich zu den von adsorbierten Interfactant-Molekülen ausgehenden van der Waals-Wechselwirkungen zwischen Substrat und Graphenoxid-Nanoflakes noch kovalente Bindungen gebildet werden, bevor die (kovalent reaktionsfähigen) Epoxy-Gruppen im Graphenoxid beim Konditionieren zersetzt werden, damit die elektrische Leitfähigkeit der Flakes merklich (auf ein technisch erforderliches Niveau) ansteigt.According to the invention, in addition to the van der Waals interactions between substrate and graphene oxide nanoflakes emanating from adsorbed interactant molecules, covalent bonds may be formed before the (covalently reactive) epoxy groups in the graphene oxide are decomposed during conditioning, so that the electrical conductivity of the flakes noticeably (to a technically required level) increases.
Prozess-bedingt ist vorteilhaft, dass auf die oberste (terminierende) Schicht weitere Schichten aufgebracht und fest zur Haftung gebracht werden können, z.B. im Klebprozess der Klebstoff oder ein Primer (eine mit zu verdampfendem Lösungsmittel „verdünnte“ Lösung von chemisch reaktiven Monomeren und Präpolymeren, die Oberflächen gut benetzt). Diese terminierende Schicht muss also gut benetzbar sein und darf keine lose aufliegenden (oder schwach angebundenen, physisorbierten) Moleküllagen aufweisen, sondern die stark angebundenen Monolayer.Due to the process, it is advantageous that further layers can be applied to the uppermost (terminating) layer and firmly adhered, e.g. in the bonding process, the adhesive or a primer (a solution of chemically reactive monomers and prepolymers that "wets" surfaces well with solvent to be evaporated). This terminating layer must therefore be readily wettable and must have no loosely lying (or weakly bonded, physisorbed) molecule layers, but the strongly connected monolayer.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Verbund, vorzugsweise ein Verbund wie oben beschrieben, der hergestellt oder herstellbar ist durch ein Verfahren wie oben beschrieben.The subject matter of the present invention is also a composite, preferably a composite as described above, which can be produced or produced by a method as described above.
Beschreibung der Figuren:Description of the figures:
Für die kapazitiven Eigenschaften des erfindungsgemäßen Haftfilms gelten, wie für alle elektrischen Kapazitäten, im Allgemeinen folgende Abhängigkeiten der Kapazität C
Hierin bezeichnet ε0 die allgemein bekannte elektrische Feldkonstante, εr die relative Permittivität des verwendeten Dielektrikums, in diesem Fall das Material des Haftfilms, A die Fläche der Elektroden die im vorliegenden Fall im Wesentlichen von der Oberfläche der Schichten bestimmt wird, sowie dem Abstand d zwischen den einzelnen Schichten des erfindungsgemäßen Haftfilms. Bis auf die unveränderliche elektrische Feldkonstante lassen sich alle Parameter durch Veränderungen der chemischen Eigenschaften der Schichten des erfindungsgemäßen Haftfilms bzw. durch Änderungen am Herstellungsprozess in einem großen Bereich verändern. Daraus folgend können also die elektrischen Eigenschaften des erfindungsgemäßen Haftfilms in einem großen Bereich gezielt verändert werden.Here, ε 0 denotes the generally known electric field constant, ε r the relative permittivity of the dielectric used, in this case the material of the adhesive film, A the area of the electrodes which in the present case is essentially determined by the surface of the layers, and the distance d between the individual layers of the adhesive film according to the invention. Apart from the invariable electrical field constant, all parameters can be changed within a wide range by changes in the chemical properties of the layers of the adhesive film according to the invention or by changes in the production process. As a result, therefore, the electrical properties of the adhesive film of the invention can be selectively changed in a wide range.
Beispiel 1: Herstellung eines erfindungsgemäßen Haftfilms auf kristallinem AluminiumoxidExample 1: Preparation of a Bonding Film According to the Invention on Crystalline Alumina
Die Herstellung eines erfindungsgemäßen Haftfilms, der parallel zur Substratoberfläche ausgerichtete 1 bis 2 nm dünne und lateral wenige Mikrometer ausgedehnte Graphenoxidschichten - sogenannter Flakes - aufweist, auf einem kristallinen Aluminiumoxidsubstrat wird nachfolgend beschrieben.The preparation of an adhesive film according to the invention which has parallel to the substrate surface oriented 1 to 2 nm thin and laterally a few micrometers expanded Graphenoxidschichten - so-called flakes - on a crystalline alumina substrate is described below.
Zur Belegung dieses Substrats durch Inkubation werden zwei wässrige Formulierungen eingesetzt. Bei der Herstellung der ersten Formulierung bei Raumtemperatur verwendet man ein Polymer mit der Formel (R1)aA(R2X)b, wobei a = 0-3, b = 1-5, A eine Brückenstruktureinheit ist, R1 unabhängig voneinander H oder ein aliphatischer, aromatischer, olefinischer, cyclischer, heterocyclischer, polycyclischer oder polyheterocyclischer Rest ist, R2 unabhängig voneinander ein polymeres Grundgerüst ist, X unabhängig voneinander eine funktionelle Gruppe ist ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Amiden oder Imiden von Carbonsäuren, Dicarbonsäuren und Polycarbonsäuren, und dessen Molmasse zwischen 200 und 10.000 liegt. Geeignet ist hier Additive G50, das von der Straetmans HighTAC GmbH, Hamburg, Deutschland erhältlich ist. Zur Herstellung der Formulierung wird eine Wasser-basierte Formulierung Additive G50 wb, die 4 Gewichts-% organischer Bestandteile - nämlich im mehrfachen Massenüberschuss das amphiphile Polymer und dazu Triethanolamin - enthält, durch Zugabe von demineralisiertem Wasser unter Rühren auf eine Konzentration von 2 Gewichts-% verdünnt. Die zweite Formulierung ist eine Graphenoxidsuspension, die 0,5 g/L Graphenoxid in überwiegend in Form vereinzelter, etwa 1 nm dünner und lateral wenige Mikrometer ausgedehnter Graphenoxidschichten - sogenannter Flakes - enthält und deren pH-Wert mit einem 0,15 molaren Acetatpuffer eingestellt ist. Eine solch hochdisperse Verteilung der Nanopartikel wird dadurch unterstützt, dass die Suspension 1 min in einem Ultraschallbad behandelt wird. Eine solche Behandlung erfolgt insbesondere unmittelbar vor der Belegung des Substrats. Zur Herstellung dieser Suspension ist eine 4 g/L Graphenoxid enthaltende Suspension geeignet, die von der Firma Graphenea, San Sebastian, Spanien, erhältlich ist und die mit Acetatpuffer verdünnt wird.To incubate this substrate by incubation, two aqueous formulations are used. In the preparation of the first formulation at room temperature, use is made of a polymer of the formula (R 1 ) a A (R 2 X) b , where a = 0-3, b = 1-5, A is a bridging moiety, R 1 independently H or an aliphatic, aromatic, olefinic, cyclic, heterocyclic, polycyclic or polyheterocyclic radical, R 2 is independently a polymeric backbone, X is independently a functional group selected from the group consisting of amides or imides of carboxylic acids, dicarboxylic acids and polycarboxylic acids , and whose molecular weight is between 200 and 10,000. Suitable here is additive G50, which is available from Straetmans HighTAC GmbH, Hamburg, Germany. For the preparation of the formulation, a water-based formulation of additives G50 wb containing 4% by weight of organic components - namely in multiple mass excess of the amphiphilic polymer and to triethanolamine - by adding demineralized water with stirring to a concentration of 2% by weight diluted. The second formulation is a graphene oxide suspension containing 0.5 g / L graphene oxide in predominantly discrete graphene oxide layers (so-called flakes), about 1 nm thick and laterally a few micrometers thick, whose pH is adjusted with a 0.15 molar acetate buffer , Such a highly dispersed distribution of the nanoparticles is assisted by treating the suspension for 1 min in an ultrasonic bath. Such a treatment takes place in particular immediately before the application of the substrate. To prepare this suspension, a 4 g / L graphene oxide-containing suspension is available which is available from Graphenea, San Sebastian, Spain, and which is diluted with acetate buffer.
Der Belegungsprozess des beschriebenen Aluminiumoxidsubstrats erfolgt durch eine Abfolge von Inkubations- und Spülschritten. Die Inkubation in der beschriebenen wässrigen Polymerformulierung erfolgt 17 Stunden lang, die Inkubation in der Graphenoxidformulierung erfolgt eine Stunde lang, und jeder Inkubationsschritt wird von einem einminütigen Spülschritt gefolgt. Der Spülschritt kann durch Inkubation in demineralisiertem Wasser oder durch Besprühen des Substrats mit demineralisiertem Wasser erfolgen, gefolgt von Ablaufenlassen des Wasserfilms, was durch Abblasen mit einem Luftstrom unterstützt werden kann.The allocation process of the described alumina substrate is carried out by a sequence of incubation and rinsing steps. Incubation in the described aqueous polymer formulation is for 17 hours, incubation in the graphene oxide formulation is for one hour, and each incubation step is followed by a one minute rinse. The rinsing step may be by incubation in demineralized water or by spraying the substrate with demineralized water, followed by draining the water film, which may be assisted by blowing off with a stream of air.
Auf einem ersten Aluminiumoxidsubstrat AO1 wurde mittels eines Belegungsprozesses, der zwei Inkubationsschritte umfasst, ein Haftfilm aufgebracht, wobei im ersten Inkubationsschritt eine Inkubation in der beschriebenen Polymerformulierung erfolgt und im zweiten Inkubationsschritt eine Inkubation in der beschriebenen Graphenoxidformulierung. Nach dem abschließenden Spülschritt und einem Trocknen des belegten Substrats an Luft zeigten sich in mittels Rasterkraftmikroskopie aufgenommenen Aufnahmen in mehreren unabhängigen Regionen parallel zur Substratoberfläche ausgerichtete 1 bis 2 nm dünne und lateral wenige Mikrometer ausgedehnte Graphenoxidschichten.
Nach zusätzlicher, einstündiger Inkubation in demineralisiertem Wasser bei Raumtemperatur zeigten sich wiederum in mittels Rasterkraftmikroskopie aufgenommenen Aufnahmen in mehreren unabhängigen Regionen parallel zur Substratoberfläche ausgerichtete 1 bis 2 nm dünne und lateral wenige Mikrometer ausgedehnte Graphenoxidschichten.After an additional one-hour incubation in demineralized water at room temperature, graphene oxide layers oriented in 1 to 2 nm thin and laterally only a few micrometres oriented in several independent regions parallel to the substrate surface were again detected by scanning force microscopy.
Ein zweites Aluminiumoxidsubstrat AO2 wurde zum Vergleich einem Belegungsprozess unterzogen, der nur einen Inkubationsschritt umfasste. Im Unterschied zu AO1 wurde bei der Belegung von AO2 keine erfindungsgemäße Haftschicht aufgebracht, zumal der Inkubationsschritt in der beschriebenen Polymerformulierung nicht durchgeführt wurde. Vielmehr erfolgte lediglich eine Inkubation in der beschriebenen Graphenoxidformulierung. Nach dem Spülschritt und einem Trocknen des belegten Substrats an Luft zeigten sich im Unterschied zu den für AO1 beschriebenen Beobachtungen bei AO2 in mittels Rasterkraftmikroskopie aufgenommenen Aufnahmen parallel zur Substratoberfläche ausgerichtete Flakes überwiegend in lateralen Größen unterhalb eines Mikrometers. Ein weiterer Unterschied zu den für AO1 beschriebenen, für die Erfindung charakteristischen Beobachtungen nahm nach einstündiger Inkubation des belegten AO2 in demineralisiertem Wasser die Belegung des Aluminiumoxidsubstrats mit diesen Partikeln deutlich ab.A second alumina substrate AO2 was subjected to an occupancy process involving only one incubation step for comparison. In contrast to AO1, no adhesion layer according to the invention was applied during the coating of AO2, especially as the incubation step in the described polymer formulation was not carried out. Rather, only an incubation in the described Graphenoxidformulierung. After the rinsing step and a drying of the coated substrate in air, in contrast to the observations described for AO1 in AO2 in recorded by atomic force microscopy shots aligned parallel to the substrate surface aligned flakes predominantly in lateral sizes below one micrometer. Another difference to the observations described for AO1, characteristic of the invention after one hour incubation of the occupied AO2 in demineralized water significantly decreased the occupancy of the alumina substrate with these particles.
Beispiel 2: Herstellung eines Stimulus-responsiven erfindungsgemäßen Haftfilms auf einem QuarzglassubstratExample 2 Production of a Stimulus-Responsive Adhesive Film According to the Invention on a Quartz Glass Substrate
Die Herstellung eines Stimulus-responsiven erfindungsgemäßen Haftfilms auf einem Quarzglassubstrat, seine (teilweise) Reduktion in einem Konditionierungsschritt durch thermische Energiezufuhr im Konvektionsofen sowie die Anwendung der so erhaltenen Beschichtung als Feuchtesensor, dessen elektrischer Widerstand sich feuchteabhängig ändert, wird nachfolgend beschrieben.The preparation of a stimulus-responsive adhesive film according to the invention on a quartz glass substrate, its (partial) reduction in a conditioning step by thermal energy supply in the convection oven and the application of the coating thus obtained as a humidity sensor whose electrical resistance changes depending on moisture, will be described below.
Auf ein 1 cm x 1 cm großes Quarzglassubstrat werden in einem Sputterprozess kantennah auf gegenüberliegenden Seiten einer Basisfläche zwei 1 mm breite und 1 cm lange elektrische Kontakte aufgebracht, indem zunächst eine wenige Nanometer dünne Chromschicht und dann eine wenige Nanometer dünne Goldschicht aufgebracht wird. Eine Gleichspannungs-Widerstandsmessung durch Kontaktierung der beiden Goldkontakte mit jeweils einer Messspitze ergibt einen elektrischen Widerstand von mehr als 10 Megaohm.On a 1 cm x 1 cm quartz glass substrate two 1 mm wide and 1 cm long electrical contacts are applied in a sputtering process near the edges on opposite sides of a base surface by first a few nanometers thin chromium layer and then a few nanometers thin gold layer is applied. A DC resistance measurement by contacting the two gold contacts, each with a probe tip results in an electrical resistance of more than 10 megohms.
Zur Belegung dieses Substrats durch Inkubation werden zwei wässrige Formulierungen eingesetzt, die jeweils mit einem Acetatpuffer auf einen pH-Wert von 4,75 eingestellt sind. Bei der Herstellung der ersten Formulierung wird bei 25 °C unter Rühren einem 0.2 molaren Acetatpuffer bis zum Erreichen einer Konzentration von 0,1 mg/mL Rinderalbumin (bovine serum albumin, BSA) zugesetzt. Geeignet ist hier ein entsprechendes Produkt, das von Firma SigmaAldrich als „Bovine Serum Albumin, lyophilized powder“ erhältlich ist. Die zweite Formulierung ist eine Graphenoxidsuspension, die 0,5 g/L Graphenoxid in überwiegend in Form vereinzelter, etwa 1 nm dünner und lateral wenige Mikrometer ausgedehnter Graphenoxidschichten - sogenannter Flakes - enthält und deren pH-Wert mit einem 2 mM Acetatpuffer eingestellt ist. Eine solch hochdisperse Verteilung der Nanopartikel wird dadurch unterstützt, dass die Suspension 1 min in einem Ultraschallbad behandelt wird. Eine solche Behandlung erfolgt insbesondere unmittelbar vor der Belegung des Substrats. Zur Herstellung dieser Suspension ist eine 4 g/L Graphenoxid enthaltende Suspension geeignet, die von der Firma Graphenea San Sebastian, Spanien, erhältlich ist und die mit Acetatpuffer verdünnt wird.To incubate this substrate by incubation, two aqueous formulations are used, each of which is adjusted to a pH of 4.75 with an acetate buffer. In the preparation of the first formulation is added at 25 ° C with stirring a 0.2 molar acetate buffer to reach a concentration of 0.1 mg / mL bovine serum albumin (BSA). Suitable here is a corresponding product available from Sigma-Aldrich as "Bovine Serum Albumin, lyophilized powder". The second formulation is a graphene oxide suspension which contains 0.5 g / L graphene oxide in predominantly discrete graphene oxide layers (so-called flakes) about 1 nm thick and laterally a few micrometers thick and whose pH is adjusted with a 2 mM acetate buffer. Such a highly dispersed distribution of the nanoparticles is assisted by treating the suspension for 1 min in an ultrasonic bath. Such a treatment takes place in particular immediately before the application of the substrate. To prepare this suspension, a 4 g / L graphene oxide-containing suspension is available which is available from the company Graphenea San Sebastian, Spain, and which is diluted with acetate buffer.
Der Belegungsprozess des beschriebenen Substrats erfolgt durch eine Abfolge von Inkubations- und Spülschritten. Die Inkubation in den beschriebenen wässrigen Formulierungen erfolgt jeweils eine Stunde lang, und jeder Inkubationsschritt wird von einem einminütigen Spülschritt gefolgt. Der Spülschritt kann durch Inkubation in demineralisiertem Wasser oder durch Besprühen des Substrats mit demineralisiertem Wasser erfolgen, gefolgt von Ablaufenlassen des Wasserfilms, was durch Abblasen mit einem Luftstrom unterstützt werden kann. Auf der 1 cm × 1 cm großen Unterseite des Substrats und an den vier Kanten wird durch Reiben mit einem Zellulosetuch die jeweils aufgebrachte Schicht wieder entfernt, was sicherstellt, dass der schließlich zu messende elektrische Widerstand ausschließlich durch den auf der Oberseite des Substrats gebildeten Film bestimmt wird.The assignment process of the described substrate is carried out by a sequence of incubation and rinsing steps. The incubation in the described aqueous formulations is carried out for one hour each, and each incubation step is followed by a one-minute rinse step. The rinsing step may be by incubation in demineralized water or by spraying the substrate with demineralized water, followed by draining the water film, which may be assisted by blowing off with a stream of air. On the 1 cm × 1 cm underside of the substrate and at the four edges, the applied layer is removed by rubbing with a cellulose cloth again, which ensures that the finally to be measured electrical resistance only by the on the Top of the substrate formed film is determined.
Auf einem entsprechend ausgewählten Substrat wurde mittels eines Belegungsprozesses, der vier Inkubationsschritte umfasst, ein Haftfilm aufgebracht, wobei im ersten Inkubationsschritt eine Inkubation in der beschriebenen BSA-Formulierung erfolgt, im zweiten Inkubationsschritt eine Inkubation in der beschriebenen Graphenoxidformulierung, im dritten Inkubationsschritt nochmals eine Inkubation in der beschriebenen BSA-Formulierung und schließlich im vierten Inkubationsschritt nochmals eine Inkubation in der beschriebenen Graphenoxidformulierung. Nach dem abschließenden Spülschritt und einem Trocknen des belegten Substrats an Luft ergab eine Gleichspannungs-Widerstandsmessung durch Kontaktierung der beiden Goldkontakte mit jeweils einer Messspitze einen elektrischen Widerstand von mehr als 10 Megaohm.On an appropriately selected substrate, an adhesive film was applied by means of a coating process comprising four incubation steps, incubation in the described BSA formulation being carried out in the first incubation step, incubation in the described graphene oxide formulation in the second incubation step, incubation again in the third incubation step the BSA formulation described, and finally, in the fourth incubation step, another incubation in the described graphene oxide formulation. After the final rinse step and drying of the occupied substrate in air, a DC resistance measurement by contacting the two gold contacts, each with a measuring tip resulted in an electrical resistance of more than 10 megohms.
Das so getrocknete belegte Substrat wurde schließlich eine Stunde lang in einem Konvektionsofen in Luft bei 227 °C getempert. Nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur und Abspülen mit demineralisiertem Wasser wurde ein elektrischer Widerstand von 625 Kiloohm gemessen. Der Haftfilm belegt neben der Oberfläche des Quarzglases auch die Oberfläche der Goldkontakte. Wird zwischen diese ein die Goldkontakte nicht erreichender Tropfen aus demineralisiertem Wasser aufgebracht, so ändert sich der gemessene elektrische Widerstand. Nach 45 min beziehungsweise nach 105 min wird ein elektrischer Widerstand von 680 beziehungsweise 675 Kiloohm gemessen. Wird der Wassertropfen im Luftstrom abtrocknen gelassen, so sinkt der elektrische Widerstand wieder ab, um nach fünfstündiger Trocknung 629 Kiloohm zu erreichen, was praktisch dem Ausgangswert vor dem Auftrag des Wassertropfens entspricht. Bei nochmaligem Auftrag eines Wassertropfens steigt der elektrische Widerstand wiederum um 10 % an.The thus-dried coated substrate was finally annealed in a convection oven in air at 227 ° C for one hour. After cooling to room temperature and rinsing with demineralized water, an electrical resistance of 625 kiloohms was measured. The adhesive film occupies next to the surface of the quartz glass and the surface of the gold contacts. If a drop of demineralized water not reaching the gold contacts is applied between these, the measured electrical resistance changes. After 45 minutes or after 105 minutes, an electrical resistance of 680 or 675 kilohms is measured. If the water droplet is allowed to dry in the air stream, the electrical resistance drops again to reach 629 kiloohms after drying for five hours, which is practically the same as the starting value before the water droplet is applied. If a drop of water is applied again, the electrical resistance increases again by 10%.
Beispiel 3: Herstellung eines erfindungsgemäßen Haftfilms auf einem SilikatglassubstratExample 3 Preparation of an Adhesive Film According to the Invention on a Silicate Glass Substrate
Die Herstellung eines erfindungsgemäßen Haftfilms auf einem Silikatglassubstrat und seine (teilweise) Reduktion in einem Konditionierungsschritt durch thermische Energiezufuhr im Konvektionsofen zum Erreichen einer technisch relevanten elektrischen Leitfähigkeit der transparenten Haftschicht wird nachfolgend beschrieben.The preparation of an adhesive film according to the invention on a silicate glass substrate and its (partial) reduction in a conditioning step by thermal energy supply in the convection oven to achieve a technically relevant electrical conductivity of the transparent adhesive layer will be described below.
Zur Belegung dieses Substrats durch Inkubation bei Raumtemperatur werden zwei wässrige Formulierungen eingesetzt. Bei der Herstellung der ersten Formulierung, die mit einem Acetatpuffer auf einen pH-Wert von 4,75 eingestellt ist, wird Laccase in einer Konzentration von 0,2 g/L eingesetzt und die Dispersion durch Schütteln homogenisiert. Eine geeignete Laccase-Qualität ist bei Firma SigmaAldrich als „Laccase from Trametes versicolor, powder“ verfügbar. Die zweite Formulierung wird aus einer Suspension, die 4 g/L Graphenoxid überwiegend in Form vereinzelter, etwa 1 nm dünner und lateral wenige Mikrometer ausgedehnter Graphenoxidschichten - sogenannter Flakes - enthält., hergestellt. Eine geeignete 4 g/L Graphenoxid enthaltende Suspension ist von der Firma Graphenea, San Sebastian, Spanien, erhältlich. Sie wird mit demineralisiertem Wasser verdünnt, zu dem ein entsprechendes Aliquot der Suspension hinzugegeben wird.To cover this substrate by incubation at room temperature, two aqueous formulations are used. In the preparation of the first formulation adjusted to a pH of 4.75 with an acetate buffer, laccase is used at a concentration of 0.2 g / L and the dispersion is homogenized by shaking. A suitable laccase grade is available from Sigma-Aldrich as "Laccase from Trametes versicolor, powder". The second formulation is prepared from a suspension containing 4 g / L graphene oxide predominantly in the form of isolated graphene oxide layers (so-called flakes) about 1 nm thinner and laterally a few micrometers wide. A suitable 4 g / L graphene oxide-containing suspension is available from Graphenea, San Sebastian, Spain. It is diluted with demineralised water to which a corresponding aliquot of the suspension is added.
Der Belegungsprozess des beschriebenen Substrats erfolgt durch eine Abfolge von Inkubations- und Spülschritten. Die Inkubation in der beschriebenen wässrigen LaccaseFormulierung erfolgt eine Stunde lang, und die Inkubation in der beschriebenen wässrigen Graphenoxid-Formulierung erfolgt 15 min lang Jeder Inkubationsschritt wird von zehn jeweils 5 s dauernden Spülschritten gefolgt, die durch Inkubation in demineralisiertem Wasser umgesetzt werden. Nach dem letzten Spülschritt folgt ein Ablaufenlassen des Wasserfilms, was durch Abblasen mit einem Luftstrom unterstützt werden kann.The assignment process of the described substrate is carried out by a sequence of incubation and rinsing steps. The incubation in the aqueous laccase formulation described is carried out for one hour, and the incubation in the described aqueous graphene oxide formulation is carried out for 15 minutes. Each incubation step is followed by ten rinsing steps lasting in each case for 5 seconds, which are reacted by incubation in demineralized water. After the last rinse step, the water film is allowed to drain, which can be assisted by blowing off with a stream of air.
Auf drei entsprechend ausgewählten Substraten SG1, SG2 und SG4 wurden mittels dreier Belegungsprozesse, die jeweils mehrere Inkubationsschritte und die darauf folgenden Spülschritte umfassen, Haftfilme mit unterschiedlicher Filmdicke aufgebracht. Dazu wurde ein zwei Inkubationsschritte und darauf folgende Spülschritte umfassender Basis-Inkubationsprozess unterschiedlich oft durchgeführt. Der Basis-Inkubationsprozess besteht aus ersten Inkubationsschritt, während dessen eine Inkubation in der beschriebenen wässrigen Laccaseformulierung erfolgt, und einem zweiten Inkubationsschritt, während dessen eine Inkubation in der beschriebenen Graphenoxidformulierung erfolgt.On three appropriately selected substrates SG1, SG2 and SG4 were applied by means of three coating processes, each comprising several incubation steps and the subsequent rinsing steps, adhesive films with different film thickness. For this purpose, a basic incubation process comprising two incubation steps and subsequent rinsing steps was carried out with different frequency. The basic incubation process consists of a first incubation step, during which an incubation takes place in the aqueous laccase formulation described, and a second incubation step, during which an incubation takes place in the described graphene oxide formulation.
Dieser Basis-Inkubationsprozess wurde zur Belegung des Substrats SG1 einmal durchgeführt, zur Belegung des Substrats SG2 zweimal und zur Belegung des Substrats SG4 viermal. Auf der Unterseite des Substrats und an den vier Kanten wird durch Reiben mit einem Zellulosetuch die jeweils aufgebrachte Schicht wieder entfernt, was sicherstellt, dass der schließlich zu messende elektrische Widerstand ausschließlich durch den auf der Oberseite des Substrats gebildeten Film bestimmt wird.This basic incubation process was carried out once to occupy the substrate SG1, to deposit the substrate SG2 twice and to deposit the substrate SG4 four times. On the underside of the substrate and on the four edges, rubbing with a cellulose cloth removes the layer which has been applied, which ensures that the electrical resistance to be finally measured is determined exclusively by the film formed on the upper side of the substrate.
Nach dem abschließenden Spülschritt und einem Trocknen der belegten Substrate an Luft ergab eine Gleichspannungs-Widerstandsmessung durch Kontaktierung der belegten Probenoberseite einen elektrischen Widerstand von mehr als 10 Megaohm.After the final rinse step and drying of the coated substrates in air, a DC resistance measurement by contacting the occupied sample top resulted in an electrical resistance of more than 10 megohms.
Die so getrockneten belegten Substrate wurden schließlich in einem Konvektionsofen im Stickstoffstrom unter Schutzgas mit einer Heizrate von 10 K/min auf 250 °C erwärmt. Bei 250 °C zeigte das belegte Substrat SG2 einen elektrischen Widerstand von 250 Kiloohm. The thus-dried coated substrates were finally heated in a convection oven in a nitrogen stream under inert gas at a heating rate of 10 K / min to 250 ° C. At 250 ° C, the occupied substrate SG2 showed an electrical resistance of 250 kilohms.
Im Vergleich mit einem nicht belegten Silikatglassubstrat wurden die belegten Substrate SG1, SG2 und SG4 mittels Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS, ESCA) oberflächenanalytisch an mindestens zwei Messpositionen charakterisiert. Für das nicht belegte Substrat wurde eine mittlere Si2p-Signalintensität von 594500 (± 20000) cps × eV erhalten, die vom Silikatglassubstrat stammt. Bei den belegten Substraten wurde ein abhängig von der aufgebrachten Belegung abgeschwächtes Substratsignal erhalten. Für SG1 wurde eine Si2p-Signalintensität von 131000 (± 20000) cps × eV erhalten, für SG2 eine Si2p-Signalintensität von 57000 (± 16000) cps x eV und für SG4 eine Si2p-Signalintensität von 11700 (± 2000) cps x eV. Legt man eine mittlere freie Weglänge von 3,2 nm für Si2p-Photoelektronen in den aufgebrachten organischen Schichten zugrunde, so ergibt sich, dass bei jeder Durchführung des Basis-Inkubationsprozesses eine vergleichbare dicke Schicht aufgebracht wird, deren Dicke nach der beschriebenen Thermolyse der Beschichtung 3 bis 5 nm beträgt.In comparison with an unoccupied silicate glass substrate, the coated substrates SG1, SG2 and SG4 were characterized by surface X-ray photoelectron spectroscopy (XPS, ESCA) on at least two measuring positions. For the unoccupied substrate, an average Si2p signal intensity of 594500 (± 20000) cps × eV derived from the silicate glass substrate was obtained. In the case of the occupied substrates, a substrate signal which was weakened depending on the applied coverage was obtained. For SG1, an Si2p signal intensity of 131,000 (± 20,000) cps x eV was obtained, for SG2 a Si2p signal intensity of 57,000 (± 16,000) cps x eV and for SG4 a Si2p signal intensity of 11700 (± 2000) cps x eV. Assuming a mean free path of 3.2 nm for Si2p photoelectrons in the applied organic layers, it follows that each time the basic incubation process a comparable thick layer is applied, whose thickness after the described thermolysis of the coating. 3 to 5 nm.
Bei Raumtemperatur weist das belegte und thermisch behandelte Substrat SG2 im Vergleich zum nicht belegten Silikatglassubstrat bei einer Lichtwellenlänge von 550 nm eine Transparenz von 83 (± 1) % auf.At room temperature, the occupied and thermally treated substrate SG2 has a transparency of 83 (± 1)% compared to the unoccupied silicate glass substrate at a light wavelength of 550 nm.
Beispiel 4: Herstellung eines erfindungsgemäßen Haftfilms auf einer Polvimid-KunststofffolieExample 4 Production of an Adhesive Film According to the Invention on a Polvimid Plastic Film
Die Herstellung eines erfindungsgemäßen Haftfilms auf einer Polyimid-Kunststofffolie als Substrat und seine (teilweise) Reduktion in einem Konditionierungsschritt durch thermische Energiezufuhr im Konvektionsofen zum Erreichen einer technisch relevanten elektrischen Leitfähigkeit wird nachfolgend beschrieben.The preparation of an adhesive film according to the invention on a polyimide plastic film as a substrate and its (partial) reduction in a conditioning step by thermal energy supply in the convection oven to achieve a technically relevant electrical conductivity will be described below.
Ein 5,5 cm × 1,5 cm großes Polyimidsubstrat wird kantennah auf gegenüberliegenden Kurzseiten mit Klemmen kontaktiert und eine Gleichspannungs-Widerstandsmessung ergibt einen elektrischen Widerstand von mehr als 20 Megaohm.A 5.5 cm x 1.5 cm polyimide substrate is contacted near the edge on opposite short sides with terminals and a DC resistance measurement results in an electrical resistance of more than 20 megohms.
Zur Belegung dieses Substrats durch Inkubation bei Raumtemperatur werden zwei wässrige Formulierungen eingesetzt. Bei der Herstellung der ersten Formulierung, die mit einem Acetatpuffer auf einen pH-Wert von 4,75 eingestellt ist, wird Polylysin in einer Konzentration von 0,2 g/L eingesetzt und die Lösung durch Schütteln homogenisiert. Die zweite Formulierung wird aus einer Suspension, die 4 g/L Graphenoxid überwiegend in Form vereinzelter, etwa 1 nm dünner und lateral wenige Mikrometer ausgedehnter Graphenoxidschichten - sogenannter Flakes - enthält., hergestellt. Eine geeignete 4 g/L Graphenoxid enthaltende Suspension ist von der Firma Graphenea San Sebastian, Spanien, erhältlich. Sie wird mit demineralisiertem Wasser auf eine Konzentration von 1 g/L verdünnt, zu dem ein entsprechendes Aliquot der Suspension hinzugegeben wird.To cover this substrate by incubation at room temperature, two aqueous formulations are used. In the preparation of the first formulation, adjusted to a pH of 4.75 with an acetate buffer, polylysine is used at a concentration of 0.2 g / L and the solution is homogenized by shaking. The second formulation is prepared from a suspension containing 4 g / L graphene oxide predominantly in the form of isolated graphene oxide layers (so-called flakes) about 1 nm thinner and laterally a few micrometers wide. A suitable 4 g / L graphene oxide-containing suspension is available from Graphenea San Sebastian, Spain. It is diluted with demineralised water to a concentration of 1 g / L, to which a corresponding aliquot of the suspension is added.
Der Belegungsprozess des beschriebenen Substrats erfolgt durch eine Abfolge von Inkubations- und Spülschritten. Die Inkubation in der beschriebenen wässrigen PolylysinFormulierung erfolgt eine Stunde lang, und die Inkubation in der beschriebenen wässrigen Graphenoxid-Formulierung erfolgt 15 min lang Jeder Inkubationsschritt wird von zehn jeweils 5s dauernden Spülschritten gefolgt, die durch Inkubation in demineralisiertem Wasser umgesetzt werden. Nach dem letzten Spülschritt folgt ein Ablaufenlassen des Wasserfilms, was durch Abblasen mit einem Luftstrom unterstützt werden kann.The assignment process of the described substrate is carried out by a sequence of incubation and rinsing steps. The incubation in the described aqueous polylysine formulation is carried out for one hour, and the incubation in the described aqueous graphene oxide formulation is carried out for 15 minutes. Each incubation step is followed by ten rinses of 5 seconds each, which are reacted by incubation in demineralized water. After the last rinse step, the water film is allowed to drain, which can be assisted by blowing off with a stream of air.
Auf einem entsprechend ausgewählten Substrat wurde mittels eines Belegungsprozesses, der vier Inkubationsschritte umfasst, ein Haftfilm aufgebracht, wobei im ersten Inkubationsschritt eine Inkubation in der beschriebenen wässrigen Polylysinformulierung erfolgt, im zweiten Inkubationsschritt eine Inkubation in der beschriebenen Graphenoxidformulierung, im dritten Inkubationsschritt nochmals eine Inkubation in der beschriebenen wässrigen Polylysinformulierung und schließlich im vierten Inkubationsschritt nochmals eine Inkubation in der beschriebenen Graphenoxidformulierung. Nach dem abschließenden Spülschritt und einem Trocknen des belegten Substrats an Luft ergab eine Gleichspannungs-Widerstandsmessung durch Kontaktierung der Kunststofffolienenden einen elektrischen Widerstand von mehr als 10 Megaohm.On an appropriately selected substrate, an adhesive film was applied by means of a coating process comprising four incubation steps, incubation in the aqueous polylysine formulation described in the first incubation step, incubation in the described graphene oxide formulation in the second incubation step, incubation in the third incubation step Finally, in the fourth incubation step incubation in the described Graphenoxidformulierung. After the final rinse step and drying of the coated substrate in air, a DC resistance measurement by contacting the plastic foil ends produced an electrical resistance of greater than 10 megohms.
Das so getrocknete belegte Substrat wurde schließlich in einem Konvektionsofen im Stickstoffstrom unter Schutzgas mit einer Heizrate von 10 K/min auf 250 °C erwärmt und eine Stunde lang bei 250 °C getempert. Bei Raumtemperatur ergab eine Gleichspannungs-Widerstandsmessung durch Kontaktierung der Kunststofffolienenden einen elektrischen Widerstand von 9 Megaohm. Während eines Dehnens der belegten Kunststofffolie und auch eines Biegens, bis sich die Foilenenden nahezu berührten, wurde ein elektrischer Widerstand von 5 Megaohm gemessen.The thus-dried coated substrate was finally heated in a convection oven in a nitrogen stream under inert gas at a heating rate of 10 K / min to 250 ° C and annealed at 250 ° C for one hour. At room temperature, a DC resistance measurement by contacting the plastic film ends gave an electrical resistance of 9 megohms. During stretching of the covered plastic film and also bending until the foil ends almost touched, an electrical resistance of 5 megohms was measured.
Beispiel 5: Herstellung eines erfindungsgemäßen Haftfilms auf einer GoldschichtExample 5: Preparation of an Adhesive Film According to the Invention on a Gold Layer
Die Herstellung eines erfindungsgemäßen Haftfilms auf einer Goldschicht als Substrat wird nachfolgend beschrieben.The preparation of an adhesive film according to the invention on a gold layer as a substrate is described below.
Zur Belegung dieses Substrats durch Inkubation bei Raumtemperatur werden zwei wässrige Formulierungen eingesetzt. Bei der Herstellung der ersten Formulierung, die mit einem Acetatpuffer auf einen pH-Wert von 4,75 eingestellt ist, wird Laccase in einer Konzentration von 0,2 g/L eingesetzt und die Dispersion durch Schütteln homogenisiert. Eine geeignete Laccase-Qualität ist bei Firma SigmaAldrich als „Laccase from Trametes versicolor, powder“ verfügbar. Die zweite Formulierung wird aus einer wässrigen Suspension, die 4 g/L Graphenoxid überwiegend in Form vereinzelter, etwa 1 nm dünner und lateral wenige Mikrometer ausgedehnter Graphenoxidschichten - sogenannter Flakes - enthält, hergestellt. Eine geeignete 4 g/L Graphenoxid enthaltende Suspension ist von der Firma Graphenea, San Sebastian, Spanien, erhältlich. Die die 4 g/L Graphenoxid enthaltende Dispersion wird mit dem Ziel gereinigt, mehrere Mikrometer breite Flakes von weniger als 1 µm breiten Flakes sowie möglichen wasserlöslichen Zusatzstoffen abzutrennen. Dazu wird ein Aliquot der 4 g/L Graphenoxid enthaltenden Suspension mit demineralisiertem Wasser auf das siebenfache Volumen V7 des entnommenen Aliquots verdünnt und dann in einem ersten Zentrifugationsschritt bei einer Drehzahl von 10000 Umdrehungen pro Minute 5 min lang zentrifugiert. Der Überstand wird durch ein erstes Dekantieren abgetrennt. Der Niederschlag wird mit demineralisiertem Wasser auf das Volumen V7 aufgefüllt und mittels einer einminütigen Ultraschallbehandlung erstmalig redispergiert. Darauf folgt ein dem ersten Zentrifugationsschritt entsprechend durchgeführter zweiter Zentrifugationsschritt. Auf diesen folgen ein zweiter wie beschrieben ausgeführter Dekantierungsschritt und ein zweiter wie beschrieben ausgeführter Ultraschall-unterstützter Redispergierungsschritt. Diese Abfolge von Prozesschritten wird noch weitere acht Mal wiederholt. Der abschließende zehnte Redispergierungsschritt auf das siebenfache Volumen V7 des ursprünglich entnommenen Aliquots erfolgt allerdings in einem 0,15 molaren Acetatpuffer. To cover this substrate by incubation at room temperature, two aqueous formulations are used. In the preparation of the first formulation adjusted to a pH of 4.75 with an acetate buffer, laccase is used at a concentration of 0.2 g / L and the dispersion is homogenized by shaking. A suitable laccase grade is available from Sigma-Aldrich as "Laccase from Trametes versicolor, powder". The second formulation is prepared from an aqueous suspension containing 4 g / L graphene oxide predominantly in the form of isolated graphene oxide layers (so-called flakes) about 1 nm thick and laterally a few micrometers in size. A suitable 4 g / L graphene oxide-containing suspension is available from Graphenea, San Sebastian, Spain. The dispersion containing the 4 g / L graphene oxide is cleaned with the aim of separating flakes of lesser than 1 μm wide flakes several micrometers wide and possible water-soluble additives. For this purpose, an aliquot of the 4 g / L graphene oxide-containing suspension is diluted with demineralized water to seven times the volume V 7 of the aliquot taken and then centrifuged in a first centrifugation step at a speed of 10,000 revolutions per minute for 5 min. The supernatant is separated by a first decantation. The precipitate is filled with demineralized water to the volume V 7 and redispersed for the first time by means of a one-minute ultrasound treatment. This is followed by a second centrifugation step carried out in accordance with the first centrifugation step. These are followed by a second decantation step as described and a second ultrasonic assisted redispersion step as described. This sequence of process steps is repeated eight more times. The final tenth redispersion step to seven times the volume of V 7 of the original aliquot taken, however, takes place in a 0.15 molar acetate buffer.
Der Belegungsprozess des beschriebenen Substrats wird mit einer Quarzkristall-Mikrowaage verfolgt. Bei Kontaktierung des Substrats mit der beschriebenen Laccaseformulierung ist die Bildung der Laccase enthaltenden Haftschicht nach 30 min beendet. Die Haftschicht wird eine Minute lang mit demineralisiertem Wasser gespült, wobei kein signifikanter Massenverlust beobachtet wird. Bei darauf folgender Kontaktierung der Haftschicht mit der beschriebenen gepufferten Graphenoxidformulierung ist die Bildung der Graphenoxid enthaltenden Schicht nach 30 min beendet. Der Haftfilm wird eine Minute lang mit demineralisiertem Wasser gespült, wobei kein signifikanter Massenverlust beobachtet wird. Die Frequenzänderung des Schwingquarzes der Quarzkristall-Mikrowaage beträgt bei der Adsorption der Graphenoxid enthaltenden Schicht etwa ein Drittel der Frequenzänderung während der Adsorption der Laccase enthaltenden Haftschicht. Der resultierende Haftfilm ist 5 (± 1) nm dünn.The occupation process of the described substrate is followed by a quartz crystal microbalance. Upon contacting the substrate with the Laccas formulation described, the formation of the laccase-containing adhesive layer is completed after 30 minutes. The adhesive layer is rinsed with demineralized water for one minute, with no significant mass loss observed. Upon subsequent contacting of the adhesive layer with the described buffered graphene oxide formulation, the formation of the graphene oxide-containing layer is completed after 30 minutes. The adhesive film is rinsed with demineralized water for one minute, with no significant mass loss observed. The frequency change of the quartz crystal microbalance quartz crystal crystal during adsorption of the graphene oxide-containing layer is about one third of the frequency change during adsorption of the laccase-containing adhesive layer. The resulting adhesive film is 5 (± 1) nm thin.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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