CN101006014A - 多功能添加剂 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及透明传导性氧化物材料。根据本发明，提供的所述氧化物材料具有至少一种能够改变光谱特性的金属。

Description

多功能添加剂
技术领域
本发明涉及独立权利要求中要求保护的内容。因此，本发明主要涉及透明传导性氧化物材料及其应用。
背景技术
透明传导性氧化物材料通常是公知的。因此，除贵重金属之外，还使用氧化物材料如ATO(SnO2:Sb)、AZO(ZnO:Al)或ITO(In2O3:Sn)，这些材料作为薄膜能降低玻璃窗对IR照射的透光度。为此，通常将氧化物材料通过蒸汽沉积法应用于玻璃窗。形成的致密层使红外线照射的透射降低，而在可见光区是透明的，使得玻璃窗可以用作建筑物或汽车领域的窗子。
尽管通用的蒸汽沉积法是平板玻璃部门的标准方法，但是由于材料消耗大、装置相对昂贵使其造价很高，只有对高通量级别是经济合算的。另外，蒸汽沉积不太适用于塑料或类似材料，以及具有明显弯曲形状的几何体。
目在，正是在汽车领域需要使用塑料材料来替代玻璃。但是，由于塑料材料通常也是可透过IR的，在这种塑料材料上应用IR-防护层从而抵消内部的加热升温对车内环境是有益的。但如上文所述，采用蒸汽沉积只是在一定程度上可行。
之前已经尝试过制备涂层塑料材料之外的IR-吸收塑料材料。因此，在另一方面，将使塑料材料红外线透射降低的氧化物材料与塑料混合；另一方面，加入使塑料材料对紫外线辐射具有一定阻抗的氧化物材料。另外，在某些情况下甚至加入一些着色材料。
EP 0 893 409 B1已经公开了基于氧化锌的颗粒，该颗粒包括金属氧化物共沉淀物。后者含有另外的选自IIIb族和IVb族的金属元素以及锌。颗粒的平均尺寸为0.001至0.1μm。
US 2003/0224162 A1公开了一种以金属纳米颗粒溶液的形式用作涂层的透明传导性膜的制备方法，其中在涂覆步骤中将纳米颗粒中的金属氧化成金属氧化物。
DE 199 40 458 A1描述了一种半导体涂层材料的热转变方法，向固体形式的该半导体涂层材料施加交变电磁场，引起所述的转变。
DE 100 10 538 A1描述了一种具有光谱选择特性的防污涂层剂。
但是，人们发现在塑料材料中掺入大量不同的一般为无机的材料通常是有问题的，会降低塑料材料的加工性能。
发明内容
本发明的目的是提供一些新的商业用途。
这一问题的解决方案以独立权利要求的方式要求保护。优选的实施方案可见于从属权利要求。
因此，在第一个方面，本发明提供本身透明的传导性氧化物材料，所述的氧化物材料具有至少一种改变光谱特性的金属。
如本文所用，“金属”也指金属离子、数种金属或其离子的组合。通过引入该金属，氧化物材料的光谱特性(即透射、吸收和反射不同波长电磁辐射的能力)得以改变。出乎意料地，尽管氧化物材料本身的用量一般很低，但是提供这样少量、甚至更少量的痕量金属便可能使光谱特性发生可观的变化。
即使在进行所述的引入之后，氧化物材料仍然具有导电性，并保持透明。因此，出乎意料地，通过引入金属以所需的方式改变材料的光学特性，同时不丧失材料的其它所需特性，即传导性和透明度。顺便提及，“导电性”还包括电子半导体和材料的抗静电性能。目前，改变光谱特性的金属使原始的氧化物材料发生变化，与原始氧化物材料相比透射、反射和/或吸收行为不同。因此，可以得到具有许多种光谱特性的氧化物材料，因此可用于不同用途，例如，将其应用于支撑材料如玻璃窗，或者应用于诸如聚合物的材料上或其中。因此，通过引入单一材料中，可以实现红外线(IR)、紫外线(UV)透射和着色效应的变化；另外，对于同一种氧化物材料，着色效应可以仅由所选金属的种类和/或其浓度决定。尤其是；由于金属至多使氧化物材料的化学性能发生最小程度的变化，通常不会达到可察觉的程度，因此更加容易提供诸如具有所需材料特性的聚合物，因为不再需要考虑数种不同材料之间的相互作用。
具体地，可以在所述的透明传导性氧化物材料中提供至少两种不同的金属。因此，已知形式的氧化物材料可以已经具有一定的金属含量。在它的原始形式中，这种氧化物材料可以具有导电性，因此适用于使表面涂层能够至少具有抗静电性能等。现在，可以对氧化物材料另外地选择引入或应用第二种金属，以具备特定的颜色和/或其它光学特性。因此，通过选择两种金属，可以较选择一种金属充分更佳的方式使氧化物材料适于获得所需功能。
具体地，在所述的透明传导性氧化物材料中，可以存在有至少两种不同种类的金属，其总的浓度或优选每种的浓度至少为基于氧化物的0.5原子％(即0.5mol％)。
这些金属是合适的，并以指定方式设计成影响氧化物材料的特性。因此，由于金属的存在，氧化物可以具有传导性或光谱改变的效果作用。
具体地，所述的透明、传导性氧化物材料可以是纳米级的形式。因此，氧化物材料的平均粒径可以为基本上不超过1μm。即使粒径这样低，在本发明中仍可获得积极的效果。
与传统的氧化物材料类似，根据本发明的颗粒可以再分散在很多种介质中，因此可以将其引入到很多种聚合物和/或涂层和/或涂料中，使这些材料的多种特性同时得以改变。因此，例如，通过引入纳米级(nanoparticular)氧化物材料，塑料材料可以设计成具有颜色、IR防护和耐UV性。
具体地，在更优选的变体中，ITO(In2O3:Sn)可以用作起始的氧化物材料。已知ITO是一种IR吸收材料，也可以在蒸汽沉积中用作涂层材料。而且，已有将ITO与塑料材料混合以进行IR防护；因此，ITO作为涂层和添加剂的特性是已知的。现在，这种行为和特性已知的基础物质仅仅通过另外地加入金属便可以改变成具有所需的光谱特性。
具体地，所述透明传导性氧化物材料的晶粒尺寸小于1μm。因此，所述的氧化物材料优选是纳米分散的形式。以这种形式，根据本发明它可以尤其是均匀地引入到表面涂层或聚合物中。
具体地，所述的氧化物材料包括至少一种金属，该金属是金属离子。引入的金属或金属离子可以是主族元素，也可以是副族元素。具体地，可以是Fe3+、Fe2+、Co、Ni、Mn、Mo、Cr、Ti、Zr、Ag、Cu、Au、Al、Ga、Ge、W、Zn、Eu、Tb、Yb、Ce、V、Cd、Bi、Sb及其组合。
具体地，所述的透明传导性氧化物材料含有至少一种着色金属(coloring metal)。因此，除UV和/或IR防护之外，氧化物材料还可用于在涂料或聚合物中产生着色效果。具体地，所述的金属或所述的氧化物材料可以用下列方式进行选择：经引入着色金属后所述的氧化物材料保持传导性或至少保持抗静电。因此，通过仅仅加入一种物质，便可以形成抗静电、有色的塑料材料、涂料、涂层等。
另外，所述的透明传导性氧化物材料可以包括导致UV吸收更高的金属。因此，与原始的透明传导性氧化物材料相反，引入另一种金属可以导致UV吸收更高。因此，根据本发明的氧化物材料适于用作UV隔离物(blocker)，例如，用于增加塑料材料的UV防护性。因此，提供的无机UV隔离物制剂对漂白等具有极高的耐受性。
具体地，所述的氧化物材料可以包括适于导致红外线吸收特别高和/或使吸收迁移至所需区域的金属。氧化物材料仍然是传导性的，尽管加入的金属会导致红外线吸收增强。因此，可以得到透明、传导性、IR吸收特别好的氧化物材料。这对汽车领域或建筑中所需的透明窗的制备是非常有利的。
本发明还提供包括根据本发明的氧化物材料的塑料材料和/或涂层的添加剂。这些添加剂可以与塑料材料或涂层混合，从而使塑料材料或涂层具有前述的一种或多种特性。根据本发明，这种塑料材料和/或涂层可以用于由其制备窗玻璃或用其涂覆窗玻璃，从而使其光学特性得以改善。
具体地，根据本发明的颗粒可以分散在普遍用于涂料的多种溶剂中。例如，这些通常用于涂料的溶剂可以是下列溶剂：
水、醇(例如，乙醇、丙醇、异丙醇、丁醇)、酮(例如，丙酮、MEK)、二酮、二醇、卡必醇(carbitols)、乙二醇、二甘醇、三甘醇、乙二醇醚(例如，甲氧基-、乙氧基-、丙氧基-、异丙氧基-、丁氧基乙醇)、酯、乙二醇酯(例如，乙酸乙酯、乙酸丁酯、乙酸丁氧基乙酯、乙酸丁氧乙氧乙酯)、烷烃和烷烃混合物、芳族化合物(例如，甲苯、二甲苯)、DMF、THF、NMP、及其混合物或衍生物。
这些可以与粘合剂体系，例如，聚丙烯酸酯类(例如，PMMA)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚乙烯醇缩丁醛(PVB)、聚乙烯醇(PVA)、聚乙二醇、聚碳酸酯(PC)、聚苯乙烯、聚氨基甲酸酯、双酚类聚合物、聚砜、聚烯烃、聚酯、其混合物、和上述聚合物的低聚物和单体、纤维素衍生物(例如，甲基纤维素、羟丙基纤维素、硝基纤维素)混合，得到用于透明涂层的涂料体系。除纯有机粘合剂体系之外，还可以采用其它体系，特别是单体、低聚、以及聚合形式的硅氧烷、硅烷、和进一步的有机金属化合物。
这些涂料体系可以通过多种湿法(例如，印刷、喷涂、旋-浸涂(spin-dip coating))应用于基底(例如，玻璃、PC、PVC、PE、PP、PET、PMMA)。在明显低于100℃的温度下干燥后，得到光学上透明的结构。而且，还可以将这些颗粒引入UV固化的涂料体系。
此外，塑料材料和/或涂料可以包括根据本发明的氧化物材料。这种塑料材料或涂料的光谱特性因而得以改变。此外，由于所述氧化物材料的存在，塑料材料和/或涂料可以获得传导性或抗静电特性。
具体实施方式
下面提供了根据本发明的氧化物材料的实施例。这些实施例绝非对本发明进行限定，而只是起到说明的作用。
对比实施例1：
为进行比较，通过共沉淀法由水溶液制备纳米微晶ITO粉末(In2O3/SnO2)，其中通过增加pH值使可溶的In和Sn成分沉淀。在本实施例中，化合物的浓度选择成7原子％(基于In)。大体上，浓度可以在很宽的限度内任意调节。反应后，将产物分离出来，干燥，并在700℃下退火，对微晶相进行调节。将50克这种纳米微晶ITO的乙醇分散液(固含量为25wt.％)与50g Paraloid B72在乙酸乙酯中的聚合物溶液(15wt.％)混合。通过旋涂用这种涂层溶液对玻璃、PC或PMMA片进行涂层。在70℃下干燥，得到厚度大约为1μm的透明无色层。涂层的表面电阻在104至105Ω/平方之间。在图1中，将由此制备的ITO层的光谱特性或透射率对波长作图。
实施例2：
进一步，如对比实施例1，通过制备掺杂微晶的In2O3/SnO2(ITO)粉末，制备根据本发明的氧化物材料，不同之处在于，除起始的水溶液之外，加入浓度为5原子％(基于In)的可溶性Fe2+化合物。随后，如实施例1将其设置成层。层是透明的，但与实施例1相比具有金黄色。测定表面电阻为105Ω/平方。图2显示了透射曲线，以及由此制备的层的光谱特性随波长的变化关系。图2显示了根据本发明制备的基底的光学特性相对于对比实施例1的变化。如图所示，与对比实施例1相比，短波长光谱区的透射率明显降低。
实施例3：
如对比实施例1，制备透明传导性氧化物材料，不同之处在于加入7原子％的Fe2+。如对比实施例1，制备厚度为大约2μm的层。如对比实施例1，这些层是透明的，但是呈褐色。与对比实施例非常类似，表面电阻为105Ω/平方。
图3显示了这些层的透射曲线。
实施例4：
如实施例2，制备传导性氧化物材料，不同之处在于加入2原子％的钛化合物代替Fe2+。将60克该粉末以及60g来自对比实施例1的ITO各自分散在100g异丙氧基乙醇(IPE)中，将分散液与39g硝基纤维素混合。用该分散液，使用50μm刮刀在玻璃上制备涂层。在120℃下加热1小时之后，层的厚度为4μm。根据本发明的材料形成透明的淡蓝色涂层，表面电阻为103-104Ω/平方。图4显示，由此制备的层对UV照射的透射率较对比ITO层低。

Claims (10)

1.一利透明传导性氧化物材料，其特征在于所述的氧化物材料具有至少一种适于改变光谱特性的金属。
2.根据前述权利要求的透明传导性氧化物材料，其特征在于其具有至少两种不同的金属。
3.根据前述权利要求的透明传导性氧化物材料，其特征在于其具有至少两种不同种类的金属，每种金属的总浓度基于氧化物为至少0.5原子％。
4.根据前述权利要求中任意一项的透明传导性氧化物材料，其特征在于所述的氧化物材料是纳米级的。
5.根据前述权利要求中任意一项的透明传导性氧化物材料，其特征在于所述的氧化物材料是ITO。
6.根据前述权利要求中任意一项的透明传导性氧化物材料，其特征在于所述氧化物材料的晶粒尺寸和/或粒度小于1μm，尤其小于500nm，优选其比例为至少50％。
7.根据前述权利要求中任意一项的透明传导性氧化物材料，其特征在于所述的氧化物材料具有至少一种着色金属。
8.根据前述权利要求中任意一项的透明传导性氧化物材料，其特征在于所述氧化物材料具有至少一种适于导致UV投射率降低的金属。
9.一种塑料材料和/或涂层，其包括根据前述权利要求中任意一项的氧化物材料。
10.根据前述权利要求中任意一项的氧化物材料的制备方法。
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