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DE102009040868A1 - Lacquer system, useful for producing coatings on plastics, preferably polycarbonate, polymethylmethacrylate or polyethylene terephthalate, comprises aqueous adhesive dispersion made of polymer, organic binder and hetero-coagulate - Google Patents

Lacquer system, useful for producing coatings on plastics, preferably polycarbonate, polymethylmethacrylate or polyethylene terephthalate, comprises aqueous adhesive dispersion made of polymer, organic binder and hetero-coagulate Download PDF

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DE102009040868A1
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Authority
DE
Germany
Prior art keywords
nanoparticles
heterocoagulates
paint system
functional nanoparticles
heterocoagulate
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE102009040868A
Other languages
German (de)
Inventor
Jörg Dr. Tillack
Arno Dr. Nennemann
Thomas Dr. Münzmay
Werner Dr. Hoheisel
Stefanie Dr. Eiden
Johan Dr. Kijlstra
Daniel Gordon Dr. Duff
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Covestro Deutschland AG
Original Assignee
Bayer MaterialScience AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Bayer MaterialScience AG filed Critical Bayer MaterialScience AG
Priority to DE102009040868A priority Critical patent/DE102009040868A1/en
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Abstract

Lacquer system comprises an aqueous adhesive dispersion made of polymer, organic binder and hetero-coagulate, where the hetero-coagulate is formed by the functional nanoparticles and secondary nanoparticles.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Lacksystem enthaltend eine wässrige Bindemitteldispersion aus polymeren, organischen Bindemitteln und Heterokoagulate, wobei die Heterokoagulate von funktionellen Nanoteilchen und Neben-Nanoteilchen gebildet werden. Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung des Lacksystems zur Herstellung von Beschichtungen.The present invention relates to a coating system comprising an aqueous binder dispersion of polymeric, organic binders and heterocoagulates, wherein the heterocoagulates are formed by functional nanoparticles and secondary nanoparticles. Another object of the invention is the use of the coating system for the production of coatings.

Lacke, wie sie z. B. für Holzschutzanwendungen (Parkett, Möbel, etc.), im Automobilbereich oder zur Beschichtung von Kunststoffen verwendet werden, sollen oft neben dem Oberflächenschutz zusätzliche Funktionalitäten aufweisen. Dazu zählen Eigenschaften, wie z. B. UV- oder IR-Schutz, höhere Kratzfestigkeit, Farbe, elektrische bzw. magnetische Eigenschaften oder eine erhöhte Chemikalienbeständigkeit.Paints, such as B. for wood preservation applications (parquet, furniture, etc.), used in the automotive sector or for coating plastics, should often have additional functionalities in addition to the surface protection. These include properties such. As UV or IR protection, higher scratch resistance, color, electrical or magnetic properties or increased chemical resistance.

Zu diesem Zweck wurde u. a. die Zugabe von bestimmten partikulären organischen, vor allem aber anorganischen Füllstoffen vorgeschlagen, die diese Funktion langzeitstabil erfüllen sollen. Durch Zugabe dieser Materialien kann jedoch je nach Teilchengröße und deren Materialeigenschaften, wie z. B. der Brechungsindex, die Transparenz des Lacks stark vermindert bzw. dessen Haze erhöht werden.For this purpose u. a. the addition of certain particulate organic, but especially inorganic fillers proposed to fulfill this function long-term stability. By adding these materials, however, depending on the particle size and their material properties, such as. As the refractive index, the transparency of the paint greatly reduced or its Haze be increased.

Da, wie der Fachmann weiß, die Trübung eines Lacks bei konstantem massebezogenem Füllgrad mit abnehmender Teilchengröße des partikulären Füllstoffs abnimmt, werden nanoskalige Teilchen aus dem gewünschten Material verwendet um die gewünschten Eigenschaften des Lacks unter Beibehaltung dessen Transparenz zu erreichen. Allerdings müssen die Nanoteilchen im ausgehärteten Lack in genügend hohem Maße dispergiert vorliegen, um nicht durch ungewollte Agglomeration der Nanoteilchen den Trübungsgrad wieder zu erhöhen.As one skilled in the art knows, since the haze of a lacquer at a constant mass-based fill level decreases as the particle size of the particulate filler decreases, nanoscale particles of the desired material are used to achieve the desired properties of the lacquer while maintaining its transparency. However, the nanoparticles must be sufficiently dispersed in the cured coating in order not to increase the degree of turbidity again by unintentional agglomeration of the nanoparticles.

Die Grenze, ab der ein durch den Füllstoff induzierte Trübung sich störend auswirkt, hängt dabei entscheidend von dem Einsatzgebiet ab, sie soll aber meist so gering wie möglich sein. Um zu gewährleisten, dass die für das jeweilige Anwendungsgebiet tolerierbare Trübung des Lacks nicht überschritten wird, ist der für die geforderte Verteilung der Teilchen im Lack notwendige Dispergieraufwand (Aufwand für Oberflächenmodifizierung sowie mechanische Dispergierung) und damit die Kosten meist sehr hoch und das Ergebnis dennoch oft unbefriedigend.The limit above which a turbidity induced by the filler has a disturbing effect depends crucially on the field of application, but it should usually be as small as possible. In order to ensure that the tolerable for the particular field of application opacity of the paint is not exceeded, necessary for the required distribution of the particles in the paint dispersion (effort for surface modification and mechanical dispersion) and thus the cost is usually very high and the result still often unsatisfactory.

Nanopartikel in polymeren Beschichtungen können Eigenschaften wie Kratzfestigkeit, UV-Schutz, Leitfähigkeit etc. gezielt verbessern. In der Literatur wird davon ausgegangen, daß die Kontrolle von Oberflächenmodifizierung und Dispergierung der Nanopartikel das erforderliche transparente Erscheinungsbild der Beschichtungen sowie deren Eigenschaften bestimmen. ( Nanoparticle composites for coating applications. Cayton, Roger H. Editor(s): Laudon, Matthew; Romanowicz, Bart., NSTI Nanotech 2004, Boston, MA, United States, Mar. 7–11, (2004), 3 312–315 .). Generell wird davon postuliert, daß eine weitgehende Desagglomeration in Kombination mit kleinen Teilchengrößen zu transparenten Lacken führt.Nanoparticles in polymeric coatings can specifically improve properties such as scratch resistance, UV protection, conductivity, etc. The literature assumes that the control of surface modification and dispersion of the nanoparticles determines the required transparent appearance of the coatings and their properties. ( Nanoparticle composites for coating applications. Cayton, Roger H. Editor (s): Laudon, Matthew; Romanowicz, Bart., NSTI Nanotech 2004, Boston, MA, United States, Mar. 7-11, (2004), 3 312-315 .). In general, it is postulated that extensive deagglomeration in combination with small particle sizes leads to transparent coatings.

Wünschenswert wäre es, wenn eine Einarbeitung von funktionsgebenden anorganischen Partikeln ohne aufwendige Oberflächenmodifizierung erfolgen könnte.It would be desirable if an incorporation of functional inorganic particles could be carried out without costly surface modification.

Üblicherweise werden die Nanopartikel in der Praxis in die Harzkomponente, in die wässrige Phase bzw. in die fertige Mischung aus Härter und Harz kurz vor der Aushärtung eindispergiert. In der Regel ist es dazu erforderlich, die Oberfläche der Nanopartikel an die spezifische Matrix des Beschichtungsmittels bzw. des Klebstoffs anzupassen. Nachteil einer einfachen Einmischung modifizierter Nanopartikel ist die Abhängigkeit der Stabilität von der vollständigen Formulierung, d. h. von allen Formulierungsbestandteilen. Die Variation eines Parameters kann hier zur Entmischung führen (Pilotek, Steffen; Tabellion, Frank (2005), European Coatings Journal, 4, 170ff).Usually, the nanoparticles are dispersed in practice in the resin component, in the aqueous phase or in the finished mixture of hardener and resin just before curing. As a rule, it is necessary to adapt the surface of the nanoparticles to the specific matrix of the coating agent or of the adhesive. Disadvantage of simple incorporation of modified nanoparticles is the dependence of the stability of the complete formulation, d. H. from all formulation ingredients. The variation of one parameter can lead to segregation here (Pilotek, Steffen, Tabellion, Frank (2005), European Coatings Journal, 4, 170ff).

Bekannt ist, dass anorganische Materialien wie z. B. TiO2, ZnO oder CeO2 UV-Licht absorbierende Eigenschaften haben und hierfür bereits in Lacken eingesetzt werden. Ist eine Eigenfarbe des Lacks für die Anwendung nicht störend, können auch Eisenoxide oder andere UV-lichtabsorbierende und/oder farbgebende Materialien eingesetzt werden. Nachteilig bei solchen Lacken ist jedoch, dass die Einbringung der Füllstoffe oft zu einer ungewollten Trübung des Lacks führt oder ein sehr hoher Aufwand für eine gute Verteilung der Teilchen im Lack ohne nennenswerte Agglomeration getrieben werden muss. Letzteres ist vor allem auch aus ökonomischen Gründen für viele Anwendungen ein Problem.It is known that inorganic materials such. B. TiO 2 , ZnO or CeO 2 UV-absorbing properties and are already used for this purpose in paints. If the intrinsic color of the lacquer does not interfere with the application, it is also possible to use iron oxides or other UV-light-absorbing and / or coloring materials. A disadvantage of such paints, however, is that the introduction of the fillers often leads to an unwanted turbidity of the paint or a very high cost for a good distribution of the particles in the paint must be driven without significant agglomeration. The latter is a problem especially for economic reasons for many applications.

Bekannt ist weiterhin, dass Pigmente, die zum UV-Schutz eingesetzt werden sollen, durch gezielte Zusammenlagerung mit einem zweiten Material mit geringerem Brechungsindex eine deutliche Verringerung der Trübung der gesamten Matrix verursachen. So werden in der WO 96/28137 und in der WO 95/09895 mit dieser Technik anorganisch pigmentierte Emulsionen UV-schützender Teilchen für Kosmetikanwendungen bereit gestellt. Nicht beschrieben sind stabile wässrige Heterokoagulatdispersionen und wässrige Lackrohstoffdispersionen enthaltend entsprechende Heterokoagulate, die transparente Lackfilme bzw. Verklebungen ergeben.It is also known that pigments which are to be used for UV protection, by targeted assembly with a second material with a lower refractive index, a significant reduction of Clouding the entire matrix. So be in the WO 96/28137 and in the WO 95/09895 Inorganic pigmented emulsions of UV-protecting particles for cosmetic applications provided by this technique. Stable aqueous heterocoagulate dispersions and aqueous coating raw material dispersions containing corresponding heterocoagulates which give transparent coating films or adhesions are not described.

In US 6565973 wurden durch Zusammenlagerungen von IR-absorbierenden oder farbigen Pigmenten Heterokoagulate hergestellt, die für IR-Schutz und Farbgebung in Kunststoffen und Lacken verwendet werden können. Dort wird die Einarbeitung der pulverförmigen Heterokoagulate in lösemittelbasierte Lacke durch Mahlprozesse beschrieben. Nicht beschrieben sind stabile wässrige Heterokoagulatdispersionen und wässrige Lackrohstoffdispersionen enthaltend entsprechende Heterokoagulate, die sich durch ihre leichtere Verarbeitbarkeit und Lagerstabilität auszeichnen sowie transparente Lackfilme mit verbesserten mechanischen und optischen Eigenschaften ergeben.In US 6565973 Hetero coagulants have been prepared by the assembly of IR-absorbing or colored pigments, which can be used for IR protection and coloring in plastics and paints. There, the incorporation of powdered heterocoagulates in solvent-based paints is described by grinding processes. Not described are stable aqueous Heterokoagulatdispersionen and aqueous Lackrohstoffdispersionen containing appropriate heterocoagulates, which are characterized by their ease of processing and storage stability and give transparent coating films with improved mechanical and optical properties.

In den deutschen Patentanmeldungen DE 10 2007 061 875.3 und DE 10 2007 061 876.1 werden nanopartikelhaltige Bindemitteldispersionen zur Verbesserung der Kratzfestigkeit beschrieben. Es werden Nanopartikel einer Sorte eingesetzt, deren Dispergierung in der Lackmatrix entscheidend ist, um Transparenz zu erreichen. Es ist erforderlich, sowohl das Bindemittel als auch die Nanopartikeloberfläche zu modifizieren, um dieses Ziel zu erreichen.In the German patent applications DE 10 2007 061 875.3 and DE 10 2007 061 876.1 nanoparticle-containing binder dispersions are described for improving the scratch resistance. Nanoparticles of a variety are used whose dispersion in the coating matrix is crucial in order to achieve transparency. It is necessary to modify both the binder and the nanoparticle surface to achieve this goal.

Es stellt sich damit, ausgehend vom benannten Stand der Technik, die erfindungsgemäße Aufgabe, Lacksysteme mit verbesserten optischen und/oder mechanischen Eigenschaften bereitzustellen, die die Nachteile des Stands der Technik nicht aufweisen und die bei geringem Dispergieraufwand und ohne daß eine aufwendige Oberflächenmodifikation der Partikel erforderlich ist, hohe Füllgrade an funktionellen Nanoteilchen enthalten und trotzdem eine geringe Trübung der Lackfilme aufweisen.It thus arises, starting from the prior art, the object of the invention to provide coating systems with improved optical and / or mechanical properties that do not have the disadvantages of the prior art and with low dispersing and without a complex surface modification of the particles required is high levels of functional nanoparticles and still have a slight haze of the paint films.

Diese Aufgabe wird durch Lacksysteme umfassend

  • A. Wässrige Bindemitteldispersion aus polymeren, organischen Bindemitteln und
  • B. Heterokoagulate, die von funktionellen Nanoteilchen und Neben-Nanoteilchen gebildet werden.
gelöst.This object is achieved by paint systems
  • A. Aqueous binder dispersion of polymeric, organic binders and
  • B. heterocoagulates formed by functional nanoparticles and minor nanoparticles.
solved.

So wurde gefunden, dass durch den Einsatz von Brechungsindex angepassten Heterokoagulaten transparente Beschichtungen auch ausgehend von wässrigen Dispersionen erhalten werden können. Die wässrigen Heterokoagulatdispersionen bzw. die wässrigen Lackdispersionen zeigen eine überraschende Stabilität und können daher leicht zur Herstellung von transparenten Lackfilmen verwendet werden. Bei einer entsprechenden Auswahl der enthaltenen funktionellen Nanoteilchen können Filme mit verbesserten mechanischen Eigenschaften erhalten werden.It has thus been found that transparent coatings can also be obtained starting from aqueous dispersions by using refractive index-adapted heterocoagulates. The aqueous heterocoagulate dispersions or the aqueous coating dispersions show a surprising stability and can therefore easily be used for the production of transparent coating films. With appropriate selection of the functional nanoparticles contained, films with improved mechanical properties can be obtained.

Geeignete polymere, organische Bindemittel A sind wässrige, organische Dispersionen, die üblicherweise in Beschichtungen und Klebstoffen eingesetzt werden. Beispielsweise handelt es sich hier um Polyacrylatdispersionen, Polyurethandispersionen, Polyester-Polyacrylatdispersionen, Polyester-Polyurethandispersionen.Suitable polymeric, organic binders A are aqueous, organic dispersions commonly used in coatings and adhesives. For example, these are polyacrylate dispersions, polyurethane dispersions, polyester-polyacrylate dispersions, polyester-polyurethane dispersions.

Ein Heterokoagulat (B) ist ein Agglomerat, das durch gezielte Zusammenlagerung von verschiedenartigen Nanoteilchen (funktionellen Nanoteilchen und geeigneten Neben-Nanoteilchen) hergestellt wird, wobei die funktionellen Nanoteilchen möglichst als Primärteilchen vorliegen. Diese dürfen nicht oder nur in geringen Anteilen homokoaguliert vorliegen, wobei die geringen Anteile homokoagulierter funktioneller Nanoteilchen im Heterokoagulat räumlich möglichst weit voneinander getrennt angeordnet und weitestgehend gleichmäßig verteilt sein sollten.A heterocoagulate (B) is an agglomerate that is produced by targeted assembly of different types of nanoparticles (functional nanoparticles and suitable minor nanoparticles), the functional nanoparticles possibly being present as primary particles. These must not or only in small proportions be present in a homocoupulated manner, whereby the small proportions of homocoagulated functional nanoparticles in the heterocoagulate should be arranged spatially as far apart as possible and distributed as far as possible evenly.

Die Größe der Primärteilchen oder homokoagulierten Anteile der funktionellen Nanoteilchen sollten dabei kleiner als 50 nm, bevorzugt kleiner 20 nm und besonders bevorzugt kleiner als 10 nm sein.The size of the primary particles or homocoagulated portions of the functional nanoparticles should be less than 50 nm, preferably less than 20 nm and particularly preferably less than 10 nm.

Die Zusammensetzung der Heterokoagulate kann mit Hilfe der Theorien des effektiven Mediums (z. B. nach Garnett, Bruggemann, Looyenga, etc.; siehe auch U. Kreibig, M. Vollmer: In „Optical Properties of Metal Clusters”, Springer Series in Material Science, Springer-Verlag Berlin, Heidelberg 1995; Kap. 2.3, S. 123–186 ) berechnet werden. Sie richtet sich nach den Dielektrizitätskonstanten bzw. Brechnungsindizes der funktionellen Nanoteilchen, der Neben-Nanoteilchen und der umgebenden Matrix. Dabei ist der Volumenanteil f der funktionellen Nanoteilchen im Gesamtvolumen des zweikomponentigen Heterokoagulats (d. h. Gesamtvolumen aus funktionellen Nanoteilchen plus Neben-Nanoteilchen) so zu wählen, dass folgende Ungleichung erfüllt ist:

Figure 00040001
The composition of the heterocoagulates can be determined by means of the theories of the effective medium (eg Garnett, Bruggemann, Looyenga, etc .; See also U. Kreibig, M. Vollmer: In "Optical Properties of Metal Clusters", Springer Series in Materials Science, Springer-Verlag Berlin, Heidelberg 1995; Cape. 2.3, pp. 123-186 ) be calculated. It depends on the dielectric constants or refractive indices of the functional nanoparticles, the minor nanoparticles and the surrounding matrix. The volume fraction f of the functional nanoparticles in the total volume of the two-component heterocoagulate (ie Total volume of functional nanoparticles plus minor nanoparticles) such that the following inequality is satisfied:
Figure 00040001

Dabei ist ε = ε(λ) die wellenlängenabhängige, komplexe Dielektrizitätskonstante der umgebenden Lackmatrix (εMatrix), der Neben-Nanoteilchen (εNeben-Nanoteilchen) bzw. der funktionellen Nanoteilchen (εNanoteilchen).In this case, ε = ε (λ) is the wavelength-dependent, complex dielectric constant of the surrounding paint matrixmatrix ), the secondary nanoparticles (ε secondary nanoparticles ) and the functional nanoparticles (ε nanoparticles ).

Es gilt allgemein, dass die komplexe, wellenlängenabhängige Dielektrizitätskonstante ε = ε(λ) mit dem komplexen, wellenlängenabhängigen Brechungsindex n = n(λ) über die Beziehung ε = n2 zusammenhängt. Aus diesem Grund ist entsprechend der Volumenanteil f der funktionellen Nanoteilchen im Gesamtvolumen des Heterokoagulats (d. h. Gesamtvolumen aus funktionellen Nanoteilchen plus Neben-Nanoteilchen) so zu wählen, dass folgende Ungleichung erfüllt ist:

Figure 00040002
It is generally true that the complex, wavelength-dependent dielectric constant ε = ε (λ) is related to the complex, wavelength-dependent refractive index n = n (λ) via the relationship ε = n 2 . For this reason, the volume fraction f of the functional nanoparticles in the total volume of the heterocoagulate (ie total volume of functional nanoparticles plus secondary nanoparticles) must be chosen in such a way that the following inequality is fulfilled:
Figure 00040002

Dabei ist y < 0,2, bevorzugt < 0,1, besonders bevorzugt < 0,02 und ganz besonders bevorzugt < 0,005 zu wählen um ein optimales Ergebnis, d. h. eine geringe Trübung des erfindungsgemäßen Lacks, zu erzielen.In this case, y <0.2, preferably <0.1, particularly preferably <0.02 and very particularly preferably <0.005, in order to achieve an optimum result, ie. H. a slight haze of the paint according to the invention to achieve.

Beispielsweise erzielt man für einen erfindungsgemäßen Lack, dessen organische Matrix einen Brechungsindex von 1,505 aufweist und Heterokoagulate aus CeO2 als funktionelle Nanoteilchen und SiO2 als Neben-Nanoteilchen enthält, ein optimales Ergebnis mit einen 5%igen Volumenanteil an funktionelle Nanoteilchen im gesamten anorganischen Heterokoagulat.For example, for a coating according to the invention whose organic matrix has a refractive index of 1.505 and contains heterocoagulates of CeO 2 as functional nanoparticles and SiO 2 as minor nanoparticles, an optimum result is achieved with a 5% by volume of functional nanoparticles in the entire inorganic heterocoagulate.

Bei ansonsten gleichen Komponenten des erfindungsgemäßen Lacks erhält man bei Verwendung von ZnO anstelle von CeO2 mit einem Volumenanteil von 7% und bei Al2O3 mit einem Volumenanteil von 13% im anorganischen Heterokoagulat ein optimales Ergebnis.In otherwise identical components of the paint according to the invention is obtained using ZnO instead of CeO 2 with a volume fraction of 7% and in Al 2 O 3 with a volume fraction of 13% in the inorganic heterocoagulate an optimal result.

Die so bereitgestellten Heterokoagulate besitzen einen mittleren Brechungsindex, der mit dem der umgebenden Lackmatrix innerhalb der durch y gegebenen Grenzen übereinstimmt. Da die funktionellen Nanoteilchen meist einen höheren Brechungsindex besitzen, ist für die Neben-Nanoteilchen ein entsprechend kleinerer Brechungsindex erforderlich.The heterocoagulates thus provided have a mean refractive index which coincides with that of the surrounding resist matrix within the limits given by y. Since the functional nanoparticles usually have a higher refractive index, a correspondingly smaller refractive index is required for the minor nanoparticles.

Meist eignet sich SiO2 als Neben-Nanoteilchen. Es können aber auch andere Materialien mit niedrigem Brechnungsindex wie z. B. Alkali- oder Erdalkalifluoride oder auch nanoporöse, Gas-enthaltende Materialien als Neben-Nanoteilchen eingesetzt werden.Mostly, SiO 2 is suitable as minor nanoparticles. But it can also other materials with low refractive index such. As alkali or alkaline earth fluorides or nanoporous, gas-containing materials are used as minor nanoparticles.

Durch diese Brechnungsindexanpassung der Heterokoagulate ist es nicht mehr notwendig, die funktionellen Nanoteilchen mit hohem Aufwand in der Lackmatrix nanopartikulär zu dispergieren. Stattdessen können die größeren, Brechungsindex-angepassten Heterokoagulate, die die funktionellen Nanoteilchen enthalten, mit einfachen Mitteln eingearbeitet werden.As a result of this refractive index adaptation of the heterocoagulates, it is no longer necessary to disperse the functional nanoparticles nanoparticulate with great effort in the coating matrix. Instead, the larger refractive index-matched heterocoagulates containing the functional nanoparticles can be incorporated by simple means.

Durch die Verwendung von Heterokoagulaten als Additiv in einer Lackformulierung erzielt man die erwünschte Wirkung von Nanoteilchen und gewährleistet insbesondere die hohe Transparenz des Lacks. Die Handhabung entspricht jedoch denen von Mikro- oder Sub-Mikroteilchen. Die Größe der Heterokoagulate in dem Lack unterliegt im Falle einer idealen Anpassung des Brechnungsindex im Prinzip keinen Einschränkungen.The use of heterocoagulates as an additive in a paint formulation achieves the desired effect of nanoparticles and in particular ensures the high transparency of the paint. However, handling is similar to that of micro or sub-microparticles. The size of the heterocoagulates in the paint is in principle no restrictions in the case of an ideal adaptation of the refractive index.

Da in der Praxis oft kleine Abweichungen von der idealen Zusammensetzung vorkommen, sollten zur Gewährleistung einer hohen Transparenz die Heterokoagulate bevorzugt kleiner als 1 μm, besonders bevorzugt kleiner als 300 nm und ganz besonders bevorzugt kleiner als 100 nm sein. Eine Beschränkung der Größe der Heterokoagulate erweist sich je nach verwendeter Lackmatrix als sinnvoll um eine gute Verarbeitbarkeit z. B. bzgl. der Viskosität zu gewährleisten.Since small deviations from the ideal composition often occur in practice, to ensure high transparency, the heterocoagulates should preferably be smaller than 1 μm, more preferably smaller than 300 nm and most preferably smaller than 100 nm. A limitation of the size of the heterocoagulates proves to be useful depending on the used paint matrix to a good processability z. B. respect. To ensure the viscosity.

Der Volumenkonzentration an Heterokoagulaten CHK im getrockneten Lack richtet sich nach der für die jeweilige Anwendung einzusetzende Volumenkonzentration an funktionellen Nanoteilchen (CFN) und sollte gemäß der folgenden Gleichung gewählt werden: CHK = CFN/f The volume concentration of heterocoagulates C HK in the dried varnish depends on the volume concentration of functional nanoparticles (C FN ) to be used for the respective application and should be selected according to the following equation: C HK = C FN / f

Soll beispielsweise ein erfindungsgemäßer Lack, dessen organische Matrix einen Brechungsindex von 1,505 aufweist, mit einer CeO2-Volumenkonzentration von CFN = 1% (entsprechend einer CeO2-Massenkonzentration von ca. 9%) bereitgestellt werden, so enthält dieser Lack wegen des Volumenanteil an CeO2 von f = 5% im Heterokoagulat einen Volumenanteil von CHK = 20% Heterokoagulat. Dies entspricht unter Annahme, dass der organische Anteil des Lacks eine Dichte von 1,15 g/cm3 aufweist, einem Massenanteil von ca. 35%.If, for example, a lacquer according to the invention whose organic matrix has a refractive index of 1.505 is to be provided with a CeO 2 volume concentration of C FN = 1% (corresponding to a CeO 2 mass concentration of about 9%), this lacquer contains because of the volume fraction on CeO 2 of f = 5% in the heterocoagulate a volume fraction of C HK = 20% heterocoagulate. This corresponds to assuming that the organic portion of the varnish has a density of 1.15 g / cm 3 , a mass fraction of about 35%.

Um die vorteilhaften Eigenschaften des erfindungsgemäßen Lacks bzgl. der mechanischen und chemischen Stabilität auszunutzen, sollte CHK zwischen 0,5 Vol% und 50 Vol%, bevorzugt zwischen 5 Vol% und 40 Vol% und besonders bevorzugt zwischen 10 Vol% und 35 Vol% und ganz besonders bevorzugt zwischen 15 Vol% und 30 Vol% betragen. Bei hohen Füllgraden von über 10 vol% können sich im getrockneten und/oder vernetzten Lack die Grenzen zwischen den einzelnen Heterokoagulaten berühren. Dieser Fall ändert jedoch nichts an den Eigenschaften oder der Herstellung des erfindungsgemäßen Lacks.In order to utilize the advantageous properties of the lacquer according to the invention with respect to the mechanical and chemical stability, C HK should be between 0.5% by volume and 50% by volume, preferably between 5% by volume and 40% by volume and particularly preferably between 10% by volume and 35% by volume. and most preferably between 15% by volume and 30% by volume. At high degrees of filling of more than 10% by volume, the boundaries between the individual heterocoagulates can come into contact in the dried and / or crosslinked lacquer. However, this case does not change the properties or the production of the paint according to the invention.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung können die funktionellen Nanoteilchen auch von den Neben-Nanoteilchen als partikuläre Schicht oder von dem Material der Neben-Nanoteilchen als kontinuierliche Schicht umhüllt sein. Eine kontinuierliche Beschichtung kann die funktionellen Nanoteilchen dabei vollständig oder auch teilweise umhüllen. Die partikuläre oder die kontinuierliche Schicht kann auch aus einem anderen Material bestehen, solange der Gesamtbrechungsindex des Heterokoagulats innerhalb der durch y vorgegebenen Grenzen bleibt.In a preferred embodiment of the invention, the functional nanoparticles may also be enveloped by the minor nanoparticles as a particulate layer or by the material of the minor nanoparticles as a continuous layer. A continuous coating can completely or partially envelop the functional nanoparticles. The particulate or continuous layer can also be made of a different material as long as the total refractive index of the heterocoagulate remains within the limits given by y.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung können die funktionellen Nanoteilchen und Neben-Nanoteilchen auch als nicht-kompaktes Heterokoagulat vorliegen, das von der organischen Matrix des Lacks durchsetzt ist. Dabei kann die organische Matrix als diskontinuierliche oder auch als kontinuierliche Phase vorliegen. Im Falle, dass die organische Matrix als kontinuierliche Phase im Heterokoagulat vorliegt, bedeutet dies, dass die funktionellen Nanoteilchen und Neben-Nanoteilchen unter Umständen keinen direkten Kontakt zueinander haben. Im Falle eines nicht-kompakten Heterokoagulats mit der organischen Matrix als kontinuierliche Phase können die funktionellen Nanoteilchen und Neben-Nanoteilchen in Gruppen vorliegen oder gleichmäßig verteilt sein. Liegen sie in Gruppen vor, kann eine solche Gruppe als ein mindestens drei-Komponentiges Heterokoagulat angesehen werden, dessen mittlerer Brechungsindex an den der organischen Matrix angepasst sein muss.In a further preferred embodiment of the invention, the functional nanoparticles and minor nanoparticles may also be present as a non-compact heterocoagulate which is permeated by the organic matrix of the varnish. The organic matrix may be present as a discontinuous or else as a continuous phase. In the case where the organic matrix is present as a continuous phase in the heterocoagulate, this means that the functional nanoparticles and minor nanoparticles may not be in direct contact with each other. In the case of a non-compact heterocoagulate having the organic matrix as the continuous phase, the functional nanoparticles and minor nanoparticles may be in groups or evenly distributed. If they are present in groups, such a group can be regarded as an at least three-component heterocoagulate whose mean refractive index must be matched to that of the organic matrix.

Je nach Wahl der funktionellen Nanoteilchen erhält der erfindungsgemäße Lack z. B. vor UV-Licht schützende Eigenschaften (z. B. bei TiO2, CeO2, ZnO oder Eisenoxide), NIR-Licht absorbierende Eigenschaften (z. B. bei ITO oder LaB6), magnetische Eigenschaften (z. B. Magnetit, Maghemit), verbesserte mechanische Eigenschaften (z. B. bei Al2O3, ZrO2).Depending on the choice of functional nanoparticles, the paint of the invention receives z. B. UV protecting properties (eg, for TiO 2 , CeO 2 , ZnO or iron oxides), NIR light absorbing properties (eg, ITO or LaB 6 ), magnetic properties (eg, magnetite , Maghemite), improved mechanical properties (eg Al 2 O 3 , ZrO 2 ).

Die Auflistung kann hier um beliebig weitere Typen von Nanoteilchen, durch deren Einbringung der Fachmann das Eigenschaftsspektrum des Lacksystems erweitern oder modifizieren möchte, fortgesetzt werden. Die Liste ist deshalb nicht erschöpfend und gibt die Möglichkeiten nur beispielhaft wieder.The list can be continued here by any other types of nanoparticles, by the introduction of which the person skilled in the art would like to expand or modify the property spectrum of the coating system. The list is therefore not exhaustive and reflects the possibilities only as an example.

Zum Teil können bei Verwendung bestimmter Teilchensorten oder geeigneter Kombinationen von funktionellen Nanoteilchen auch kombinierte Eigenschaften erreicht werden. Als wichtigen Zusatznutzen werden wegen des hohen Feststoffanteils die mechanischen Eigenschaften des Lacks wie z. B. Modul, Energieaufnahme oder die Kratzfestigkeit vorteilhaft verändert. Außerdem wurde gefunden, dass auch die Chemikalien- und Lösemittelbeständigkeit des erfindungsgemäßen Lacks erhöht wurde.In part, combined properties can be achieved using certain particle types or suitable combinations of functional nanoparticles. As an important additional benefit because of the high solids content, the mechanical properties of the paint such. B. module, energy consumption or scratch resistance changed advantageous. In addition, it was found that the chemical and solvent resistance of the paint according to the invention was increased.

Die Herstellung der Heterokoagulate als wesentliche Bestandteile des erfindungsgemäßen Lacks erfolgt z. B. durch elektrostatische Anziehung der funktionellen Nanoteilchen und Neben-Nanoteilchen in wässriger Umgebung. Dazu muss ein pH-Wert für den Prozess der Heterokoagulation gewählt werden, bei dem beide Komponenten eine unterschiedliche Polarität der Oberflächenladung, d. h. ein unterschiedliches Vorzeichen im Zeta-Potential aufweisen. Dabei ist es unerheblich, ob die unterschiedliche Polarität beim Zusammenführen der Nanoteilchentypen bereits vorliegt oder danach durch Verschiebung des pH-Wertes erfolgt.The preparation of the heterocoagulates as essential constituents of the paint according to the invention takes place for. By electrostatic attraction of the functional nanoparticles and minor nanoparticles in an aqueous environment. For this purpose, a pH must be chosen for the process of heterocoagulation, in which both components have a different polarity of the surface charge, i. H. have a different sign in the zeta potential. It is irrelevant whether the different polarity when merging the nano-particle types is already present or thereafter by shifting the pH.

Um eine Homokoagulation weitestgehend zu vermeiden, kann der Prozess der Heterokoagulation vorzugsweise durch Eintrag von mechanischer Energie (z. B. mit Hilfe von Rührwerkzeugen, Ultraschall, Homogenisatoren, Mikrofluidizern, Strahldispergatoren) unterstützt werden. In order to avoid homocoagulation as far as possible, the process of heterocoagulation can preferably be supported by introduction of mechanical energy (eg with the aid of stirring tools, ultrasound, homogenizers, microfluidizers, jet dispersers).

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann die Oberflächenladung einer Nanoteilchen-Komponente durch Zugabe von Anionen oder Kationen modifiziert oder verstärkt werden. Diese Ionen können in Form von Salzen wie z. B. Acetaten, Nitraten, Sulfaten, Phosphaten oder in Form von hydrophilen Polymeren wie z. B. hydrophiler linearer oder verzweigter Homo- oder Copolymere, mit funktionellen Gruppen wie Amino-, Carboxyl-, bzw. deren Salzen, Hydroxyl-, Thiol-, Säureanhydriden, Säurechloriden und/oder Isocyanatgruppen zugegeben werden. Dabei können die funktionellen, eventuell auch adsorptiv wirkenden Gruppen der entsprechenden Polymere sich in der Wiederholungseinheit befinden, wie beispielsweise bei Polysäuren, Polysäureanhydriden, Polyalkoholen, Polythiolen oder Polyaminen oder Polyheterocyclen, so im Falle der Polyacrylsäure und/oder deren Salzen, Polymethacrylsäure und/oder deren Salzen, Poly(meth)acrylamide, Polymaleinsäure und/oder deren Salzen, Polyasparaginsäure und/oder deren Salzen, der Polymaleinsäureanhydride, der Polyethylenimine, der Polyhydroxyethylmethacrylate (PHEMA), der Polydimethylaminoethylmethacrylate und/oder dessen Salzen, der Polyvinylpyrrolidone, der Polyvinylalkohole, Polyvinalyacetals oder Polyvinylethers oder der Polyether.In a preferred embodiment of the invention, the surface charge of a nanoparticle component can be modified or enhanced by adding anions or cations. These ions may be in the form of salts such. As acetates, nitrates, sulfates, phosphates or in the form of hydrophilic polymers such. As hydrophilic linear or branched homopolymers or copolymers, with functional groups such as amino, carboxyl, or their salts, hydroxyl, thiol, acid anhydrides, acid chlorides and / or isocyanate groups are added. The functional, possibly also adsorptive groups of the corresponding polymers can be in the repeating unit, such as in polyacids, polyacids, polyalcohols, polythiols or polyamines or polyheterocycles, so in the case of polyacrylic acid and / or their salts, polymethacrylic acid and / or their Salts, poly (meth) acrylamides, polymaleic acid and / or salts thereof, polyaspartic acid and / or salts thereof, polymaleic anhydrides, polyethyleneimines, polyhydroxyethyl methacrylates (PHEMA), polydimethylaminoethyl methacrylates and / or its salts, polyvinylpyrrolidones, polyvinyl alcohols, polyvinyl acetal or Polyvinyl ether or the polyether.

Als aminische Polymere kommen beispielsweise Polyallylamin, Polyvinylamin, lineare oder verzweigte Polyethylenimine, Polylysin, Polymere enthaltend Chitosamine sowie Polydiallyldimethylammoniumchlorid und/oder Polyvinylpyridin bzw. deren Säureaddukte als Homo- oder Copolymerisate infrage. Alle benannten Polymere können für die Darstellung der Nanoteilchen als Homo- oder auch als Copolymere untereinander sowie mit weiteren Monomeren eingesetzt werden. Ebenfalls denkbar sind Copolymerisate aus Acrylsäure mit Vinylpyrrolidon, Maleinsäureanhydrid mit Methylvinylether, Vinylpyrrolidon mit Dimethylaminoethylmethacrylat, Vinylimidazol mit Vinylpyrrolidon und Methacrylsäure mit Vinylpyrrolidon.Suitable aminic polymers include, for example, polyallylamine, polyvinylamine, linear or branched polyethyleneimines, polylysine, polymers containing chitosamines and also polydiallyldimethylammonium chloride and / or polyvinylpyridine or their acid adducts as homopolymers or copolymers. All named polymers can be used for the preparation of the nanoparticles as homopolymers or else as copolymers with one another and with other monomers. Also conceivable are copolymers of acrylic acid with vinylpyrrolidone, maleic anhydride with methyl vinyl ether, vinylpyrrolidone with dimethylaminoethyl methacrylate, vinylimidazole with vinylpyrrolidone and methacrylic acid with vinylpyrrolidone.

Weiterhin geeignete Polymere sind solche, deren funktionelle Gruppen in den Endgruppen lokalisiert sind, wie beispielsweise im Falle der Amino-/Carboxy-/Thio-/Isocyanat- oder anderweitig endgruppenfunktionalisierten Polyether, so z. B. bei aminofunktionelle Oligo- oder Polyethylenglykole (Jeffamine) oder OH terminierten Polyethylenoxiden.Further suitable polymers are those whose functional groups are located in the end groups, such as in the case of amino / carboxy / thio / isocyanate or other endgruppenfunktionalisierten polyether, such. B. in amino-functional oligo- or polyethylene glycols (Jeffamine) or OH-terminated polyethylene oxides.

Bevorzugt sind Polymere mit funktionellen Gruppen in der Wiederholungseinheit, besonders bevorzugt die Polysäuren, und dabei ganz besonders bevorzugt Polyacrylsäuren oder Polymethacrylsäuren und/oder deren Salze.Preference is given to polymers having functional groups in the repeat unit, particularly preferably the polyacids, and very particularly preferably polyacrylic acids or polymethacrylic acids and / or salts thereof.

In einer weiteren Ausführungsform können auch reaktive Polymere, wie Polymaleinsäureanhydride oder Polysuccinimide, die im Laufe der weiteren Verarbeitung zu den oben erwähnten Polyelektrolyten, nämlich Polyacrylsäure bzw. Polyasparaginsäure abreagieren, eingesetzt werden.In a further embodiment, it is also possible to use reactive polymers, such as polymaleic anhydrides or polysuccinimides, which in the course of further processing react to form the abovementioned polyelectrolytes, namely polyacrylic acid or polyaspartic acid.

In einer bevorzugten Ausführung enthält die Hülle der Nanoteilchen Polyacrylsäure, Polymethacrylsäure, Polyasparaginsäure (PASP), Polymaleinsäure, Copolymerisate von Acrylsäure beispielsweise. mit Maleinsäure, die unter den Produktnamen Sokalane® von der Firma BASF angeboten werden und/oder Copolymerisate von Acrylsäure mit Maleinsäure und Vinylether, die von der Firma SKW Polymers unter dem Namen Melpers® angeboten werden, und/oder deren Salze, bevorzugt deren Natriumsalze.In a preferred embodiment, the shell of the nanoparticles contains polyacrylic acid, polymethacrylic acid, polyaspartic acid (PASP), polymaleic acid, copolymers of acrylic acid, for example. with maleic acid, which are sold under the product name Sokalan® ® by the company BASF and / or copolymers of acrylic acid with maleic acid and vinyl ether, available from the firm SKW Polymers under the name Melpers ®, and / or their salts, preferably their sodium salts.

Das Molekulargewicht der Polymere der Hülle der Nanoteilchen kann variabel sein, vorzugsweise liegt es bei einem Mw von 500 bis 50 000 gmol–1, bevorzugt zwischen 1000 und 10 000 gmol–1 und besonders bevorzugt zwischen 1500 und 5 000 gmol–1.The molecular weight of the polymers of the shell of the nanoparticles can be variable, preferably it is at an M w of 500 to 50,000 gmol -1 , preferably between 1000 and 10,000 gmol -1 and more preferably between 1500 and 5000 gmol -1 .

Neben den oben aufgeführten Gründen können die aufgeführten Polymere auch zur Stabilisierung der Heterokoagulate dienen, um deren mittlere Größe für die weitere Verarbeitung auf unter 5 μm, bevorzugt unter 1 μm, besonders bevorzugt unter 500 nm und ganz besonders bevorzugt unter 100 nm zu reduzieren. Diese Reduktion kann die weitere Verarbeitung der die Heterokoagulate enthaltenden erfindungsgemäßen Lacke unterstützen.In addition to the above-mentioned reasons, the polymers listed can also be used to stabilize the heterocoagulates in order to reduce their average size for further processing to below 5 .mu.m, preferably below 1 .mu.m, more preferably below 500 nm and most preferably below 100 nm. This reduction may assist in the further processing of the lacquers containing the heterocoagulates of the invention.

Der Überschuss an stabilisierenden Ionen und Polymeren muss von den Heterokoagulaten abgetrennt werden, da dieser bei der Weiterverarbeitung zu einer Verminderung der Transparenz des nachfolgend hergestellten Lacks führen kann. Dies kann z. B. mittels Dialyse, Zentrifugation, Membranfiltration oder Ionenaustauscher erreicht werden.The excess of stabilizing ions and polymers must be separated from the heterocoagulates, since this can lead to a reduction in the transparency of the subsequently produced paint during further processing. This can be z. B. by dialysis, centrifugation, membrane filtration or ion exchangers can be achieved.

Besonders bevorzugt werden Teilchen eingesetzt, die nicht mit Polymeren oder Silanen oberflächenmodifiziert wurden. Particular preference is given to using particles which have not been surface-modified with polymers or silanes.

Beispiele:Examples:

Beispiel 1a: Herstellung der Heterokoagulate mit stabilisierendem PolymerExample 1a: Preparation of the heterocoagulates with stabilizing polymer

613,3 g Levasil 200 Dispersion (wässrige Silicadispersion, H. C Starck GmbH, Leverkusen, D) mit w(SiO2) = 0,05 wurde mit konz. HNO3 auf pH 3 eingestellt. Anschließend wurde zuerst 153,3 g CeO2-Dispersion (wässrige Ceroxiddispersion essigsauer, Nyacol Corp. USA) mit w(CeO2) = 0,05 zu der Levasil-Dispersion und danach 47,9 g PAS2000-Lösung (w(PAS2000)= 0,05; Natriumsalz der Polyacrylsäure, Molmasse 2000, Fluka (Hersteller), SIGMA-ALDRICH Vertriebs GmbH).613.3 g of Levasil 200 dispersion (aqueous silica dispersion, H. C Starck GmbH, Leverkusen, D) with w (SiO 2) = 0.05 was treated with conc. HNO3 adjusted to pH 3. Subsequently, first 153.3 g of CeO 2 dispersion (aqueous cerium oxide dispersion essigsauer, Nyacol Corp. USA) with w (CeO 2) = 0.05 to the levasil dispersion and then 47.9 g PAS2000 solution (w (PAS2000) = 0 , 05, sodium salt of polyacrylic acid, molecular weight 2000, Fluka (manufacturer), SIGMA-ALDRICH Vertriebs GmbH).

unter Rühren zugeben und 2 min. mit einem Magnetrührer gerührt. Diese Mischung wird mit 2-Dimethylethanolamin auf pH 9 eingestellt und weitere 5 min gerührt. Um überschüssige Salze und Polyacrylsäure abzutrennen, wurde das Gemisch 2,5 h bei 25.000 U/min zentrifugiert. Der Überstand wurde verworfen und das Sediment mit entionisiertem Wasser redispergiert. Dieser Vorgang wurde zweimal wiederholt. Abschließend wurden alle Sedimente vereinigt und in ca. 50 mL Wasser redispergiert. Der Feststoffgehalt der resultierenden Dispersion betrug 20,3 Gew.-%.Add with stirring and 2 min. stirred with a magnetic stirrer. This mixture is adjusted to pH 9 with 2-dimethylethanolamine and stirred for a further 5 min. To separate excess salts and polyacrylic acid, the mixture was centrifuged for 2.5 hours at 25,000 rpm. The supernatant was discarded and the sediment redispersed with deionized water. This process was repeated twice. Finally, all sediments were combined and redispersed in about 50 mL of water. The solids content of the resulting dispersion was 20.3% by weight.

Beispiel 1b: Herstellung der Heterokoagulate ohne stabilisierendes PolymerExample 1b: Preparation of the heterocoagulates without stabilizing polymer

276 g Levasil 200 w(SiO2) = 0,1 wurde mit konz. HNO3 auf pH 3 eingestellt. Anschließend wurde 69 g CeO2-Dispersion (wässrige Ceroxiddispersion essigsauer, Nyacol Corp. USA) mit w(CeO2) = 0,1 unter Rühren mittels Ultraturrax bei 21500 U/min innerhalb von 5 min. zugetropft. Danach wurde weitere 5 min. gerührt (pH 3,8). Die Mischung wurde in der Zentrifuge 20 min. lang bei 10.000 U/min zentrifugiert. Der klare Überstand wurde abgetrennt und das Sediment in ca. 300 mL Natronlauge, c(NaOH) = 0,1 mol/L, mittels Ultraschallfinger redispergiert (pH 11,3). Danach wurde die Mischung 40 min. lang bei 10.000 U/min zentrifugiert. Der leicht trübe Überstand wurde komplett verworfen, das Sediment in 300 mL Wasser redispergiert (pH 10) und nochmals 120 min. lang bei 10.000 U/min zentrifugiert. Der trübe Überstand wurde wieder verworfen und das Sediment in Wasser redispergiert. Der Feststoffgehalt der resultierenden Dispersion betrug 23,9%.276 g Levasil 200 w (SiO 2 ) = 0.1 was treated with conc. HNO 3 to pH. 3 Subsequently, 69 g of CeO 2 dispersion (aqueous cerium oxide dispersion essigsauer, Nyacol Corp. USA) with w (CeO 2 ) = 0.1 with stirring by means of Ultraturrax at 21500 U / min within 5 min. dropwise. Thereafter, another 5 min. stirred (pH 3.8). The mixture was centrifuged in the centrifuge for 20 min. centrifuged at 10,000 rpm for a long time. The clear supernatant was separated and the sediment in about 300 mL sodium hydroxide, c (NaOH) = 0.1 mol / L, redispersed by means of ultrasonic fingers (pH 11.3). Thereafter, the mixture was 40 min. centrifuged at 10,000 rpm for a long time. The slightly turbid supernatant was discarded completely, the sediment redispersed in 300 ml of water (pH 10) and again for 120 min. centrifuged at 10,000 rpm for a long time. The cloudy supernatant was again discarded and the sediment redispersed in water. The solids content of the resulting dispersion was 23.9%.

Beispiel 2a: Heterokoagulatfreier LackExample 2a: Heterocoagulate-free lacquer

9,68 g Bayhydrol XP 2645 (OH-haltige Polyacrylatdispersion, Bayer MaterialScience AG, Leverkusen, D) wurde mit 0,48 g Butoxyl und 7,34 g entionisiertem Wasser gemischt und anschließend mit 2,5 g Bayhydur XP 2655 (hydrophiles Polyisocyanat, Bayer MaterialScience AG, Leverkusen, D) gemischt. Das NCO/OH-Verhältnis lag bei 1,8. Anschließend wurde mit Hilfe eines Rakels 240 μm Nassschichtdicke auf eine Glassplatte aufgetragen und 30 min bei 60°C ausgehärtet. Es wurde ein klarer Film erhalten.9.68 g of Bayhydrol XP 2645 (OH-containing polyacrylate dispersion, Bayer MaterialScience AG, Leverkusen, D) was mixed with 0.48 g of butoxyl and 7.34 g of deionized water and then mixed with 2.5 g of Bayhydur XP 2655 (hydrophilic polyisocyanate, Bayer MaterialScience AG, Leverkusen, D). The NCO / OH ratio was 1.8. Subsequently, with the aid of a doctor blade, 240 μm wet layer thickness was applied to a glass plate and cured at 60 ° C. for 30 minutes. A clear film was received.

Bespiel 2b: Lack mit je 30% (w) anorganischer Komponente aus Beispiel 1aExample 2b: Lacquer with 30% (w) of inorganic component from Example 1a

In einem Gefäß wurden 28,8 g Bayhydrol XP 2645 (OH-haltige Polyacrylatdispersion, Bayer MaterialScience AG, Leverkusen, D) mit 17,1 g Heterokoagulat aus Beispiel 1a kurz verrührt. In einem weiteren Gefäß wurde 5,1 g Bayhydur XP 2655 mit 1,0 g Butoxyl verrührt. Anschließend wurde die Bayhydur Lösung unter Rühren mit einer Meiserscheibe bei 2000 U/min in die Polyolkomponente Bayhydrol XP 2645 gegeben. Danach wurde mindestens 1 min mit der Meiserscheibe bei 2000 U/min gerührt. Der Ansatz wurde im Ultraschallbad ca. 5 min entgast. Der entgaste Lack wurde mit einem 200 μm Rakel aufgetragen und 60 min an der Luft, anschließend 30 min bei 60°C getrocknet. Der daraus resultierende Lack zeigte einen hohen Glanz sowie eine sehr hohe, trübungsfreie Transparenz.28.8 g of Bayhydrol XP 2645 (OH-containing polyacrylate dispersion, Bayer MaterialScience AG, Leverkusen, D) were briefly stirred in a vessel with 17.1 g of heterocoagulate from Example 1a. In another vessel, 5.1 g of Bayhydur XP 2655 was stirred with 1.0 g of butoxyl. Subsequently, the Bayhydur solution was added to the polyol component Bayhydrol XP 2645 with stirring with a Meiser disc at 2000 rpm. Thereafter, it was stirred for at least 1 minute with the Meiser disc at 2000 rpm. The batch was degassed in an ultrasonic bath for about 5 min. The degassed coating was applied with a 200 μm doctor blade and dried in the air for 60 minutes, then at 60 ° C. for 30 minutes. The resulting paint showed a high gloss and a very high, haze-free transparency.

Beispiel 2c: Lack enthaltend anorganische Komponente aus Beispiel 1bExample 2c: Lacquer containing inorganic component from Example 1b

8,71 g Bayhydrol XP 2645 (OH-haltige Polyacrylatdispersion, Bayer MaterialScience AG, Leverkusen, D) wurde mit 0,44 g Butoxyl, 6,43 g entionisiertem Wasser sowie 2,17 g einer Heterokoagulatdispersion aus Beispiel 1b gemischt und anschließend mit 2,5 g Bayhydur XP 2655 gemischt.8.71 g of Bayhydrol XP 2645 (OH-containing polyacrylate dispersion, Bayer MaterialScience AG, Leverkusen, D) was mixed with 0.44 g of butoxyl, 6.43 g of deionized water and 2.17 g of a Heterokoagulatdispersion from Example 1b and then with 2 , 5 g Bayhydur XP 2655 mixed.

Das NCO/OH-Verhältnis lag bei 1,8. Anschließend wurde mit Hilfe eines Rakels 240 μm Nassschichtdicke auf eine Glassplatte aufgetragen und 30 min bei 60°C ausgehärtet. Der Gehalt an anorganischem Heterokoagulat im ausgehärteten Film betrug ca. 30 Gew.-%. Es wurde ein klarer Film erhalten. Tabelle 1 Erfindungsgemäß 2b Bsp. Erfindungsgemäß 2c Bsp. Vergleich Bsp. 2a 1Oberflächenhärte [N/mm2] 221 306 211 1Tiefenhärte [N/mm2] 172 206 152 1Eindringmodul [GPa] 3,9 4,2 3

  • 1Werte aus Mikrohärtemessung entsprechend DIN EN ISO 14577
The NCO / OH ratio was 1.8. Subsequently, with the aid of a doctor blade, 240 μm wet layer thickness was applied to a glass plate and cured at 60 ° C. for 30 minutes. The content of inorganic heterocoagulate in the cured film was about 30 wt .-%. A clear film was received. Table 1 According to the invention 2b Ex. According to the invention 2c Example Comp. Ex. 2a 1 surface hardness [N / mm 2 ] 221 306 211 1 depth hardness [N / mm 2 ] 172 206 152 1 penetration module [GPa] 3.9 4.2 3
  • 1 values corresponding to microhardness measurement DIN EN ISO 14577

Wie aus Tabelle 1 ersichtlich, zeigen Beschichtungen aus erfindungsgemäßen Dispersionen enthaltend Heterokoagulate verbesserte mechanische Eigenschaften. Eine Stabilisierung der Heterokoagulate für eine bessere Transparenz war nicht erforderlich (siehe Beispiele 1a und 1b). Die unmodifizierten Heterokoagulate aus Beispiel 1b (Lack Beispiel 2c) zeigten sogar bessere Ergebnisse hinsichtlich Härte und Eindringmodul.As can be seen from Table 1, coatings of dispersions according to the invention containing heterocoagulates show improved mechanical properties. Stabilization of the heterocoagulates for better transparency was not required (see Examples 1a and 1b). The unmodified heterocoagulates from Example 1b (Example 2c lacquer) showed even better results in terms of hardness and penetration modulus.

Vergleichsbeispiel 1a: Lack mit reinem CeO2 Comparative Example 1a: Lacquer with pure CeO 2

168 g CeO2 – Dispersion (Nyacol, essigsauer) mit w(CeO2) = 0,2 wurde mit 168 g PAS2000-Lösung (w(PAS2000) = 0,1) kräftig in einer Flasche geschüttelt und anschließend mit 2-Dimethlyaminoethanol auf pH 9 eingestellt. Diese Mischung wurde zwei Stunden bei 25000 U/min zentrifugiert. Der Überstand wurde verworfen und das Sediment in Wasser redispergiert. Der Zentrifugationsvorgang wurde zweimal wiederholt. Danach wurden die Sedimente vereinigt und in ca. 30 mL Wasser redispergiert. Der Feststoffgehalt betrug 12,7% CeO2.168 g of CeO 2 dispersion (Nyacol, acetic acid) with w (CeO 2 ) = 0.2 was vigorously shaken in a bottle with 168 g of PAS2000 solution (w (PAS2000) = 0.1) and then mixed with 2-dimethlyaminoethanol pH 9 adjusted. This mixture was centrifuged for two hours at 25,000 rpm. The supernatant was discarded and the sediment redispersed in water. The centrifugation procedure was repeated twice. The sediments were then combined and redispersed in about 30 ml of water. The solids content was 12.7% CeO 2 .

In 15,0 g Bayhydrol XP 2645 (OH-haltige Polyacrylatdispersion, Bayer MaterialScience AG, Leverkusen, D) wurden 15,7 g der CeO2-Dispersion gegeben und mit der Meiserscheibe homogenisiert (ca. 700 U/min). Separat dazu wurden 2,65 g Bayhydur XP 2570 mit 0,52 g Butoxyl (per Hand) verrührt. Die Isocyanatlösung wurde unter Rühren mit der Meiserscheibe bei 2000 U/min in die Polyolkomponente gegeben und 2 mm bei dieser Drehzahl gerührt. Der Lack wurde mit 200 μm Rakel auf eine Glasplatte aufgerakelt und 45 min bei RT, anschließend 30 min bei 60°C getrocknet.15.9 g of the CeO 2 dispersion were added to 15.0 g of Bayhydrol XP 2645 (OH-containing polyacrylate dispersion, Bayer MaterialScience AG, Leverkusen, D) and homogenized with the Meiser disc (about 700 rpm). Separately, 2.65 g Bayhydur XP 2570 was stirred with 0.52 g butoxyl (by hand). The isocyanate solution was added to the polyol component with stirring with the Meiser disc at 2000 rpm and stirred for 2 mm at this speed. The varnish was knife-coated onto a glass plate with a 200 μm doctor blade and dried at RT for 45 min, then at 60 ° C. for 30 min.

Der daraus resultierende Lack zeigte zwar einen hohen Glanz, dessen Transparenz war jedoch von einer nicht vernachlässigbaren Trübung beeinträchtigt.Although the resulting varnish showed a high gloss, its transparency was affected by a not negligible haze.

Vergleichsbeispiel 1b: Lack mit reinem SiO2 (Levasil) → Vergelung, FilmtrübungComparative Example 1b: Lacquer with pure SiO 2 (levasil) → gelling, film turbidity

90,63 g Bayhydrol XP 2645 (OH-haltige Polyacrylatdispersion, Bayer MaterialScience AG, Leverkusen, D) wurde mit 109,37 g Silicadispersion Levasil 300 (30%-ig in Wasser, Fa. H. C. Starck, Leverkusen) gemischt. Die Dispersion hatte einen Festkörpergehalt von 33,4 Gewichtsprozent und einen OH-Gehalt von 0,54 Gewichtsprozent. Nach 2 Tagen Lagerung bei Raumtemperatur vergelte diese Dispersion.90.63 g of Bayhydrol XP 2645 (OH-containing polyacrylate dispersion, Bayer MaterialScience AG, Leverkusen, D) was mixed with 109.37 g of silica dispersion Levasil 300 (30% strength in water, H.C. Starck, Leverkusen). The dispersion had a solids content of 33.4 weight percent and an OH content of 0.54 weight percent. After storage for 2 days at room temperature, this dispersion repaid.

13,53 g der frisch hergestellten Mischung wurde mit 4,91 g Wasser sowie 1,56 g Bayhydur 3100 (hydrophilen Polyisocyanat, NCO-Gehalt 17,4%, Viskosität 2800 mPas bei 23°C, BayerMaterialScience AG, Leverkusen) abgemischt. Das NCO/OH-Verhältnis lag bei 1,5. Anschließend wurde mit Hilfe eines Rakels 240 μm Nassschichtdicke auf eine Glassplatte aufgetragen und 30 mm bei 60°C ausgehärtet. Der Gehalt an anorganischem SiO2 im ausgehärteten Film betrug ca. 50% fest/fest. Die Beschichtung zeigte eine starke Trübung.13.53 g of the freshly prepared mixture was mixed with 4.91 g of water and 1.56 g of Bayhydur 3100 (hydrophilic polyisocyanate, NCO content 17.4%, viscosity 2800 mPas at 23 ° C., Bayer MaterialScience AG, Leverkusen). The NCO / OH ratio was 1.5. Subsequently, using a doctor blade, 240 μm wet layer thickness was applied to a glass plate and cured at 60 ° C. for 30 mm. The content of inorganic SiO 2 in the cured film was about 50% solid. The coating showed a strong haze.

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  • Garnett, Bruggemann, Looyenga, etc.; siehe auch U. Kreibig, M. Vollmer: In „Optical Properties of Metal Clusters”, Springer Series in Material Science, Springer-Verlag Berlin, Heidelberg 1995; Kap. 2.3, S. 123–186 [0019] Garnett, Bruggemann, Looyenga, etc .; See also U. Kreibig, M. Vollmer: In "Optical Properties of Metal Clusters", Springer Series in Materials Science, Springer-Verlag Berlin, Heidelberg 1995; Cape. 2.3, pp. 123-186 [0019]
  • DIN EN ISO 14577 [0056] DIN EN ISO 14577 [0056]

Claims (13)

Lacksystem enthaltend eine wässrige Bindemitteldispersion aus polymeren, organischen Bindemitteln und Heterokoagulate, wobei die Heterokoagulate von funktionellen Nanoteilchen und Neben-Nanoteilchen gebildet werden.Paint system containing an aqueous binder dispersion of polymeric, organic binders and heterocoagulates, wherein the heterocoagulates of functional nanoparticles and minor nanoparticles are formed. Lacksystem nach Anspruch 1, wobei die Heterokoagulate mindestens eine anorganische Komponente enthalten.The paint system of claim 1, wherein the heterocoagulates contain at least one inorganic component. Lacksystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei das Bindemittel ein ein- oder ein zweikomponentiges Polyurethansystem ist.Paint system according to one of claims 1 or 2, wherein the binder is a one- or a two-component polyurethane system. Lacksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Heterokoagulate eine Zusammensetzung mit einem mittleren Brechungsindexunterschied aufweisen, der kleiner als 0,2, bevorzugt kleiner als 0,1, besonders bevorzugt kleiner als 0,02 und ganz besonders bevorzugt kleiner als 0,005 ist.A coating system according to any one of claims 1 to 3, wherein the heterocoagulates have a composition with a mean refractive index difference which is less than 0.2, preferably less than 0.1, more preferably less than 0.02, and most preferably less than 0.005. Lacksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die funktionellen Nanoteilchen im Heterokoagulat nicht oder nur in geringen Anteilen homokoaguliert vorliegen, und die einzelnen funktionellen Nanoteilchen oder die in geringen Anteilen homokoagulierten funktionellen Nanoteilchen im Heterokoagulat räumlich möglichst weit voneinander getrennt angeordnet und weitestgehend gleichmäßig verteilt sind.Coating system according to one of claims 1 to 4, wherein the functional nanoparticles are present in the heterocoagulate or only in small proportions homocoupulated, and the individual functional nanoparticles or in small proportions homocoagulated functional nanoparticles in the heterocoagulate spatially as far apart as possible and widely distributed evenly distributed , Lacksystem einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Größe der funktionellen Nanopartikel oder des homokoagulierten Anteils der funktionellen Nanoteilchen in den Heterokoagulaten kleiner als 50 nm, bevorzugt kleiner 20 nm und besonders bevorzugt kleiner als 10 nm ist.The paint system of any one of claims 1 to 5, wherein the size of the functional nanoparticles or the homocoagulated portion of the functional nanoparticles in the heterocoagulates is less than 50 nm, preferably less than 20 nm and more preferably less than 10 nm. Lacksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Heterokoagulate kleiner als 1 μm, bevorzugt kleiner als 300 nm und besonders bevorzugt kleiner als 100 nm sind.Paint system according to one of claims 1 to 6, wherein the heterocoagulates are less than 1 micron, preferably less than 300 nm and more preferably less than 100 nm. Lacksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Heterokoagulate zusammen mit weiteren Polymeren vorliegen.Paint system according to one of claims 1 to 7, wherein the heterocoagulates are present together with other polymers. Lacksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Volumenanteil an Heterokoagulat im Lacksystem zwischen 0,5 Vol% und 50 Vol%, bevorzugt zwischen 5 Vol% und 40 Vol% und besonders bevorzugt zwischen 10 Vol% und 35 Vol% und ganz besonders bevorzugt zwischen 15 Vol% und 30 Vol% beträgt.Paint system according to one of claims 1 to 8, wherein the volume fraction of heterocoagulate in the paint system between 0.5 vol% and 50 vol%, preferably between 5 vol% and 40 vol% and more preferably between 10 vol% and 35 vol% and very particularly is preferably between 15% by volume and 30% by volume. Lacksystem einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei im Heterokoagulat die funktionellen Nanoteilchen von den Neben-Nanoteilchen als partikuläre Schicht oder von dem Material der Neben-Nanoteilchen als kontinuierliche Schicht vollständig oder teilweise umhüllt sind.A paint system according to any one of claims 1 to 9, wherein in the heterocoagulate the functional nanoparticles are completely or partially enveloped by the minor nanoparticles as a particulate layer or by the material of the minor nanoparticles as a continuous layer. Lacksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die funktionellen Nanoteilchen aus Oxiden, insbesondere TiO2, CeO2, ZnO, Al2O3, Magnetit, Maghemit, dotierten Oxiden, insbesondere In2O3:Sn, SnO2:Sb, ZnO:Al, SnO:F, Boriden, insbesondere LaB6, und/oder Metallen, insbesondere Au, Ag, Cu, Pt bestehen.Paint system according to one of claims 1 to 10, wherein the functional nanoparticles of oxides, in particular TiO 2 , CeO 2 , ZnO, Al 2 O 3 , magnetite, maghemite, doped oxides, in particular In 2 O 3 : Sn, SnO 2 : Sb, ZnO: Al, SnO: F, borides, in particular LaB 6 , and / or metals, in particular Au, Ag, Cu, Pt. Lacksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Neben-Nanoteilchen aus Silica, fluorhaltigen Verbindungen, insbesondere Alkali- oder Erdalkalifluoriden, und/oder aus Gas-enthaltenden nanoporösen Materialien bestehen.Paint system according to one of claims 1 to 11, wherein the minor nanoparticles of silica, fluorine-containing compounds, in particular alkali or alkaline earth fluorides, and / or consist of gas-containing nanoporous materials. Verwendung eines Lacksystems nach einem der Ansprüche 1 bis 12 zur Herstellung von Beschichtungen insbesondere auf Kunststoffen, besonders bevorzugt auf Polycarbonat, PMMA oder PET.Use of a coating system according to one of claims 1 to 12 for the production of coatings, in particular on plastics, particularly preferably on polycarbonate, PMMA or PET.
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