DE102018108587A1 - Barrier layers and compositions for their preparation - Google Patents
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Abstract
Für die Herstellung einer Barriereschicht auf Substraten wird eine Zusammensetzung vorgeschlagen, welche insbesondere eine Polymerkomponente, oberflächenmodifizierte Plättchen-förmige anorganische Partikel, insbesondere in Form von Metall-, Metalloxid- und Silikat-basierenden Partikeln, und einen Anteil eines organischen Lösemittels, welches gegebenenfalls einen Reaktivverdünner umfasst, wobei die Partikel an ihrer Oberfläche mit einer oder mehreren doppelbindungsfunktionell und/oder epoxidfunktionell reaktiven Silankomponenten und mit einer oder mehreren aminofunktionellen Komponenten modifiziert sind, wobei die Partikel eine nanoskalige Plättchendicke aufweisen, und wobei die Polymerkomponente ausgewählt ist aus Polyacrylaten, Polyvinylidenchloriden, Polyurethanen, Polyestern sowie Cellulose-Derivaten.For the preparation of a barrier layer on substrates, a composition is proposed which comprises in particular a polymer component, surface-modified platelet-shaped inorganic particles, in particular in the form of metal-, metal oxide- and silicate-based particles, and a proportion of an organic solvent which optionally contains a reactive diluent wherein the particles are modified on their surface with one or more double bond-functional and / or epoxide-functional reactive silane components and with one or more amino-functional components, wherein the particles have a nanoscale platelet thickness, and wherein the polymer component is selected from polyacrylates, polyvinylidene chlorides, polyurethanes, Polyesters and cellulose derivatives.
Description
Die Erfindung betrifft eine Zusammensetzung für die Herstellung von Barriereschichten, die Verwendung der erfindungsgemäßen Zusammensetzungen zur Herstellung von Barriereschichten, Barriereschichten, die aus den erfindungsgemäßen Zusammensetzungen hergestellt sind, Substrate, die mit einer Barriereschicht versehen sind, sowie ein Verfahren zum Aufbringen einer Barriereschicht auf einem Substrat.The invention relates to a composition for the preparation of barrier layers, the use of the compositions according to the invention for the preparation of barrier layers, barrier layers made from the compositions according to the invention, substrates provided with a barrier layer and a method for applying a barrier layer to a substrate ,
Verpackungen und Gebinde aus unterschiedlichsten Materialien sind von allgemeiner Bedeutung, sowohl für den privaten als auch für den industriellen Gebrauch. Im einfachsten Fall stellen diese Verpackungen und Gebinde nur Behältnisse dar.Packaging and packaging made of various materials are of general importance, both for private and industrial use. In the simplest case, these packages and containers represent only containers.
Insbesondere bei der Lagerung von wertvollen, empfindlichen oder gefährlichen Gütern müssen diese vor Umwelteinflüssen oder generell vor äußeren Einflüssen geschützt werden. Dies kann insbesondere durch zusätzliche Schutzschichten oder Barriereschichten, welche auf den jeweiligen Gebinden und Verpackungen aufgebracht werden, realisiert werden. Ein zusätzlicher Schutz von wertvollen und empfindlichen Gütern, welcher häufig nicht ausschließlich durch ein herkömmliches Verpackungsmaterial geleistet werden kann, betrifft vor allem einen Schutz gegenüber Umwelteinflüssen wie Feuchte, Sauerstoff, Licht- und Temperatureinflüssen.In particular, when storing valuable, sensitive or dangerous goods they must be protected from environmental influences or generally against external influences. This can be achieved in particular by additional protective layers or barrier layers, which are applied to the respective containers and packaging. An additional protection of valuable and sensitive goods, which often can not be done exclusively by a conventional packaging material, concerns above all a protection against environmental influences such as moisture, oxygen, light and temperature influences.
Vor allem für Materialien in der Pharma-, der Genussmittel-, der chemischen, der Computer-, als auch der Bauindustrie finden Verpackungen und Gebinde mit solchen zusätzlich aufgebrachten Barriereschichten umfangreiche Anwendung.Especially for materials in the pharmaceutical, semi-luxury, chemical, computer, and construction industries, packaging and containers are used extensively with such additionally applied barrier layers.
Resultierend aus den beschriebenen Aspekten besteht in Industriegesellschaften ein dringender und wachsender Bedarf an kostengünstig und einfach aufzubringenden Barrierebeschichtungen für Gebinde und Verpackungen, welche auf den gängigen Verpackungsmaterialien eine gute Haftung zeigen und bei welchen die elastischen Eigenschaften und die Härte einstellbar sind.As a result of the described aspects, there is an urgent and growing need in industrial societies for barrier coatings for packaging and packaging that are cost effective and easy to apply, which exhibit good adhesion to the common packaging materials and in which the elastic properties and the hardness are adjustable.
Jedoch nicht nur zur Anwendung auf Gebinden und Verpackungen oder Folien besteht ein zunehmender Bedarf an neuen innovativen Barrierebeschichtungen, sondern auch zum Schutz von Metallen vor Korrosion sind insbesondere die Barriereeigenschaften der Beschichtung oder aufgebrachten Konversionsschichten gegenüber Sauerstoff, Elektrolyten und Wasser von elementarer Bedeutung.However, not only for use on containers and packaging or films, there is an increasing demand for new innovative barrier coatings, but also for the protection of metals from corrosion, especially the barrier properties of the coating or applied conversion layers to oxygen, electrolytes and water are of elementary importance.
Als Barriereschichten haben sich mittels Vakuumverfahren, beispielsweise mittels der sogenannten Physical Vapor Deposition (PVD), abgeschiedene Metallschichten, insbesondere PVD-Aluminiumschichten, bewährt, welche allerdings zum Schutz vor Oxidation und Korrosion oftmals selbst wiederum durch Aufbringen von organischen Beschichtungen geschützt werden müssen.As barrier layers, by means of vacuum methods, for example by means of the so-called Physical Vapor Deposition (PVD), deposited metal layers, in particular PVD aluminum layers, have proven useful, which, however, often have to be protected against oxidation and corrosion by applying organic coatings themselves.
Die Verwendung von PVD-beschichteten Folien als Verpackung und zum Schutz von empfindlichen Waren vor Sauerstoff und Wasserdampf ist vielfältig bekannt. Die Barrierewirkung einer aufgedampften dünnen metallischen Schicht ist sehr hoch.The use of PVD-coated films as packaging and for the protection of sensitive goods from oxygen and water vapor is widely known. The barrier effect of a vapor deposited thin metallic layer is very high.
Nachteilig sind jedoch die aufwändigen und teuren Produktionsverfahren im Hochvakuum und die teilweise starke Anfälligkeit dieser Schichten für Korrosionsprozesse. Es wurden deshalb im Stand der Technik für eine Reihe von Applikationen schon alternative Barriereschichten empfohlen.Disadvantages, however, are the complex and expensive production processes in a high vacuum and the sometimes pronounced susceptibility of these layers to corrosion processes. Therefore, alternative barrier layers have already been recommended in the prior art for a number of applications.
In der
Beschichtete Aluminiumfolien werden ebenfalls in der
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Auch Barriereschichten, bestehend aus organischen Filmbildnern wie Polyvinylidenchlorid (PVDC) oder Ethylen-Vinylalkohol-Copolymeren (EVOH), sind in Verwendung. Die Barrierewirkung dieser Polymerschichten ist jedoch für die meisten Anwendungen, bei denen es um eine Sauerstoff- und insbesondere auch eine Wasserbarriere geht, nicht ausreichend hoch. Meistens werden diese Barriereschichten deshalb mit anderen metallischen oder oxidischen Sperrschichten kombiniert.Barrier layers consisting of organic film formers such as polyvinylidene chloride (PVDC) or ethylene-vinyl alcohol copolymers (EVOH) are also in use. However, the barrier effect of these polymer layers is not sufficiently high for most applications involving an oxygen barrier, and especially a water barrier. For the most part, these barrier layers are therefore combined with other metallic or oxidic barrier layers.
Um die Barrierewirkung zu verbessern, wurden auch schon sogenannte Hybridmaterialien verwendet. In der
Um eine maximale Wirkung bei diesen Hybridmaterialschichten zu erzielen, ist deshalb oftmals ein Zwei-Schicht-Aufbau aus einer metallischen oder oxidischen Schicht und einer Schicht aus dem Hybridmaterial notwendig.To achieve maximum effect in these hybrid material layers, therefore, a two-layer structure of a metallic or oxidic layer and a layer of the hybrid material is often necessary.
In der
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Als wichtigste Eigenschaften von Barriereschichten außer der Sperrwirkung gegenüber den jeweiligen Umwelteinflüssen sind jedoch vor allem die Robustheit, Flexibilität und Kosten im Aufbringungsprozess als auch die Permanenz dieser Beschichtungen zu nennen.However, the most important properties of barrier layers besides the barrier effect against the respective environmental influences are, above all, the robustness, flexibility and costs in the application process as well as the permanence of these coatings.
Eine wesentliche Rolle für die Erfordernisse einer Barriereschicht spielen die immensen Stückzahlen der in den Industrienationen produzierten Verpackungen und Gebinde sowie der weltweit vorherrschende Druck zur Kostensenkung und Erhöhung der Produktivität.An essential role for the requirements of a barrier layer is played by the immense quantities of packaging and packaging produced in the industrialized nations as well as the worldwide pressure to reduce costs and increase productivity.
Wie schon erläutert, werden gemäß dem Stand der Technik Metallschichten, zumeist Aluminiummetallschichten, im Vakuum mittels PVD-Verfahren als Barriereschichten auf unterschiedlichste Materialien aufgebracht. Diese Prozesse sind zum einen energie- und kostenintensiv und zum anderen durch die Verwendung eines Vakuumprozesses auch wenig flexibel.As already explained, according to the prior art, metal layers, mostly aluminum metal layers, are applied under vacuum by means of PVD methods as barrier layers to a very wide variety of materials. These processes are on the one hand energy and cost intensive and on the other hand by the use of a vacuum process also not very flexible.
Den eingangs genannten Aspekten der universellen Einsetzbarkeit und Haftung auf unterschiedlichen Substraten, der kostengünstigen und einfachen Aufbringung, die Steuerung der Härte und der elastischen Eigenschaften kann am besten durch eine organische Beschichtung Rechnung getragen werden. The above-mentioned aspects of the universal applicability and adhesion to different substrates, the cost-effective and simple application, the control of the hardness and the elastic properties can best be accommodated by an organic coating.
Es hat sich jedoch gezeigt, dass selbst stark vernetzte Zwei-Komponenten(2K)-Klarlacke allein keine ausreichende Barriere gegenüber Gasen bereitstellen können.However, it has been found that even highly crosslinked two-component (2K) clearcoat materials alone can not provide a sufficient barrier to gases.
Es besteht deshalb Bedarf an Barriereschichten, welche sich einfacher und kostengünstiger aufbringen lassen, wobei trotzdem eine Barrierewirkung, beispielsweise gegenüber Sauerstoff und Wasserdampf, in einer ähnlichen Größenordnung wie sie mit der Barrierewirkung einer PVD-Schicht aus Metall erzielbar ist, erzeugt werden kann.There is therefore a need for barrier layers which can be applied more simply and inexpensively, while still being able to produce a barrier effect, for example to oxygen and water vapor, of a similar order of magnitude as can be achieved with the barrier effect of a PVD layer of metal.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Zusammensetzung vorzuschlagen, mit denen kostengünstiger auch bei großen Stückzahlen Barriereschichten oder Barrierebeschichtungen hergestellt werden können.The object of the present invention is to propose a composition with which barrier layers or barrier coatings can be produced more cost-effectively, even for large quantities.
Diese Aufgabe wird durch Zusammensetzungen mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.This object is achieved by compositions having the features of claim 1.
Die erfindungsgemäße Zusammensetzung für eine Barriereschicht lässt sich insbesondere unter Verwendung von konventionellen und allgemein zugänglichen Lackieranlagen, durch Tauchen bzw. mittels Aufdrucken im Gegensatz zu den beschriebenen PVD-Verfahren im Stand der Technik besonders Kosten-, Zeit-, und Energie-effizient aufbringen.The composition according to the invention for a barrier layer can be applied in a cost, time and energy-efficient manner, in particular using conventional and generally accessible painting installations, by dipping or by printing, in contrast to the described PVD methods in the prior art.
Dies gilt auch für Substrate in Form von Folien, bei denen die erfindungsgemäßen Zusammensetzungen insbesondere mittels Rakeln oder eines Druckers als Schicht applizierbar sind.This also applies to substrates in the form of films in which the compositions according to the invention can be applied in particular by means of doctor blades or a printer as a layer.
Außerdem werden produktionsbedingte Nachteile von Barrierebeschichtungen, welche aus PVD-Metallschichten bestehen, durch die vorliegende Erfindung vermieden. Der zeitaufwändige, energie- und letztlich kostenintensive Metallbeschichtungsprozess im etablierten Stand der Technik wird gemäß der vorliegenden Erfindung durch eine Applikation einer flüssigen Zusammensetzung von Beschichtungskomponenten ersetzt.In addition, production-related disadvantages of barrier coatings consisting of PVD metal layers are avoided by the present invention. The time-consuming, energy-consuming and ultimately cost-intensive metal coating process in the established state of the art is replaced according to the present invention by an application of a liquid composition of coating components.
Erfindungsgemäß umfasst die Zusammensetzung eine Polymerkomponente, oberflächenmodifizierte Plättchen-förmige anorganische Partikel, insbesondere in Form von Metall-, Metalloxid- und Silikat-basierenden Partikeln, und einen Anteil eines organischen Lösemittels, welches gegebenenfalls einen Reaktivverdünner umfasst. Die Partikel sind an ihrer Oberfläche mit einer oder mehreren doppelbindungsfunktionell reaktiven Silankomponenten und mit einer oder mehreren aminofunktionellen Komponenten modifiziert, wobei die Partikel eine nanoskalige Plättchendicke aufweisen. Die Polymerkomponente wird ausgewählt aus Polyacrylaten, Polyvinylidenchloriden, Polyurethanen, Polyestern sowie Cellulose-Derivaten.According to the invention, the composition comprises a polymer component, surface-modified platelet-shaped inorganic particles, in particular in the form of metal, metal oxide and silicate-based particles, and a portion of an organic solvent which optionally comprises a reactive diluent. The particles are modified on their surface with one or more double bond-functionally reactive silane components and with one or more amino-functional components, the particles having a nanoscale platelet thickness. The polymer component is selected from polyacrylates, polyvinylidene chlorides, polyurethanes, polyesters and cellulose derivatives.
Unter den Begriff Partikel mit „nanoskaliger Plättchendicke“ fallen in Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere Plättchen-förmige Partikel mit einer mittleren Dicke von ca. 200 nm oder weniger, insbesondere ca. 100 nm oder weniger, weiter bevorzugt ca. 80 nm oder weniger und gegebenenfalls ca. 60 nm oder weniger.In the context of the present invention, the term particles with "nanoscale platelet thickness" particularly includes platelet-shaped particles having an average thickness of about 200 nm or less, in particular about 100 nm or less, more preferably about 80 nm or less, and optionally about 60 nm or less.
Die mittlere Dicke der Plättchen-förmigen Partikel lässt sich anhand von Elektronenmikroskopie-Aufnahmen händisch ermitteln.The average thickness of the platelet-shaped particles can be determined manually by means of electron microscopy images.
Die erfindungsgemäßen, Plättchen-förmige Metall-basierende Partikel, insbesondere Aluminium-Partikel, enthaltenden Barrierebeschichtungen eignen sich nicht nur als Barrierebeschichtung zum Schutz vor Gasen und Feuchtigkeit, sondern bieten insbesondere auch Schutz vor Wärmestrahlung und UV-Licht.The platelet-shaped metal-based particles, in particular aluminum particles, containing barrier coatings according to the invention are not only suitable as a barrier coating for protection against gases and moisture, but also offer protection against thermal radiation and UV light in particular.
Im Falle von Cellulose-Derivaten sind insbesondere partiell veresterte CelluloseDerivate bevorzugt, wobei der Veresterungsgrad vorzugsweise ca. 1 bis ca. 5 Mol-%, beispielsweise ca. 2 Mol-% beträgt.In the case of cellulose derivatives in particular partially esterified cellulose derivatives are preferred, wherein the degree of esterification is preferably about 1 to about 5 mol%, for example about 2 mol%.
Die nanoskaligen Plättchen-förmigen anorganischen Partikel werden bevorzugt ausgewählt aus Metall-, oxidischen und stickstoffhaltigen Plättchen-förmigen Partikeln. Insbesondere werden die Partikel ausgewählt aus Plättchen-förmigen Aluminium- und Aluminiumoxid-Partikeln, Plättchen-förmigen Glas-Partikeln, Plättchen-förmigen Aluminiumsilikat- und Silikat-Partikeln sowie aus Plättchen-förmigen Bornitrid-Partikeln.The nanoscale platelet-shaped inorganic particles are preferably selected from metal, oxide and nitrogen-containing platelet-shaped particles. In particular, the particles are selected from platelet-shaped aluminum and aluminum oxide particles, platelet-shaped glass particles, platelet-shaped aluminum silicate and silicate particles and also platelet-shaped boron nitride particles.
Zur Erhöhung der Barriereeigenschaften können auch Plättchen-förmige Füllstoffe wie Talkum oder Glimmermaterialien zugesetzt werden. Es zeigt sich jedoch, dass infolge der Hydrophilie dieser oxidischen anorganischen Plättchen auch das Wasserspeichervermögen der Beschichtung stark erhöht wird, so dass der Einsatz dieser Materialien gewissen Beschränkungen unterliegt. Ferner sind diese Materialien besser wirksam, wenn sie mit der Beschichtungsmatrix kompatibel sind und weiterhin bevorzugt chemisch mit der Bindemittelmatrix vernetzbar sind.To increase the barrier properties, it is also possible to add platelet-shaped fillers, such as talc or mica materials. It turns out, however, that due to the hydrophilicity of these oxidic inorganic platelets and the water storage capacity of the coating is greatly increased, so that the use of these materials is subject to certain restrictions. Furthermore, these materials are more effective if they are compatible with the coating matrix and further preferably chemically crosslinkable with the binder matrix.
Erfindungsgemäß wird auch diese Problematik mit der erfindungsgemäßen Zusammensetzung gelöst, welche mit aminofunktionellen Komponenten und olefinisch doppelbindungsfunktionellen reaktiven Silankomponenten oberflächenmodifizierte Plättchen-förmige anorganische Partikel, insbesondere Metall- und silikatische Partikel, umfasst.According to the invention, this problem is also solved by the composition according to the invention which comprises surface-modified platelet-shaped inorganic particles, in particular metal and silicate particles, with amino-functional components and olefinically double bond-functional reactive silane components.
Bevorzugt sind die Plättchen-förmigen Partikel zusätzlich mit einer oder mehreren reaktiven epoxidfunktionalen Silankomponenten modifiziert.Preferably, the platelet-shaped particles are additionally modified with one or more reactive epoxide-functional silane components.
Die optionale epoxidfunktionale Komponente ist bevorzugt ein 3-Glycidyloxypropyltrimethoxysilan.The optional epoxide functional component is preferably a 3-glycidyloxypropyltrimethoxysilane.
Die aminofunktionelle Komponente zur Oberflächenmodifizierung der Plättchenförmigen Partikel wird insbesondere ausgewählt aus mehrfachfunktionellen niedermolekularen aliphatischen, aromatischen und heterocyclischen Komponenten sowie aminofunktionellen Polyether-Komponenten, 2-Aminoethyl-3-amino-propyltrimethoxysilan und 3-Aminopropyltrimethoxysilan oder deren Mischungen.The amino-functional component for surface modification of the platelet-shaped particles is in particular selected from polyfunctional low molecular weight aliphatic, aromatic and heterocyclic components and amino-functional polyether components, 2-aminoethyl-3-amino-propyltrimethoxysilane and 3-aminopropyltrimethoxysilane or mixtures thereof.
Die doppelbindungsfunktionell reaktive Silankomponente zur Oberflächenmodifizierung der Plättchen-förmigen Partikel wird dabei bevorzugt ausgewählt aus den Komponenten Vinyltrimethoxysilan und 3-Methacryloxypropyltrimethoxysilan oder deren Mischungen.The double bond-functionally reactive silane component for surface modification of the platelet-shaped particles is preferably selected from the components vinyltrimethoxysilane and 3-methacryloxypropyltrimethoxysilane or mixtures thereof.
Die mehrfachfunktionellen niedermolekularen aliphatischen, aromatischen oder heterocyclischen Komponenten weisen typischerweise ein Molekulargewicht von ca. 600 g/Mol oder weniger, insbesondere von ca. 500 g/Mol oder weniger auf.The multifunctional low molecular weight aliphatic, aromatic or heterocyclic components typically have a molecular weight of about 600 g / mol or less, in particular of about 500 g / mol or less.
Typischerweise beträgt das Molekulargewicht ca. 40 g/Mol oder mehr, wobei allerdings sind auch Komponenten mit geringeren Molekulargewichten erfindungsgemäß zum Einsatz kommen können.Typically, the molecular weight is about 40 g / mol or more, although components with lower molecular weights can also be used according to the invention.
Die Konzentration dieser erfindungsgemäß oberflächenmodifizierten Plättchenförmigen Partikel in der Barrierebeschichtung beträgt insbesondere ca. 0,1 bis ca. 60 Gew.-%, bevorzugt ca. 1 bis ca. 40 Gew.-% und weiterhin bevorzugt ca. 1 bis ca. 30 Gew.-%, bezogen auf den Festkörper (FK) der als Bindemittel verwendeten Polymerkomponente. Dies gilt vor allem wenn die Sauerstoffbarriere-Eigenschaft der herzustellenden Barrierebeschichtung im Vordergrund steht.The concentration of these surface-modified platelet-shaped particles according to the invention in the barrier coating is in particular about 0.1 to about 60% by weight, preferably about 1 to about 40% by weight and further preferably about 1 to about 30% by weight. -%, Based on the solids (FK) of the polymer component used as a binder. This is especially true when the oxygen barrier property of the barrier coating to be produced is in the foreground.
Hohe Konzentrationen an Plättchen-förmigen Aluminium-Partikeln führen allerdings zu einer merklichen Abnahme der Transparenz der Beschichtungen, was in einer ganzen Reihe von Anwendungen nicht erwünscht ist. Auch bei rein UV-härtend konzipierten Zusammensetzungen sind hohe Anteile an Aluminium-Partikeln für ein Härten der Barrierebeschichtung bzw. von deren Polymerkomponente über die gesamte Dicke der Beschichtung und zur Erzielung von gleichmäßigen Eigenschaften nicht günstig.However, high concentrations of platelet-shaped aluminum particles result in a marked decrease in the transparency of the coatings, which is undesirable in a wide range of applications. Even with purely UV-curing designed compositions, high proportions of aluminum particles are not favorable for hardening the barrier coating or its polymer component over the entire thickness of the coating and for achieving uniform properties.
Hier empfiehlt sich die Verwendung von Mischungen an Plättchen-förmigen Partikeln, welche neben den Aluminium-Partikeln auch andere Partikel, insbesondere Silikat-Partikel umfassen. Der Gehalt an Aluminium-Partikeln wird in solchen Fällen bevorzugt auf ca. 10 Gew.-% oder weniger beschränkt.Here, the use of mixtures of platelet-shaped particles, which in addition to the aluminum particles also comprise other particles, in particular silicate particles, is recommended. The content of aluminum particles in such cases is preferably limited to about 10% by weight or less.
Falls die Transparenz der Beschichtung von untergeordneter Bedeutung ist, können auch höhere Aluminium-Partikel-Gehalte verwendet werden, wobei dann entweder zusätzlich oder ausschließlich auf eine thermische Härtung der Polymerkomponente abgestellt und diese entsprechend angepasst wird.If the transparency of the coating is of secondary importance, higher aluminum particle contents can also be used, in which case either additional or exclusive thermal curing of the polymer component is adjusted and adapted accordingly.
Wird vor allem ein Barriereeffekt gegenüber der Permeation von Wasser und Wasserdampf angestrebt, umfasst die erfindungsgemäße Zusammensetzung bevorzugt ca. 30 Gew.-% bis ca. 60 Gew.-%, weiter bevorzugt ca. 50 Gew.-% bis ca. 58 Gew.-% an oberflächenmodifizierten nanoskaligen Partikeln, insbesondere Aluminium-Partikeln, bezogen auf den Festkörperanteil der Polymerkomponente.If, above all, a barrier effect towards the permeation of water and steam is desired, the composition according to the invention preferably comprises about 30% by weight to about 60% by weight, more preferably about 50% by weight to about 58% by weight. -% of surface-modified nanoscale particles, in particular aluminum particles, based on the solids content of the polymer component.
In beiden Fällen weisen die erfindungsgemäß oberflächenmodifizierten Plättchenförmigen Partikel bevorzugt eine mittlere Plättchendicke von ca. 10 bis ca. 200 nm, insbesondere von ca. 20 bis ca. 100 nm und besonders bevorzugt ca. 20 bis ca. 80 nm auf.In both cases, the surface-modified platelet-shaped particles according to the invention preferably have an average platelet thickness of from about 10 to about 200 nm, in particular from about 20 to about 100 nm and particularly preferably from about 20 to about 80 nm.
Es zeigt sich, dass bei den erfindungsgemäßen Lösemittel- und Reaktivverdünner-basierenden Barrierebeschichtungen die für die Barriereeigenschaft wichtige starke Vernetzung vor allem durch chemische Bindungen ausgebildet werden kann. Wie in den folgenden Beispielen 1 bis 3 aufgezeigt wird, können offensichtlich insbesondere Partikel, die aufgrund ihrer Oberflächenmodifizierung eine olefinische Doppelbindung und/oder eine epoxidische Funktionalität aufweisen, die Vernetzung in den erfindungsgemäßen Lösemittel- und Reaktivverdünner-basierenden Barriereschichten und somit die Barriereeigenschaften stark begünstigen. It has been found that in the case of the inventive solvent- and reactive-diluent-based barrier coatings, the strong crosslinking, which is important for the barrier property, can be formed above all by chemical bonds. As will be shown in the following Examples 1 to 3, it is obvious that, in particular, particles which have an olefinic double bond and / or an epoxidic functionality due to their surface modification greatly promote cross-linking in the solvent- and reactive-diluent-based barrier layers according to the invention and thus the barrier properties.
Die erfindungsgemäßen Lösemittel- und Reaktivverdünner-basierenden Zusammensetzungen für Barriereschichten beinhalten deshalb bevorzugt mit olefinisch doppelbindungsfunktionellen Silanen und optional zusätzlich mit epoxidfunktionellen Silanen oberflächenmodifizierte anorganische nanoskalige Plättchen-förmige Partikel und insbesondere oberflächenmodifizierte nanoskalige Plättchenförmige Metall-Partikel, wobei die doppelbindungsfunktionelle reaktive Silankomponente zur Oberflächenmodifizierung der Plättchen-förmigen Partikel wiederum bevorzugt ausgewählt wird aus den Komponenten Vinyltrimethoxysilan und 3-Methacryloxypropyltrimethoxysilan oder deren Mischungen.The solvent-based and reactive-diluent-based barrier layer compositions according to the invention therefore preferably contain surface-modified nanoscale platelet-shaped particles and, in particular, surface-modified nanoscale platelet-shaped metal particles with olefinically double bond-functional silanes and optionally additionally with epoxide-functional silanes, where the double-bond-functional reactive silane component is used for surface modification of the platelet particles. shaped particles in turn is preferably selected from the components vinyltrimethoxysilane and 3-methacryloxypropyltrimethoxysilane or mixtures thereof.
Für die erfindungsgemäßen Lösemittel- und/oder Reaktivverdünner-haltigen Zusammensetzungen, welche eher unpolare, hydrophobere Polymerkomponenten, wie z.B. modifizierte und veresterte Cellulosen, Polyurethane, Polyacrylate, Polyvinylacetate und Polyester, enthalten, konnte festgestellt werden, dass sich bevorzugt oberflächenmodifizierte Plättchen-förmige Partikel eignen, welche Oberflächenmodifikationen mit hohen Anteilen aus doppelbindungs- und/oder epoxidfunktionellen Silanen aufweisen. Diese Komponenten werden auf der Oberfläche eines Plättchen-förmigen Partikels, insbesondere eines Plättchen-förmigen Metall- und weiterhin bevorzugt Aluminium-Partikels, abgeschieden und vorzugsweise durch Nacherhitzen zunächst chemisch vernetzt.For the solvent and / or reactive diluent-containing compositions of the present invention, which are more nonpolar, more hydrophobic polymer components, e.g. modified and esterified celluloses, polyurethanes, polyacrylates, polyvinyl acetates and polyesters, it has been found that surface-modified platelet-shaped particles are preferred which have surface modifications with high proportions of double-bond and / or epoxide-functional silanes. These components are deposited on the surface of a platelet-shaped particle, in particular a platelet-shaped metal and furthermore preferably aluminum particle, and are first chemically crosslinked by post-heating.
Durch Zugabe eines Radikalstarters kann optional eine zusätzliche radikalische Vernetzung der olefinischen doppelbindungsfunktionellen Silankomponenten vorgenommen werden, so dass die Metallplättchen von einer dichtvernetzten Hybridschicht aus Silan- und organischen Komponenten umhüllt werden. Diese die Metallplättchen umgebende Schicht behindert die Einlagerung von Wasser an der Plättchenoberfläche und schützt die Metallplättchen vor Korrosion und insbesondere Oxidation.By adding a free radical initiator, it is optionally possible to carry out additional free-radical crosslinking of the olefinic double bond-functional silane components, so that the metal flakes are enveloped by a densely crosslinked hybrid layer of silane and organic components. This layer surrounding the metal platelets hinders the incorporation of water on the platelet surface and protects the metal platelets from corrosion and in particular oxidation.
Für radikalisch, insbesondere für UV-härtende und Reaktivverdünner-haltige Zusammensetzungen kann es weiterhin vorteilhaft sein, wenn nur eine thermische Härtung der Partikel-Oberflächenmodifizierung vorgenommen wird, um nachträglich ein radikalisches Einvernetzen der Doppelbindungsfunktion der Barriere-Partikel in das UV-härtende Polymernetzwerk zu ermöglichen.For radically, in particular for UV-curing and reactive diluent-containing compositions, it may also be advantageous if only a thermal curing of the particle surface modification is carried out to subsequently enable a radical crosslinking of the double bond function of the barrier particles in the UV-curing polymer network ,
Die erfindungsgemäßen Lösemittel- und Reaktivverdünner-haltigen Zusammensetzungen umfassen mit olefinisch doppelbindungsfunktionellen Silanen und/oder mit epoxidfunktionellen Silanen oberflächenmodifizierte Plättchen-förmige Metall-Partikel- und/oder Plättchen-förmige oxidische anorganische Partikel.The solvent-containing and reactive diluent-containing compositions according to the invention comprise surface-modified platelet-shaped metal-particle and / or platelet-shaped oxidic inorganic particles with olefinically double-bond-functional silanes and / or with epoxide-functional silanes.
Die aus den erfindungsgemäßen Zusammensetzungen letztlich erhaltene Barriereschichten weisen bevorzugt eine Trockenschichtdicke von ca. 0,1 µm bis ca. 20 µm, insbesondere von ca. 0,5 µm bis ca. 10 µm und weiter bevorzugt von ca. 0,5 µm bis ca. 5 µm auf und weisen insbesondere eine Lage mit amino- und doppelbindungsfunktionell oberflächenmodifizierten Plättchen-förmigen Partikeln auf, eingebettet in eine vorzugsweise duroplastische Polymermatrix.The barrier layers ultimately obtained from the compositions according to the invention preferably have a dry layer thickness of about 0.1 μm to about 20 μm, in particular of about 0.5 μm to about 10 μm and more preferably of about 0.5 μm to about 5 μm and in particular have a layer with amino- and double bond-functionally surface-modified platelet-shaped particles embedded in a preferably thermoset polymer matrix.
Unter Trockenschichtdicke wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Schichtdicke einer erfindungsgemäßen Beschichtung nach deren Aushärtung verstanden, gemessen nach
Eine erfindungsgemäße Barriereschicht kann in einer weiteren Ausführungsform mit einer oder mehreren gegebenenfalls dickeren, partikelfreien, optional ebenfalls duroplastischen Beschichtungen überbeschichtet vorliegen. Diese Ausführungsform einer Barrierebeschichtung eignet sich insbesondere zur Verhinderung der Permeation von Wasser, wobei die Barrierebeschichtung für diesen Anwendungszweck bevorzugt mit einer oberflächlichen Beschichtung mit einer Schichtdicke von ca. 4 µm bis ca. 60 µm, insbesondere von ca. 10 µm bis ca. 40 µm, weiter bevorzugt von ca. 15 µm bis ca. 25 µm, einer insbesondere partikelfreien Klarlackschicht versehen wird, wobei die darunterliegende erfindungsgemäße Lage (Barriereschicht) vorzugsweise ca. 0,5 µm bis ca. 3 µm, insbesondere ca. 0,7 µm bis ca. 1 µm dicken, nanoskalig dicke Plättchen-förmige Partikel, insbesondere Aluminium-Partikel, enthält.In a further embodiment, a barrier layer according to the invention may be overcoated with one or more optionally thicker, particle-free, optionally also thermosetting coatings. This embodiment of a barrier coating is particularly suitable for preventing the permeation of water, wherein the barrier coating for this application preferably with a superficial coating with a layer thickness of about 4 .mu.m to about 60 .mu.m, in particular from about 10 .mu.m to about 40 .mu.m , more preferably from about 15 microns to about 25 microns, a particular particle-free varnish layer is provided, wherein the underlying layer according to the invention (barrier layer) is preferably about 0.5 microns to about 3 microns, in particular about 0.7 microns to about 1 micron thick, nanoscale thick platelet-shaped particles, in particular aluminum particles contains.
Die untenliegende Lage (erfindungsgemäße Barriereschicht) zur Verhinderung der Permeation von Wasser enthält bevorzugt ca. 30 Gew.-% bis ca. 60 Gew.-%, weiter bevorzugt ca. 50 Gew.-% bis ca. 58 Gew.-% der erfindungsgemäß oberflächenmodifizierten nanoskalig dicken Plättchen-förmigen Partikel, bezogen auf den Festkörperanteil des Bindemittels.The underlying layer (barrier layer according to the invention) for preventing the permeation of water preferably contains about 30% by weight to about 60% by weight, more preferably about 50% by weight to about 58% by weight, of the present invention Surface-modified nanoscale thick platelet-shaped particles, based on the solids content of the binder.
Weiterhin bevorzugt wird die erfindungsgemäße Barrierebeschichtung farbneutral, dunkel oder weiß formuliert und weist keine Metalliceffekte auf. Dies lässt sich durch die zusätzliche Verwendung von Weiß- oder Schwarzpigmenten erzielen, wobei dann die Barrierebeschichtung weitgehend farbneutral, dunkel oder weiß formuliert werden kann und weiterhin bevorzugt keine optisch auffälligen Metalliceffekte aufweist.Further preferably, the barrier coating according to the invention is colorless, dark or white formulated and has no metallic effects. This can be achieved by the additional use of white or black pigments, in which case the barrier coating can be formulated substantially neutral in color, dark or white, and further preferably has no visually striking metallic effects.
Prinzipiell kann die erfindungsgemäße Barrierebeschichtung auf unterschiedlichen Substraten verwendet werden, wobei die Anwendung auf Kunststoffmaterialien für Verpackungen und Gebinde bevorzugt ist.In principle, the barrier coating according to the invention can be used on different substrates, the application to plastic materials for packaging and containers being preferred.
Die erfindungsgemäße Zusammensetzung kann zur Erzeugung von Barriereschichten auf Substraten aller Art verwendet werden. Insbesondere wird sie zur Erzeugung von Barrierebeschichtungen auf Metall-, Papier-, Kartonagen- und Kunststoffsubstraten aller Art und deren Kombinationen, insbesondere zur Erzeugung von Barrierebeschichtungen auf Kunststoff-Verpackungen und Formkörpern aller Art, weiterhin bevorzugt auf Kunststoff-Kartuschen und Kunststoff-Kapseln, Kunststofffolien und Kunststoffflaschen, bestehend aus Polyamid (PA), Polyethylenen (HDPE, LDPE), Polypropylen (PP), Polystyrol (PS), Polyvinylchlorid (PVC), Polyacrylaten (insbesondere Polymethylmethacrylat PMMA), Polyestern (insbesondere Polyethylenterephthalat PET), Polylactide (PLA) und Polycarbonat (PC) verwendet.The composition according to the invention can be used for the production of barrier layers on substrates of all kinds. In particular, it is used for the production of barrier coatings on metal, paper, cardboard and plastic substrates of all kinds and combinations thereof, in particular for the production of barrier coatings on plastic packaging and moldings of all kinds, furthermore preferably on plastic cartridges and plastic capsules, plastic films and plastic bottles consisting of polyamide (PA), polyethylenes (HDPE, LDPE), polypropylene (PP), polystyrene (PS), polyvinyl chloride (PVC), polyacrylates (especially polymethyl methacrylate PMMA), polyesters (especially polyethylene terephthalate PET), polylactides (PLA) and polycarbonate (PC).
Sie kann aber auch zum korrosiven Schutz von Metallsubstraten wie Aluminiumlegierungen, Stählen oder anderen Eisenwerkstoffen angewandt werden.But it can also be used for corrosive protection of metal substrates such as aluminum alloys, steels or other ferrous materials.
Optional ist die erfindungsgemäße Barriereschicht mit einer dickeren, relativ hochvernetzen duroplastischen organischen, Metall-Partikel-freien Beschichtung überbeschichtet oder ist Bestandteil einer Multischicht-Beschichtung, die beispielsweise bei Industrie- und Automobilbeschichtungen zur Anwendung kommt.Optionally, the barrier layer according to the invention is overcoated with a thicker, relatively highly crosslinked thermoset organic, metal-particle-free coating or is part of a multilayer coating which is used, for example, in industrial and automotive coatings.
Sie kann als Bestandteil eines Multischichtauftrags und/oder einer Mehrfachbeschichtung auch auf sonstigen Metall- und Kunststoffoberflächen aufgebracht werden, und weiterhin bevorzugt wird sie auf zwei gegenüberliegenden Seiten eines Substrats aufgebracht wie beispielsweise auf Innen- und Außenseiten von Formkörpern oder Folien.It may also be applied to other metal and plastic surfaces as part of a multi-coat application and / or a multiple coating, and further preferably it is applied to two opposite sides of a substrate, such as on inner and outer sides of moldings or films.
Die erfindungsgemäße Verwendung umfasst ferner Applikationen, bei denen aus der Zusammensetzung mindestens eine Barriereschicht einer Mehrschichtstruktur mit mehreren verschiedenen Schichten und/oder einer Mehrschichtstruktur mit mehreren gleichen Schichten hergestellt wird, bevorzugt auf Metall- oder Kunststoffoberflächen und weiter bevorzugt auf zwei gegenüberliegenden Seiten, beispielsweise auf Innen- und Außenseiten von Formkörpern oder Folien.The use according to the invention furthermore comprises applications in which at least one barrier layer of a multilayer structure having a plurality of different layers and / or a multilayer structure having a plurality of identical layers is produced from the composition, preferably on metal or plastic surfaces and more preferably on two opposite sides, for example on the inside - and outsides of moldings or films.
Die Erfindung betrifft ferner ein mit einer Barriereschicht beschichtetes Substrat, insbesondere in Form eines Formkörpers, eines Hohlkörpers, eines flächigen Substrats oder einer Folie mit einer innen und/oder außen aufgebrachten Barriereschicht.The invention further relates to a substrate coated with a barrier layer, in particular in the form of a shaped body, a hollow body, a planar substrate or a foil with an inner and / or outer barrier layer.
Schließlich betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Aufbringen einer Barriereschicht auf einem Substrat, wobei das Verfahren die Schritte umfasst:
- - Bereitstellen einer erfindungsgemäßen Zusammensetzung wie zuvor beschrieben; und
- - Auftragen der Zusammensetzung auf die Substratoberfläche mittels Rakeln oder Druckverfahren;
- Providing a composition according to the invention as described above; and
- Applying the composition to the substrate surface by means of doctoring or printing processes;
Diese und weitere Vorteile der Erfindung werden im Folgenden anhand der Beispiele und Figuren noch näher beschrieben.
-
1 zeigt die Gewichtszunahmen bei unterschiedlich mit der Barrierebeschichtung beschichteten ProbekörpernP2 (ohne Klarlackschicht KL) und P3 (+ 20 µm KL) gegenüber der nicht beschichteten ReferenzprobeP1 ; -
2 zeigt im Vergleich die Gewichtszunahmen bei nicht beschichtetem Probekörper und den mit den jeweils mit 2,5 µm dicken Barriereschichten und mit einer unterschiedlich dicken Klarlackschicht (KL) überlackierten ProbekörpernP4 ,P5 undP6 ; -
3 zeigt im Vergleich die Gewichtszunahmen bei der nicht beschichteten ReferenzprobeP1 und des nur mit Klarlack (KL) beschichteten ProbekörpersP8 gegenüber dem ProbekörperP7 mit einer 0,8 µm dünnen erfindungsgemäßen Barriereschicht und einer darauf applizierten Klarlackschicht (KL); -
4 zeigt im Vergleich die Gewichtszunahmen bei der nicht beschichteten ReferenzprobeP1 und bei mit erfindungsgemäßen Barriereschichten beschichteten ProbekörpernP9 ,P10 undP11 , wobei die Barriereschichten 2,5 µm dick sind und unterschiedlich oberflächenmodifizierte Aluminium-Partikel enthalten; -
5 zeigt das Transmissionsspektrum von wässrigen Bromphenolrot-Lösungen in Abhängigkeit des pH-Wertes; -
6 zeigt im Vergleich die Sauerstoffbarrierewirkung (in Form von auf 10 µm Schichtdicke bezogenen OTR-Werten) von mit UV-Barriere-Referenz-Beschichtungen (P16 - ohne Partikel,P17 - nicht modifizierte Partikel) und mit erfindungsgemäßen UV-Barriereschichten beschichteten LDPE Folien, wobei die erfindungsgemäßen UV-Barriereschichten einen Gehalt von 1,2 Gew.-% Aluminium-Partikel mit einermittlerer Plättchendicke von 50 µm und zusätzlich Isocyanate als Härterkomponente enthalten (P18, P19, P20); und -
7 zeigt im Vergleich die Sauerstoffbarrierewirkung (in Form von auf 10 µm Schichtdicke bezogene OTR-Werte) einer mit einer UV-Barriere-Referenz-Beschichtung (P16 - ohne Partikel) und den mit erfindungsgemäßen UV-Barriereschichten beschichteten LDPE Folien (hier ohne Zugabe von Isocyanat-Härter) miteinem Metallpartikelgehalt von 0,3 Gew.-% (P21 ) und teilweise zusätzlich miteinem Gehalt von 0,8 Gew.-% (P22 ) bzw. 1,6 Gew.-% (P23 ) an nichtmetallischen nanoskalig dicken Silikat-Partikeln (Talkum, Plättchendicke ca. 80 nm).
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1 shows the weight increases in differently coated with the barrier coating specimensP2 (without clearcoat KL) and P3 (+ 20 μm KL) compared to the uncoated reference sampleP1 ; -
2 shows in comparison the weight increases in uncoated specimen and with each with 2.5 micron thick barrier layers and with a different thickness clearcoat (KL) overcoated specimensP4 .P5 andP6 ; -
3 shows in comparison the weight increases in the uncoated reference sampleP1 and the clearcoat (KL) coated specimenP8 opposite the test pieceP7 with a 0.8 μm thin barrier layer according to the invention and a clearcoat layer (KL) applied thereto; -
4 shows in comparison the weight increases in the uncoated reference sampleP1 and in coated with barrier layers according to the invention test specimensP9 .P10 andP11 wherein the barrier layers are 2.5 μm thick and contain different surface-modified aluminum particles; -
5 shows the transmission spectrum of aqueous bromophenol red solutions as a function of the pH value; -
6 shows in comparison the oxygen barrier effect (in the form of OTR values related to 10 μm layer thickness) of UV barrier reference coatings (US Pat.P16 - without particles,P17 - Unmodified particles) and with UV barrier layers coated according to the invention LDPE films, wherein the UV barrier layers according to the invention contain a content of 1.2 wt .-% aluminum particles having an average platelet thickness of 50 microns and in addition isocyanates as a hardener component (P18, P19, P20); and -
7 shows in comparison the oxygen barrier effect (in the form of OTR values related to 10 μm layer thickness) of one with a UV barrier reference coating (P16 without particles) and the LDPE films coated with UV barrier layers according to the invention (here without addition of isocyanate hardener) with a metal particle content of 0.3% by weight (P21 ) and in some cases additionally with a content of 0.8% by weight (P22 ) or 1.6% by weight (P23 ) of non-metallic nanoscale silicate particles (talc, platelet thickness about 80 nm).
Beispiel 1: Durchführung der erfindungsgemäßen Oberflächenmodifizierungen von Aluminium-Partikeln zur Anwendung in Lösemittel- und Reaktivverdünner-haltigen ZusammensetzungenEXAMPLE 1 Performance of the Surface Modifications of Aluminum Particles According to the Invention for Use in Compositions Containing Solvents and Reactive Diluents
In 225 g Butylacetat (BuAc) wird ein Polyetheramin (Jeffamine® D400 der Fa. Huntsman Corp.) gelöst, so dass sich ein Gehalt von 4,0 Gew.-% Festkörper(FK) Polyetheramin bezogen auf die Masse der Partikel ergibt. Unter Rühren bei 800 U/min am Dissolver (Fa. Getzmann) werden innerhalb von 5 min 60 g einer Lösemittel-haltigen ca. 10 Gew.-%igen Paste der nanoskalig dicken Plättchenförmigen Aluminium-Partikel (Decomet 1008/10, Fa. Schlenk Metallic Pigments GmbH) dazugeben, so dass eine ca. 2,5 Gew.-%ige Partikeldispersion entsteht. Die Partikel weisen eine mittlere Dicke von ca. 50 nm auf.A polyetheramine (Jeffamine® D400 from Huntsman Corp.) is dissolved in 225 g of butyl acetate (BuAc) to give a content of 4.0% by weight of solids (FK) of polyetheramine, based on the mass of the particles. With stirring at 800 rpm on the dissolver (Getzmann) are within 5 min 60 g of a solvent-containing about 10 wt .-% paste of nanoscale thick platelet-shaped aluminum particles (Decomet 1008/10, Fa. Schlenk Metallic Pigments GmbH), so that an approximately 2.5 wt .-% particle dispersion is formed. The particles have an average thickness of about 50 nm.
Danach wird für 20 min bei Raumtemperatur unter Beibehaltung der Rührgeschwindigkeit die Partikeldispersion homogenisiert. Vinyltrimethoxysilan (VTMO) wird langsam bis zur Erzielung eines Gehalts von 8,0 Gew.-% an VTMO zugetropft. Ebenso werden eine weitere reaktive olefinisch doppelbindungsfunktionelle Silankomponente A bis ein Gehalt von Y Gew.-% erreicht ist sowie gegebenenfalls eine weitere reaktive epoxidfunktionelle Silankomponente B bis deren Gehalt Z Gew.-% beträgt zugetropft. Danach wird für 5 min gerührt und schließlich auf 70 °C erhitzt. Die vorstehenden Gew.-%-Angaben sind jeweils bezogen auf die Masse der Partikel (Festkörper FK) in der Dispersion.Thereafter, the particle dispersion is homogenized for 20 min at room temperature while maintaining the stirring speed. Vinyltrimethoxysilane (VTMO) is slowly added dropwise to a content of 8.0% by weight of VTMO. Likewise, a further reactive olefinically double bond-functional silane component A is attained to a content of Y% by weight, and optionally a further reactive epoxide-functional silane component B to whose content Z% by weight is added dropwise. The mixture is then stirred for 5 minutes and finally heated to 70 ° C. The above percentages by weight are in each case based on the mass of the particles (solids FK) in the dispersion.
Nach Erreichen der Temperatur von 70 °C wird langsam Azo-bis-isobutylonitril AIBN in Butylacetat gelöst (5 Gew.-%ige Lösung) zugetropft bis ein Anteil von 1,6 Gew.-% AIBN bezogen auf den Gewichtsanteil des oder der Partikel erreicht wird. Zum Vernetzen des VTMO und der reaktiven Silankomponente A und gegebenenfalls der Silankomponente B wird für 30 min die Temperatur auf 70 °C unter Rühren gehalten.After reaching the temperature of 70 ° C is slowly azo-bis-isobutylonitrile AIBN dissolved in butyl acetate (5 wt .-% solution) is added dropwise until a proportion of 1.6 wt .-% AIBN based on the weight fraction of the particle or particles becomes. To crosslink the VTMO and the reactive silane component A and optionally the silane component B, the temperature is maintained at 70 ° C. for 30 minutes with stirring.
Die Partikeldispersion wird unter Rühren auf Raumtemperatur abgekühlt, zentrifugiert und danach der Partikelgehalt durch Zugabe von Butylacetat wieder auf ca. 10 Gew.-% eingestellt. Damit liegt die Zusammensetzung in Form einer Paste vor.The particle dispersion is cooled with stirring to room temperature, centrifuged and then the particle content is adjusted by the addition of butyl acetate again to about 10 wt .-%. Thus, the composition is in the form of a paste.
Die durch den beschriebenen Partikelmodifizierungsprozess erhaltenen nanoskaligen Plättchen-förmigen Aluminium-Partikelpasten werden nachfolgend für die erfindungsgemäßen Barrierebeschichtungen eingesetzt.The nanoscale platelet-shaped aluminum particle pastes obtained by the described particle modification process are subsequently used for the barrier coatings according to the invention.
In der nachfolgenden Tabelle 1 sind die Zusammensetzungen der Oberflächenmodifizierungen
Beispiel 2: Barrierewirkung der erfindungsgemäßen Barrierebeschichtung gegenüber der Aufnahme von WasserExample 2: Barrier effect of the barrier coating according to the invention against the absorption of water
Zur Erreichung einer hohen Barrierewirkung bei Belastung der Proben durch bzw. mit wässrigen Medien hat es sich als vorteilhaft erwiesen, Barrierebeschichtungen mit einem möglichst hohen Gehalt von Barriere-Partikeln aus Metall zu verwenden. Die alleinige Verwendung von oxidischen Barriere-Partikeln ist aufgrund des erhöhten Wasserspeichervermögens dieser Partikel in diesem Falle weniger bevorzugt. Die oxidischen Partikel können aber in geringeren Mengen zu Metallpartikeln zugemischt vorteilhaft sein, da sie die Transparenz der Beschichtung weniger beeinträchtigen und kostengünstiger sind. So lässt sich oftmals durch die Beimischung von Silikat-Partikeln (z.B. Talkum-Partikel) eine entsprechende Menge an teureren Aluminium-Partikeln einsparen, ohne dass sich die Barriereeigenschaften der Beschichtung merklich verändern.In order to achieve a high barrier effect when the samples are loaded by or with aqueous media, it has proven advantageous to use barrier coatings having the highest possible content of metal barrier particles. The sole use of oxidic barrier particles is less preferred in this case due to the increased water storage capacity of these particles. However, the oxide particles can be added in smaller amounts to metal particles mixed advantageous since they affect the transparency of the coating less and are less expensive. Thus, by incorporating silicate particles (e.g., talcum particles), it is often possible to save a corresponding amount of more expensive aluminum particles without appreciably altering the barrier properties of the coating.
Die Zusammensetzungen zur Herstellung der erfindungsgemäßen Barriereschichten wurden wiederum mit einem Gehalt von 55 Gew.-% Barriere-Partikel aus Aluminium und einem lösemittelbasierenden Bindemittelsystem formuliert.The compositions for the preparation of the barrier layers according to the invention were in turn formulated with a content of 55% by weight barrier particles of aluminum and a solvent-based binder system.
Probekörper aus Polyethylen (verschließbare Kartuschen, siehe unten) wurden dreimalig durch Tauchlackierung unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Zusammensetzung mit der Partikelprobe mit der Modifizierung
Die Bindemittelkomponente CAB
Dibutylzinn (Metatin 812 ES, Hersteller: DOW Chemicals) wird als Katalysator für die Härtungsreaktion verwendet.Dibutyltin (Metatin 812 ES, manufacturer: DOW Chemicals) is used as a catalyst for the curing reaction.
Desmodur N 3600, ein aliphatisches Polyisocyanat (Hersteller Covestro), wird als Härtungskomponente in der Rezeptur verwendet. Desmodur N 3600, an aliphatic polyisocyanate (manufactured by Covestro), is used as a curing component in the formulation.
Auf einen Teil der Probekörper wurde zusätzlich ein kommerziell erhältlicher Zwei-Komponenten(2K)-Klarlack (2K-HS-Klarlack CC4; Fa. MIPA) zur Erzielung einer Trockenschichtdicke von 20 bis 30 µm durch Spritzen appliziert.In addition, a commercially available two-component (2K) clearcoat material (2K-HS Clearcoat CC4, MIPA Co.) was applied to some of the test specimens by spraying to achieve a dry film thickness of 20 to 30 μm.
Für beide Beschichtungen wurde eine lösemittelhaltige Formulierung eingesetzt. Die beschichteten Probekörper wurden nachträglich im Umluft-Ofen bei 30 min bei 70 °C ausgehärtet und für mindestens 48 h im Klimaraum (bei 23 °C, 60 % r.F.) konditioniert. Für die Charakterisierung der Wasser- und Wasserdampfpermeabilität wurden als Probekörper verschließbare Polyethylen-Kartuschen mit einer Länge von ca. 32 cm und einem Durchmesser von ca. 5 cm, sowie einem Gewicht von ca. 46 g verwendet.For both coatings, a solvent-based formulation was used. The coated specimens were subsequently cured in a circulating air oven at 70 ° C. for 30 minutes and conditioned for at least 48 hours in a climatic chamber (at 23 ° C., 60% rh). For the characterization of the water and water vapor permeability, closable polyethylene cartridges having a length of about 32 cm and a diameter of about 5 cm and a weight of about 46 g were used as test specimens.
Die Charakterisierung der Wasseraufnahme durch die Barrierebeschichtung erfolgte durch einen Wassereintauchtest, indem die mit jeweils 65 g Phosphorpentoxid gefüllten Probekörper für insgesamt 600 h in 30 °C temperiertes Wasser eingetaucht wurden. Die Wasseraufnahme der Probekörper mit und ohne Barrierebeschichtung sowie der Probekörper mit einer Barrierebeschichtung und einer optionalen zusätzlichen Klarlackschicht wurde zeitlich gravimetrisch verfolgt und ausgewertet.The water absorption by the barrier coating was characterized by a water immersion test in which the specimens filled with in each case 65 g of phosphorus pentoxide were immersed for a total of 600 hours in 30 ° C tempered water. The water absorption of the test specimens with and without barrier coating as well as the test specimen with a barrier coating and an optional additional clearcoat were followed gravimetrically and evaluated.
In
Bei den Proben
Es ist zu erkennen, dass die nicht beschichtete Referenzprobe
Für den nur mit der erfindungsgemäßen Barriereschicht beschichteten Probekörper
Aus den in
Um eine möglichst deutliche und aussagekräftige Differenzierung zwischen den Proben zu ermöglichen, wurden die Versuche im Zweischichtaufbau (Barriereschicht und Klarlackschicht) weiterhin bei einer Klarlackschichtdicke von 40 µm durchgeführt.In order to allow a clear and meaningful differentiation between the samples, the tests in the two-layer structure (barrier layer and clearcoat layer) were further carried out at a clearcoat film thickness of 40 microns.
Aus
Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass sich durch die Verwendung einer Barriereschicht, hergestellt aus einer erfindungsgemäßen Zusammensetzung, und einer zusätzlichen Klarlackschicht, für einen längeren Zeitraum eine starke Barrierewirkung gegenüber Wasseraufnahme auch beim Eintauchen der Probekörper in Wasser erzielen lässt. Ferner zeigte die Beschichtung des zusätzlich mit Klarlack überlackierten Probekörpers eine hervorragende Beständigkeit gegenüber Wasser und eine exzellente Nasshaftung.In summary, it can be stated that the use of a barrier layer, prepared from a composition according to the invention, and an additional clearcoat layer, for a longer period of time, can achieve a strong barrier to water absorption even when the test specimens are submerged in water. Further, the coating of the additionally clear-coated specimen showed excellent resistance to water and excellent wet adhesion.
Beispiel 3: Barrierewirkung der erfindungsgemäßen Barriereschicht gegenüber Dämpfen und Gasen Example 3: Barrier effect of the barrier layer according to the invention against vapors and gases
In der nachfolgenden Tabelle 3 ist die erfindungsgemäße Zusammensetzung, die modifizierte Aluminium-Partikel verwendet, als Formulierung
Zur Erzielung einer hohen Barrierewirkung bei Belastung der Proben durch bzw. mit wässrigen Medien hat es sich als vorteilhaft erwiesen, Barriereschichten mit hohem Gehalt von Barriere-Partikeln aus Metall zu verwenden. Oxidische Barriere-Partikel eignen sich aufgrund des erhöhten Wasserspeichervermögens in diesem Falle weniger.In order to achieve a high barrier effect when the samples are loaded by or with aqueous media, it has proven advantageous to use barrier layers with a high content of metal barrier particles. Oxide barrier particles are less suitable in this case because of the increased water storage capacity.
Die aus diesen lösemittelbasierenden Zusammensetzungen (Bindemittelsysteme) erhaltenen Barriereschichten weisen jeweils einen Gehalt von ca. 55 Gew.-% an Barriere-Partikeln aus Aluminium auf.The barrier layers obtained from these solvent-based compositions (binder systems) each have a content of about 55% by weight of barrier particles of aluminum.
Barrierewirkung der erfindungsgemäßen Barriereschicht gegenüber WasserdampfBarrier effect of the barrier layer according to the invention with respect to water vapor
Die Barrierewirkung der erfindungsgemäßen Barriereschicht gegenüber Gasen wie Wasserdampf wurde untersucht, indem die mit 65 g Phosphorpentoxid gefüllten Probekörper (Polyethylen-Kartuschen) durch einen Kondenswassertest in Anlehnung an
Die Grafik in
Die Ergebnisse in
Die Probekörper, welche sowohl unter Verwendung eines aminofunktionellen niedermolekularen Polyethers (Jeffamin) und mit der doppelbindungsfunktionellen Silankomponente VTMO als auch mit GLYMO modifiziert wurden (Probekörper
Barrierewirkung der erfindungsgemäßen Barriereschicht gegenüber Kohlendioxid-Gas CO2 Barrier effect of the barrier layer according to the invention against carbon dioxide gas CO 2
Die Barrierewirkung gegenüber Gasen wie Kohlendioxid wurde praxisnah bestimmt, indem zunächst ein Hydrogencarbonat/Kohlensäure-Puffer in Anlehnung an ein natürliches, mit Kohlensäure versetztes Mineralwasser (Eltina Sprudel, Eberstädter Mineralbrunnen) hergestellt wurde.The barrier effect against gases such as carbon dioxide was determined in practice by first producing a hydrogen carbonate / carbon dioxide buffer based on a natural, carbonated mineral water (Eltina Sprudel, Eberstädter Mineralbrunnen).
Zur Erzielung einer hohen Barrierewirkung bei einer Belastung der Proben durch bzw. mit wässrigen Medien hat es sich als vorteilhaft erwiesen, Barriereschichten mit einem hohen Gehalt von Barriere-Partikeln aus Metallen zu verwenden. Oxidische Barriere-Partikel eignen sich aufgrund ihres erhöhten Wasserspeichervermögens auch in diesem Falle weniger. Diese Barriereschichten enthalten ca. 5 Gew.-% Barriere-Partikel aus Aluminium.In order to achieve a high barrier effect when the samples are loaded by or with aqueous media, it has proven advantageous to use barrier layers with a high content of barrier particles of metals. Oxide barrier particles are also less in this case due to their increased water storage capacity. These barrier layers contain about 5% by weight barrier particles of aluminum.
Zur Herstellung des Hydrogencarbonat/Kohlensäure-Puffers wurden in 1,5 Liter destilliertem Wasser zunächst 765 mg Natrium-Hydrogencarbonat gelöst und nachträglich durch Zugabe einer stark verdünnten Salzsäure auf einen pH-Wert von 6,1 eingestellt. Als Indikator wurden nun zu dieser Lösung 6 mg Bromphenolrot pH-Indikator (CAS: 102185-50-2) zugegeben.To prepare the bicarbonate / carbonic acid buffer, 765 mg of sodium bicarbonate were first dissolved in 1.5 liters of distilled water and subsequently adjusted to a pH of 6.1 by adding a strongly diluted hydrochloric acid. As an indicator, 6 mg bromophenol red pH indicator (CAS: 102185-50-2) were added to this solution.
Zur Abtestung der CO2-Barriereeigenschaft wurden nun jeweils 250 g von dieser Pufferlösung in einheitliche, ca. 15 cm lange verschließbare Probekörper aus Polyethylenterephthalat PET (Gewicht ca. 5 g) mit einer Wanddicke von ca. 80 µm und einem Durchmesser von ca. 4 cm eingefüllt und mit einem entsprechenden Deckel aus dem gleichen Material gasdicht verschlossen.In order to test the CO 2 barrier property, 250 g of this buffer solution were now each made into uniform, approximately 15 cm long closable test specimens of polyethylene terephthalate PET (weight about 5 g) with a wall thickness of about 80 μm and a diameter of about 4 cm filled and gas-tight with a corresponding lid made of the same material.
Während einer 288 h (24 Tage)-Schüttelbelastung mit 2 Hüben pro sec. findet nun eine ständige Diffusion des vorliegenden gasförmigen Kohlendioxids durch die Wand der Prüfkörper statt, was eine pH-Änderung der wässrigen Indikatorlösung im Inneren der Gefäße zur Folge hat und kolorimetrisch, mittels eines UV-Vis-Spektrometers, verfolgt und quantitativ erfasst werden kann.During a 288 h (24 days) shaking load with 2 strokes per sec., A continuous diffusion of the present gaseous carbon dioxide through the wall of the test specimens takes place, resulting in a pH change of the aqueous indicator solution inside the vessels and colorimetrically, monitored and quantified using a UV-Vis spectrometer.
Die
Werden nun analog für die unterschiedlich beschichteten Prüfkörper nach einer 288 h-Schüttelbelastung die Transmissionsunterschiede bestimmt, so werden stark unterschiedliche Werte erhalten, wie Tabelle 4 zeigt.
Tabelle 4 Transmissionsunterschiede ΔT der unterschiedlich beschichteten PET-Prüfkörper nach einer 288 h-Schüttelbelastung
Beim Betrachten der Ergebnisse in Tabelle 4 lässt sich nun das folgende Ranking gemäß zunehmender CO2-Barriere für die lösemittelbasierenden Barriereschichtzusammensetzungen (Tabelle 3), enthaltend die unterschiedlich modifizierten Aluminium-Partikel
Referenz 0 (P0) < Referenz 2 (P13) < Referenz 1 (P12) < mit Aluminium-Partikel M3 (P16) < mit Aluminium-Partikel M2 (P15) ≅ mit Aluminium-Partikel M1 (P14)Reference 0 (P0) <Reference 2 (P13) <Reference 1 (P12) <with aluminum particle M3 (P16) <with aluminum particle M2 (P15) ≅ with aluminum particle M1 (P14)
Aus dem obenstehenden Ranking der unterschiedlichen lösemittelbasierenden Barriereschichten lässt sich nun eindeutig erkennen, dass die Formulierungen, welche die Aluminium-Partikel enthalten, welche unter Verwendung eines aminofunktionellen niedermolekularen Polyethers (Jeffamin) und einer doppelbindungsfunktionellen Silankomponente VTMO und/oder MEMO modifiziert wurden, eine deutlich erhöhte CO2-Gasbarriere im Vergleich zu den entsprechenden Referenzformulierungen zeigen, welche die nicht zusätzlich modifizierten Aluminium-Partikel (
Die Probekörper, welche sowohl unter Verwendung eines aminofunktionellen niedermolekularen Polyethers (Jeffamin) und mit der doppelbindungsfunktionellen Silankomponente VTMO als auch mit GLYMO modifiziert wurden (
Barrierewirkung einer erfindunasaemäßen Reaktivverdünner-haltigen UV-härtenden Beschichtung gegenüber SauerstoffBarrier effect of a erfindunasaemäßen reactive diluent-containing UV-curing coating over oxygen
Zum Erzielen einer hohen Barrierewirkung in erfindungsgemäßen Reaktivverdünner-haltigen Formulierungen hat es sich als vorteilhaft erwiesen Barriere-Partikel aus Metall zu verwenden. Nachteilig ist jedoch, dass die Metallpartikel zwar die Barrierewirkung gegenüber Gasen wie Sauerstoff erhöhen, jedoch gleichzeitig die zur UV-Durchhärtung der Beschichtung notwendige UV-Transparenz der Zusammensetzung stark herabsetzen. Dies führt zu Schichten, die einen verminderten Vernetzungsgrad aufweisen, was wiederum infolge einer geringeren Dichte des Polymernetzwerks sich negativ auf die Kompaktheit der Schicht und somit auf die Barrierewirkung selbst auswirkt.To achieve a high barrier effect in reactive diluent-containing formulations according to the invention, it has proved to be advantageous to use metal barrier particles. The disadvantage, however, is that although the metal particles increase the barrier action towards gases such as oxygen, they at the same time greatly reduce the UV transparency of the composition necessary for UV curing of the coating. This leads to layers which have a reduced degree of crosslinking, which in turn has a negative effect on the compactness of the layer and thus on the barrier effect itself as a result of a lower density of the polymer network.
Um diesen Nachteil zu kompensieren kann erfindungsgemäß beispielsweise gemäß den folgenden Varianten verfahren werden:
- Variante
1 : Es wird eine Konzentration von Plättchen-förmigen Metallpartikeln von beispielsweise 1,2 Gew.-% in der aus Bindemittel, Härter, Reaktivverdünner und Initiator gebildeten Barriereschicht, gewählt. Hieraus resultieren eher metallische und relativ intransparente Barriereschichten. Um eine ausreichende Vernetzung der Barriereschicht trotz der geringen Transparenz zu erzielen, wird der erfindungsgemäßen Zusammensetzung zusätzlich eine thermische Härterkomponente zugegeben, z.B. in Form von Isocyanaten, die die Behinderung der Vernetzung durch die das UV-Licht reflektierenden Metallplättchen kompensieren kann. - Variante
2 : Es wird eine Konzentration von Plättchen-förmigen Metallpartikeln von beispielsweise 0,4 Gew.-%, in der aus Bindemittel, Härter, Reaktivverdünner und Initiator gebildeten Barriereschicht gewählt. Hieraus resultieren trotz des Gehalts an metallischen Partikeln semi-transparente Barriereschichten, so dass die UV-Härtung mit dem Ergebnis einer stärkeren Vernetzung durchgeführt werden kann. Damit können auch ohne die Verwendung zusätzlicher Härterkomponenten bessere Barriereeigenschaften erzielt werden. Die Barrierewirkung der Beschichtung wird bei diesem erfindungsgemäßen Ansatz zusätzlich durch die Zugabe von transparenteren nanoskalig dicken plättchenförmigen nichtmetallischen Partikeln, mit einer mittleren Plättchendicke von bevorzugt ca. 10 nm bis ca. 200 nm, insbesondere von ca. 20 nm bis ca. 100 nm und weiter bevorzugt von ca. 20 nm bis ca. 80 nm verstärkt. Bevorzugt werden als nicht-metallische Partikel Silikat- und Bornitrid-Partikel und weiter bevorzugt Talkum-Partikel verwendet.
- variant
1 A concentration of platelet-shaped metal particles of, for example, 1.2% by weight in the barrier layer formed from binder, hardener, reactive diluent and initiator is selected. This results in more metallic and relatively non-transparent barrier layers. In order to achieve adequate crosslinking of the barrier layer despite the low transparency, a thermal hardener component is additionally added to the composition according to the invention, for example in the form of isocyanates, which can compensate for the obstruction of crosslinking by the metal platelets reflecting the UV light. - variant
2 A concentration of platelet-shaped metal particles of, for example, 0.4% by weight is selected in the barrier layer formed from binder, hardener, reactive diluent and initiator. This results in semi-transparent barrier layers despite the content of metallic particles, so that the UV curing can be carried out with the result of a stronger cross-linking. Thus, even without the use of additional hardener components better barrier properties can be achieved. The barrier effect of the coating in this inventive approach additionally by the addition of more transparent nanoscale platelet-shaped non-metallic particles, with an average platelet thickness of preferably about 10 nm to about 200 nm, in particular from about 20 nm to about 100 nm and further preferably reinforced from about 20 nm to about 80 nm. Silicate and boron nitride particles and more preferably talcum particles are preferably used as the non-metallic particles.
Für die lösemittelfreien UV-härtenden Barrierebeschichtungen wurden nicht modifizierte Aluminium-Partikel
Für die erfindungsgemäßen UV-härtenden Barriereschichten wurden Aluminium-Partikel mit der Modifizierung
In der folgenden Tabelle 5 sind die Zusammensetzungen der UV-härtenden Barriereschichtformulierungen (gemäß Variante
Als Metallplättchen wurden die erfindungsgemäß (
Die Komponente Desmolux U 680H (Allnex, früher Bayer) entspricht in den UV-härtenden Formulierungen der Bindemittelkomponente, Desmodur N 3390 BA (Covestro, früher Bayer) der Isocyanat-Härterkomponente, Laromer HDDA (BASF) dem Reaktivverdünner Hexandioldiacrylat und Genocure ITX (Rahn) dem Photoinitiator. Byk
Die UV-härtbaren Barriereschichtformulierungen wurden auf eine 34 µm dicke Low Densitiy Polyethylen LDPE-Folie mittels einer Rakelapplikation zur Erzielung einer Trockenschichtdicke von ca. 10 µm appliziert.The UV-curable barrier layer formulations were applied to a 34 μm thick low-density polyethylene LDPE film by means of a doctor blade application to achieve a dry film thickness of about 10 μm.
Die erhaltenen OTR(Oxygen Transmission Rate)-Werte wurden wiederum jeweils auf 10 µm bezogen, indem mit dem Mittelwert der tatsächlichen Schichtdicke multipliziert und anschließend durch 10 µm geteilt wurde. Die so erhaltenen OTR-Werte wurden jeweils als OTR/23 °C /10 µm in der Einheit ml/m2/day angegeben. Die Messung der OTR-Werte erfolgte entsprechend der
In
Aus
In
Im Vergleich zu den erhaltenen OTR-Werten für die beschichteten Folien in
Aufgrund der erhaltenen Resultate kann deshalb festgestellt werden, dass es für transparente und kostengünstige Beschichtungen, insbesondere für UV-härtende Barrierebeschichtungen, mit einer guten UV-Transparenz und der damit verbesserten Durchhärtung, als auch zu Zwecken der Kostenoptimierung sinnvoll ist, Mischungen von Metall- und nichtmetallischen nanoskalig dicken Plättchen-förmigen Partikeln in erfindungsgemäßen Barriereschichten zu verwenden.Based on the results obtained it can therefore be stated that it is useful for transparent and cost-effective coatings, in particular for UV-curable barrier coatings, with good UV transparency and thus improved through hardening, as well as for cost optimization, mixtures of metal and to use non-metallic nanoscale thick platelet-shaped particles in barrier layers according to the invention.
Die erhaltenen Ergebnisse lassen sich auf andere Beschichtungsmatrixen, Beschichtungssysteme und Matrixpolymere übertragen, so dass Mischungen von Metall- und nichtmetallischen nanoskalig dicken Plättchen-förmigen Partikeln insgesamt vorteilhaft in Barriereschichten verwendet werden, bei denen es besonders auf eine Kostenoptimierung, verbunden mit Transparenz und effiziente Barriereeigenschaften ankommt.The results obtained can be transferred to other coating matrices, coating systems and matrix polymers, so that mixtures of metal and non-metallic nanoscale platelet-shaped particles are advantageously used to advantage in barrier layers, where cost optimization combined with transparency and efficient barrier properties are particularly important ,
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