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Hintergrund der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer
Dispersion von kleinen Partikeln in einem flüssigen Medium.
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Es
ist oftmals wünschenswert
oder notwendig, eine Dispersion aus einem festen oder partikulären Material
in einer Flüssigkeit
oder einem anderen festen Medium herzustellen. Die Zugabe von Pigmenten
zu Öl und
wässrigen
Farben (oder Latexfarben) sind hervorragende Beispiele von Dispersionen
von einem oder mehreren festen Pigmenten in einem fluiden Träger, welcher
eine kontinuierliche flüssige
Phase bildet. In ähnlicher
Weise werden Pigmente und organische Farbstoffe zu festen Materialien
zugegeben, um Materialien, die ansonsten farblos sind, Farbattribute
zu vermitteln. Die Technologie zum Herstellen derartiger Typen von Dispersionen
ist gut bekannt. Typischerweise werden wässrige Partikeldispersionen
mit dem Material der kontinuierlichen Phase in einem Verfahren kombiniert,
das als Schlämmen
(flushing) bezeichnet wird. Die Partikel werden in die kontinuierliche
Phase eingebaut, und das Wasser wird entweder abgegossen oder durch
Erwärmen
unter Vakuum entfernt.
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Die
Bildung von Dispersionen kleiner Partikel wird erschwert durch die
Tendenz der Partikel, zu großen makroskopischen
Aggregaten zu agglomerieren. Große Aggregate sind unerwünscht, da
sie für
den Fall von Pigmenten zu einer ungleichförmigen Färbung, oder für den Fall
von anderen Additiven zu ungleichförmigen physikalischen Eigenschaften
führen.
Bei wässrigen
Dispersionen von kleinen Partikeln werden oberflächenaktive Mittel verwendet,
um die Partikel gegen eine erneute Agglomeration zu "stabilisieren" und dadurch die vorstehend
genannten Probleme zu verhindern.
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Bei
nicht-wässrigen
Medien ist die Rolle von oberflächenaktiven
Mitteln weniger gut verstanden. Kleine Partikel, die in nicht-wässrigem
Medium dispergiert sind, leiden an den gleichen Agglomerationsproblemen wie
diejenigen in wässrigen
Medien; das Verhalten von Molekülen,
welche oberflächenaktiven
Mitteln ähnlich sind,
in nicht-wässrigen
Medien ist jedoch vermutlich sehr verschieden von dem in wässrigen
Medien. Wenn die Agglomeration von kleinen Partikeln in dem nichtwässrigen
Medium überwunden
werden kann, stellt die nichtwässrige
Dispersion für
die Bildung anderer Feststoff-Flüssigkeit-,
Feststoff-Feststoff- und Feststoff-Semifeststoff-Dispersionen signifikante Vorteile bereit.
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Obwohl
die Bildung von nicht-wässrigen
oder auf Öl
basierten Partikeldispersionen gut bekannt ist, ist deren Verwendung
als Intermediate bei der Bildung von anderen Typen an Partikeldispersionen
nicht gut bekannt. US Patent Nr. 6,162,535 beschreibt beispielsweise
die Herstellung von Fasern, welche Partikel aus einem ferroelektrischen
Material enthalten. Die Herstellung von Fasern erfordert zunächst die
Bildung einer Dispersion der Partikel in einem nicht-wässrigen
Lösungsmittel,
und danach das Dispergieren der Partikel in einem organischen Wachs.
Die vorliegende Erfindung stellt eine Verbesserung bei der Herstellung
der Wachsdispersion dar.
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NL-A-6
415 054 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von Multifilamenten,
die pigmentierte Polymere umfassen. Das Verfahren umfasst das Herstellen
von pigmentierten linearen Polymeren durch Zugabe einer Pigmentsuspension,
umfassend ein Pigment, ein Dispergiermittel und einen fluiden Träger, z.B.
ein Alkyl-substituiertes Pyrrolidon, zu einer Polymerschmelze. Die
Pigmente können
organisch oder anorganisch sein.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer
Dispersion von kleinen Partikeln in einem flüssigen oder polymeren Medium.
In jedem Fall bildet das flüssige
oder polymere Medium eine kontinuierliche Phase, während die
Partikel als eine diskontinuierliche Phase vorhanden sind. Die vorliegende
Erfindung geht manche der vorstehend genannten Schwierigkeiten und
Probleme an, indem ein Verfahren zum Herstellen einer Dispersion
aus ferroelektrischen oder ferromagnetischen Partikeln in einer
organischen Komponente bereitgestellt wird, wobei das Verfahren
derart ist, wie in Anspruch 1 definiert.
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Ausführliche Beschreibung der Erfindung
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Die
organische Komponente ist ausgewählt
aus Monomeren, oligomeren Formen von Polyethylen, Polypropylen und
Polyisobutylen, welche bei einer Temperatur von 20-25°C flüssig sind,
Polyisobutylen (Mw = 100.000), Polyethylen
(Mw = 1.000-4.000) und Polypropylen (Mw = 1.000-4.000), welche bei einer Temperatur von
20-25°C
fest sind.
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Der
Begriff "ferroelektrisches
Material" wird hierin
in der Bedeutung eines kristallinen Materials, welches eine spontane
Polarisation besitzt, die durch Anlegen eines elektrischen Felds
erneut orientiert werden kann, verwendet. Der Begriff umfasst jede
Phase oder Kombination von Phasen, die eine spontane Polarisation
zeigen, deren Größe und Orientierung
in Abhängigkeit
von der Temperatur und extern angelegten elektrischen Feldern geändert werden
kann. Der Begriff soll auch ein einzelnes ferroelektrisches Material
und Gemische von zwei oder mehr ferroelektrischen Materialien der
gleichen Klasse oder von verschiedenen Klassen umfassen. Der Begriff
umfasst weiterhin ein "dotiertes" ferroelektrisches
Material, d.h. ein ferroelektrisches Material, das geringe Mengen
an Substitutionselementen enthält,
sowie feste Lösungen
derartiger Substitutionen in dem ferroelektrischen Wirtsmaterial.
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Die
Struktur von kristallinen Materialien wird typischerweise unter
Bezugnahme auf 32 verschiedene Symmetriegruppen beschrieben. Von
diesen sind 21 nicht-zentrosymmetrisch.
Das bedeutet, sie besitzen kein Symmetriezentrum. Von den nicht-zentrosymmetrischen
Gruppen sind 20 piezoelektrisch, und von diesen 20 werden nur 10
als pyroelektrisch bezeichnet. Pyroelektrische Materialien sind
dahingehend einzigartig, dass sie eine spontane elektrische Polarisation
aufweisen, welche direkt permanenten Dipolen zugeschrieben werden
kann, die auf dem Niveau der Einheitszelle in individuellen Kristallen
vorliegen. Die Ausrichtung von Dipolen entlang einer kristallographischen
Achse des Materials ergibt eine spontane Nettopolarisation in dem
Material. Pyroelektrische Materialien werden auch als polare Feststoffe
bezeichnet. Wie der Name impliziert, bezieht sich "pyroelektrisch" auf Änderungen
der Größe und Richtung
der spontanen Polarisation bei Änderungen
der Temperatur. Ferroelektrische Materialien sind eine Untergruppe
der spontan polarisierten pyroelektrischen Materialien. Die Größe und Richtung
der spontanen Polarisation bei ferroelektrischen Materialien hängen sowohl
von der Temperatur als auch der Gegenwart von extern angelegten
elektrischen Feldern ab.
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Alle
ferroelektrischen Materialien weisen einen "Curie- Punkt" oder eine "Curie-Temperatur" auf, was eine kritische Temperatur
bezeichnet, oberhalb von der die spontane Polarisation verschwindet.
Die Curie-Temperatur wird hierin oftmals als "Tc" bezeichnet.
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Beispiele
von ferroelektrischen Materialien umfassen ohne Einschränkung Perovskite,
Wolframbronzen, Bismutoxid-Schichtmaterialien,
Pyrochlore, Alaune, Rochellesalze, Dihydrogenphosphate, Dihydrogenarsenate,
Guanidin-Aluminiumsulfat
Hexahydrat, Triglycinsulfat, Colemanit und Thioharnstoff. Mehrere
der nützlicheren
dieser Klassen werden nachstehend ausführlich besprochen.
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Perovskite
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Perovskite
sind Mischmetalloxide mit einer Stöchiometrie ABO3.
Perovskite haben eine sehr einfache kubische Struktur, die aus Oktaedern
mit geteilten Sauerstoffen in den Ecken, mit kleinen, stark geladenen
Kationen wie Titan (Ti), Zinn (Sn), Zirkonium (Zr), Niob (Nb), Tantal
(Ta), und Wolfram (W), welche die zentrale B-Position der Oktaeder
besetzen, und geringer geladenen, großen Kationen wie Natrium (Na),
Kalium (K), Rubidium (Rb), Calcium (Ca), Strontium (Sr), Barium
(Ba) und Blei (Pb), etc., welche die Zwischenräume zwischen den Sauerstoffoktaedern
in den größeren 12-koordinierten
A-Positionen ausfüllen,
besteht. Die mit diesen Materialien assoziierte Ferroelektrizität entsteht
aus Gitterverzerrungen, welche unterhalb der Curie-Temperatur auftreten,
was zur Entwicklung sehr großer
Dipole innerhalb der Kristalle führt.
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Perovskite
sind einzigartig hinsichtlich ihrer Fähigkeit, ein breites Spektrum
von festen Lösungen
zu bilden, von einfachen binären
und ternären
Lösungen
zu sehr komplexen Lösungen
von mehreren Komponenten. Manche Beispiele umfassen, sind aber nicht
darauf beschränkt,
BaSrTiO3, KBaTiO3, Pb(Co0,25Mn0,25W0,5)O3, und zahlreiche
Formen von Bariumtitanat und Bleititanat, dotiert mit Nioboxid,
Antimonoxid und Lanthanoxid, um lediglich zur Veranschaulichung
ein paar zu nennen. Die Fähigkeit,
extensive feste Lösungen
von Verbindungen vom Perovskit-Typ zu bilden, ermöglicht es
dem Fachmann, systematisch die elektrischen Eigenschaften des Materials
zu ändern,
durch Bilden einer festen Lösung
oder Zugabe einer Dotierungsphase. Beispielsweise kann die Curie-Temperatur
von Bariumtitanat (BaTiO3) systematisch
von 130°C auf
490°C erhöht werden,
indem man Bariumionen gegen Bleiionen austauscht, wobei die obere
Grenze der Tc bei einem 100-prozentigen Austausch
durch Bleiionen erreicht wird. In ähnlicher Weise ist es allgemein
bekannt, dass die Tc von Bariumtitanat nach
und nach erniedrigt werden kann, indem man Bariumionen gegen Strontiumionen
austauscht.
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Pervoskit-verwandte oktaedrische
Strukturen
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Diese
Materialien haben eine Struktur, welche der der Perovskite ähnlich ist,
außer
dass sich die Sauerstoffoktaeder Kanten anstelle von Ecken teilen.
Von dieser Klasse sind nur zwei Materialien nennenswert, nämlich Lithiumniobat
(LiNbO3) und Lithiumtantalat (LiTaO3). Aus Gründen der Einfachheit sind diese
Materialien durch den Begriff "Perovskite" umfasst.
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Wolframbronzen
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Die
Wolframbronzen sind nicht-stöchiometrische
Substanzen mit der allgemeinen Formel MI nWO3, wobei 0 < n ≤ I und M ein
einwertiges Metallkation ist, am typischsten Natrium (Na). Die ferroelektrischen
Wolframbronzen haben typischerweise Werte von n ≤ 0,3. Zu dieser Familie von Materialien
gehören Verbindungen wie
Bleimetaniobat (PbNb2O6)
und Bleimetatantalat (PbTa2O6).
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Bismutoxid-Schichtmaterialien
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Diese
sind komplexe Schichtstrukturen von Perovskitlagen, zwischen denen
Bismutoxidlagen angeordnet sind. Eine typische Bismutoxid-Schichtverbindung
ist Blei-Bismutniobat (PbBiNb2O9).
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Pyrochlore
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Pyrochlore
sind wiederum Oktaeder, welche sich Sauerstoffe in den Ecken teilen, ähnlich wie
die Perovskite. Diese Familie von Verbindungen ist jedoch stärker eingeschränkt hinsichtlich
der Kationenaustausche, die durchgeführt werden können. Typische
Pyrochlore sind Cadmiumniobat und -tantalat und Bleiniobat und -tantalat.
Diese Materialien haben Curie-Temperaturen unterhalb von 200°K (–73°C), was ihre
Verwendung bei manchen Anwendungen beschränken könnte.
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Der
Begriff "ferromagnetisches
Material" wird hierin
in der Bedeutung eines kristallinen Materials verwendet, das eine
Restmagnetisierung besitzt, welche durch Anlegen eines Magnetfelds
induziert wird. Der Begriff umfasst jede Phase oder Kombination
von Phasen, welche eine Restmagnetisierung aufweisen, deren Größe in Abhängigkeit
von der Temperatur und einem angelegten Magnetfeld geändert werden
kann. Der Begriff umfasst singuläre,
binäre,
ternäre
oder höhere
Gemische von ferromagnetischen Materialien der gleichen Klasse oder
von verschiedenen Klassen. Der Begriff umfasst des Weiteren ein "dotiertes" ferromagnetisches Material.
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Der
Begriff "destrukturiert" und Variationen
davon bedeutet eine Größenverringerung
der Partikel des zu dispergierenden Materials. Die Begriffe "Partikel" und "agglomerierte Partikel" sollen Partikel
eines Materials bedeuten, welche nicht bearbeitet worden sind um
Partikelgrößen zu verringern.
Der Begriff "destrukturierte Partikel" bezeichnet "Partikel" oder "agglomerierte Partikel", welche bearbeitet
oder "destrukturiert" worden sind um Partikelgrößen zu verringern.
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Die
Partikel des zu dispergierenden Materials haben eine längste Dimension
in einem Bereich von 10 Nanometern bis 10 Mikrometern. Falls erforderlich,
können
die Partikel destrukturiert werden.
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Das
Destrukturieren der Partikel kann durch jedes Mittel bewerkstelligt
werden, das dem Durchschnittsfachmann bekannt ist. Beispielsweise
kann das Destrukturieren bewerkstelligt werden, indem man die Partikel
einer Bearbeitung in einer Kugelmühle, einer Reibungsmühle oder
einer Stiftmühle
unterzieht. Obwohl die Bearbeitungsbedingungen in Abhängigkeit
von der Konstruktion und dem Betrieb der verwendeten Kugelmühle variieren
werden, können
geeignete Bedingungen vom Durchschnittsfachmann leicht bestimmt
werden. Typischerweise wird das Destrukturieren in der Gegenwart
eines nichtwässrigen
Lösungsmittels
und eines oberflächenaktiven
Mittels ausgeführt,
wobei das oberflächenaktive
Mittel in dem Lösungsmittel
löslich
ist, und daran angepasst ist, die destrukturierten Partikel gegen
Agglomeration zu stabilisieren.
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Im
Allgemeinen verwendet das Verfahren der vorliegenden Erfindung eine
Dispersion von Partikeln in einem nicht-wässrigen
Lösungsmittel,
ein oberflächenaktives
Mittel, welches daran angepasst ist, die Partikel gegen Agglomeration
zu stabilisieren, und das polymere Vorläufermaterial. Wie bereits angemerkt,
werden das nicht-wässrige Lösungsmittel
und das oberflächenaktive
Mittel dazu verwendet, um eine Lösungsmitteldispersion
der Partikel zu bilden. Die Lösungsmitteldispersion
kann hergestellt werden durch eine Reihe von Verfahren zum Dispergieren
von Partikeln, wie etwa Mahlen in einer Kugelmühle, Mahlen mit kleinen Medien,
oder Mahlen unter hoher Scherung/in einer Reibungsmühle, um
nur ein paar zu nennen.
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Das
nicht-wässrige
Lösungsmittel
wird derart ausgewählt,
dass es einen Siedepunkt hat, der höher ist als die Erweichungstemperatur
eines polymeren Vorläufers,
der bei Umgebungstemperatur ein Feststoff ist, oder höher als
die Temperatur, welche erforderlich ist, um die Viskosität eines
flüssigen
polymeren Vorläufers auf
einen Punkt zu verringern, bei dem er gemischt werden kann. Zusätzlich muss
der Siedepunkt des Lösungsmittels
auch unter der Zersetzungstemperatur des polymeren Vorläufers liegen,
und/oder unter Temperaturen, welche Polymerisation initiieren können.
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Im
Allgemeinen kann jede Flüssigkeit
verwendet werden, welche für
das oberflächenaktive
Mittel ein Lösungsmittel
ist. Das oberflächenaktive
Mittel ist wiederum daran angepasst, die destrukturierten Partikel
gegen Agglomeration zu stabilisieren. Geeignete Flüssigkeiten
umfassen, lediglich als Beispiele, aliphatische Kohlenwasserstoffe,
wie etwa Hexan, Heptan, Octan und Decan; aromatische Kohlenwasserstoffe,
wie etwa Xylol, Toluol und Cumol; aliphatische Alkohole, wie etwa
2-Propanol, 1-Butanol,
1-Hexanol und Benzylalkohol; aliphatische Ketone, wie etwa Methylethylketon;
halogenierte Kohlenwasserstoffe, wie etwa Dichlormethan, Chloroform,
Kohlenstofftetrachlorid und Chlorbenzol; und polare Lösungsmittel,
wie etwa Tetrahydrofuran, N.N-Dimethylpyrrolidinon
und 1,1-Dimethyl-2-pyrrolidinon.
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Die
Flüssigkeit
wird wünschenswert
ein aliphatischer Alkohol mit etwa 3 bis etwa 10 Kohlenstoffatomen
sein. Beispielsweise kann der aliphatische Alkohol ein normaler
Alkohol mit etwa 4 bis etwa 10 Kohlenstoffatomen sein, wie etwa
1-Butanol, 1-Pentanol, 1-Hexanol, 1-Heptanol, 1-Octanol und 1-Nonanol. Als ein weiteres
Beispiel kann der aliphatische Alkohol eine verzweigte Alkylgruppe
umfassen. Beispiele derartiger Alkohole umfassen ohne Einschränkung 2-Propanol,
2-Butanol, 2-Methyl-2-propanol, 2-Pentanol, 3-Pentanol, 2-Methylbutanol, 3-Methylbutanol,
2-Hexanol, 3-Hexanol,
3,3-Dimethylbutanol, 3-Heptanol, 4-Heptanol, 2-Ethyl-1-pentanol, 4-Octanol, 3,3-Dimethyl-1-hexanol,
5-Nonanol, 6,6-Dimethyl-2-Heptanol,
5-Ethyl-3-heptanol, 2-Decanol
und 3,4,7-Trimethyl-1-heptanol.
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Die
Typen an oberflächenaktiven
Mitteln, welche im Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendet werden
können,
umfassen kationische, anionische, nicht-ionische und zwitterionische
oberflächenaktive
Mittel. In manchen Fällen
kann es wünschenswert
sein, ein Gemisch aus zwei oder mehr oberflächenaktiven Mitteln zu verwenden,
um die destrukturierten ferroelektrischen Partikel zu stabilisieren.
Beispiele von kationischen oberflächenaktiven Mitteln umfassen,
lediglich als Veranschaulichung, aliphatische und aromatische primäre, sekundäre und tertiäre Amine;
ethoxylierte Alkylamine; Aminoxide; Amid-verknüpfte Amine; und quaternäre Ammoniumsalze.
Beispiele von anionischen oberflächenaktiven
Mitteln umfassen, wiederum lediglich als Veranschaulichung, Carbonsäuren und
Salze; Sulfonsäuren
und Salze; Fettsäuren
wie etwa Oleinsäure;
Lignosulfonate; Alkylbenzolsulfonate; Alkylarylsulfonate; Petroleumsulfonate;
Sulfonate mit Ester-, Ether- oder Amidverknüpfungen; Schwefelsäureester
und Salze; sulfatierte Alkohole, sulfatierte ethoxylierte Alkohole;
sulfatierte ethoxylierte Alkylphenole; sulfatierte Säuren; sulfatierte
Amide; sulfatierte Ester; sulfatierte natürliche Fette und Öle; ethoxylierte
Alkylphosphatester; Phosphorsäure-
und Polyphosphorsäureester
und Salze; phosphatierte Alkohole; phosphatierte Phenole; phosphatierte
alkoxylierte Alkohole; phosphatierte alkoxylierte Phenole; und Salze
von jeder Klasse von phosphatierten anionischen oberflächenaktiven
Mitteln. Beispiele von nichtionischen oberflächenaktiven Mitteln umfassen,
ebenfalls lediglich als Veranschaulichung, ethoxylierte Alkohole;
ethoxylierte Alkylphenole; ethoxylierte Carbonsäureester; Glyzerinester; Polyethylenglykolester; Sorbitester;
ethoxylierte natürliche
Fette und Öle;
Ethylen- und Diethylenglykolester; Propandiolester; und ethoxylierte
Carbonsäureamide.
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Das
oberflächenaktive
Mittel wird im Allgemeinen in einer Menge verwendet, welche ausreichend
ist um das destrukturierte ferroelektrische Material gegen Agglomeration
zu stabilisieren. Beispielsweise kann das oberflächenaktive Mittel in einem
Bereich von 0,01 bis 10 Gewichtsprozent, bezogen auf die Gesamtmenge
an ferroelektrischem Material, welches destrukturiert und gegen
Agglomeration stabilisiert wird, vorhanden sein. Wünschenswert
wird das oberflächenaktive
Mittel in einem Bereich von 0,01 bis 1 Gewichtsprozent vorhanden
sein.
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Das
Gemisch aus nicht-wässrigem
Lösungsmittel
und polymerem Vorläufer
kann aus einer oder zwei Phasen zusammengesetzt sein, wenn die Temperatur
des Gemisches bei oder oberhalb des Siedepunkts des nicht-wässrigen
Lösungsmittels
liegt. Im Falle eines Zweiphasensystems wird die Phasenzusammensetzung durch
die relativen Mischbarkeiten der Komponenten bestimmt. In der Nähe seines
Siedepunkts kann das nichtwässrige
Lösungsmittel
entweder als ein Lösungsmittel
oder als ein Nicht-Lösungsmittel
für den
polymeren Vorläufer
wirken. In jedem Falle lässt
das nicht- wässrige Lösungsmittel
den polymeren Vorläufer
bei oder in der Nähe
des Siedepunkts des nicht-wässrigen
Lösungsmittels
quellen.
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In
einer Ausführungsform
wird die Dispersion aus nicht-wässrigem
Lösungsmittel/Partikel
(oder Lösungsmitteldispersion)
mit dem polymeren Vorläufer
gemischt, während
sie erwärmt
wird, um das Lösungsmittel
durch Verdampfen zu entfernen, wodurch die Partikel, dispergiert
in dem polymeren Vorläufer,
zurückbleiben.
Wenn das Gemisch aus Lösungsmitteldispersion – polymerem
Vorläufer
beim Siedepunkt des Lösungsmittels
eine einzelne Phase ist, dann führt
die Verdampfung des flüchtigen
Lösungsmittels
dazu, dass die kleinen Partikel in einem Medium zurückbleiben,
das zunehmend an Vorläufer
angereichert ist. Wenn die vollständige Entfernung des Lösungsmittels
erreicht wird, wird sich eine Dispersion aus Partikel – polymerem
Vorläufer bilden.
Wenn das Gemisch aus Lösungsmitteldispersion – polymerem
Vorläufer
aus zwei Phasen besteht, werden sich die Partikel zwischen den zwei
Phasen verteilen, während
das flüchtige
Lösungsmittel
durch Verdampfen entfernt wird. Wiederum wird die vollständige Entfernung
des nicht-wässrigen
Lösungsmittels
zur Bildung einer Dispersion aus Partikel – polymerem Vorläufer führen.
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Die
vorliegende Erfindung wird durch die nachfolgenden Beispiele weiter
beschrieben. Solche Beispiele sollen jedoch nicht derart ausgelegt
werden, als ob sie den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung in
irgendeiner Weise einschränken
würden.
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Beispiel 1
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Herstellung einer Lösungsmitteldispersion
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Bariumtitanat
(BaTiO3) war TICON 5016, bezogen von Tam
Ceramics, Inc. (Niagra Falls, New York). Die Lösungsmitteldispersion wurde
hergestellt unter Verwendung eines Edelstahlmischtanks im Großmaßstab (ca.
130 Gal. oder 492 Liter), der mit einem pneumatisch angetriebenen
Rührer
ausgestattet war. Die Dispersion wurde durch eine Hochgeschwindigkeit-Stift/Reibungsmühle aus
Edelstahl prozessiert, welche durch einen 50 PS Elektromotor angetrieben
wurde, der bei 1750 UpM betrieben wurde. Der Mischtank und die Stift/Reibungsmühle waren
speziell angefertigt von der Standridge Color Corporation (Social
Circle, Georgia). Die untere Hälfte
des Mischtanks hatte die Form eines Trichters. Der Mischtank war
mit einer pneumatischen Pumpe verbunden, und die Pumpe war wiederum
mit der Stift/Reibungsmühle
verbunden, unter Verwendung eines biegsamen Schlauchs mit einem
Durchmesser von 2,5 Zoll (etwa 10 cm). Der Ausfluss aus der Mühle wurde
in die Oberseite des Mischtanks rückgeführt. Die pneumatische Pumpe
hatte eine Verdrängung
von 0,25 Gal. (etwa 0,95 Liter) pro Hub und wurde bei einer Geschwindigkeit
betrieben, die einen Fluss von 8-10 Gal./min (etwa 0,5-0,6 Liter/sec)
bereitstellte.
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Der
Mischtank wurde mit 190 lb (86,4 kg) 1-Butanol technischer Qualität befüllt. Danach
wurden 7,2 lb (3,27 kg) Rhodameen® PN430
(Rhone-Poulenc) unter heftigem Rühren
zugegeben. Das Bariumtitanat wurde in Teilmengen von 55 lb (etwa
25 kg) zugegeben, bis eine Gesamtmenge von 770 lb (etwa 350 kg)
zu dem Mischtank zugegeben worden war. Die Aufschlämmung wurde
in die Hochgeschwindigkeit- Stift/Reibungsmühle gepumpt
und während
etwa 30 min zu dem Mischtank rückgeführt. Die
resultierende 1-Butanol-Dispersion hatte
eine gleichförmige
Zusammensetzung und enthielt 80 Gewichtsprozent Bariumtitanat.
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Bildung einer Polyethylenwachsdispersion
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Die
80 gewichtsprozentige Bariumtitanat/1-Butanol-Dispersion wurde direkt zu einem geschmolzenen Polyethylenwachs
(PS-Wachs) mit niedrigem Molekulargewicht (Allied Signal A-C 16)
zugegeben. Im vorliegenden Beispiel wurden die stabilisierten kolloidalen
Partikel aus Bariumtitanat aus einer 1-Butanol-reichen Phase in
eine PE-Wachs-reiche
Phase verteilt, und das 1-Butanol wurde mittels Verdampfen entfernt.
Dieses Verfahren unterscheidet sich von Wasser/Wachs-Schlämmen dadurch,
dass das 1-Butanol oberhalb des Schmelzpunkts des A-C 16 PS-Wachses
siedet. Das Wachs wurde in einem durch Dampf erwärmten 150 Gal. (etwa 568 Liter)
Gefäß geschmolzen,
das mit rotierenden Blättern
ausgestattet war, welche das Gemisch langsam vermischen. Dampf wurde
dem Gefäß mit 50
psig zugeführt,
entsprechend einer Temperatur von etwa 297°F (etwa 147°C).
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In
diesem Beispiel wurden 969,20 lb. (440,55 kg) 1-Butanol/Bariumtitanat/Rhodameen® PN-430
Dispersion mit 190,8 lb. (86,73 kg) A-C 16 PS-Wachs kombiniert.
Das geschmolzene Wachs und die 1-Butanol-Dispersion wurden kontinuierlich
vermischt bis kein Alkoholdampf mehr über dem Gemisch nachgewiesen wurde.
Zu diesem Zeitpunkt wurde die BaTiO3/Rhodameen® PN-430/A-C
16 PS-Wachs Dispersion in eine Schale gegossen, um auf Raumtemperatur
abzukühlen.
Der erstarrte Wachskomposit wurde des Weiteren auf Trockeneistemperatur
abgekühlt
und zu einem groben Pulver gemahlen, zum Trockenmischen mit Polypropylen.
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Vermischen mit Polypropylen
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Der
BaTiO3/Rhodameen® PN-430/A-C
16 PE-Wachs-Komposit, 832 lb. (etwa 378 kg), wurde trocken mit 2.496
lb. (etwa 1339 kg) Montel Profax® PF-015
Polypropylen (PP) vermischt. Das trockene Gemischt wurde schmelzgemischt
unter Verwendung eines Einschnecken-Mischextruders, um ein Gemisch
zu erhalten, das 20 Gewichtsprozent Bariumtitanat enthält. Die
Untersuchung eines aus dem Gemisch hergestellten dünnen Films
unter einem optischen Mikroskop zeigte gut dispergierte kleine Partikel
in einer kontinuierlichen Polypropylen-Matrix.
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Beispiel 2
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Eine
600 lb. (etwa 273 kg) Teilmenge des in Beispiel 1 hergestellten
20-gewichtsprozentigen Konzentrats wurde danach mit 1800 lb. (etwa
818 kg) Montel Profax® PF-015 Polypropylen gemischt.
Dieses trockene Gemisch wurde unter Verwendung eines Einschnecken-Mischextruders
schmelzgemischt, wobei ein 5-gewichtsprozentiger Bariumtitanat/Polypropylen-Komposit
erhalten wurde.
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Bildung von Vliesen
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Vliese
wurden hergestellt auf einer 100 Zoll (etwa 2,5 Meter) Schmelzblasanlage,
im Wesentlichen wie in US Patent Nr. 3,849,241 von Buntin et al.
beschrieben. Die 100 Zoll breite Bahn wurde zu fünf Teilbahnen von 20 Zoll (etwa
51 cm) geschlitzt. Schmelzblasbedingungen wurden für alle Materialien
konstant gehalten. Alle Vliese hatten ein nominales Flächengewicht
von 0,6 osy (etwa 20 g/m2). Der 20-gewichtsprozentige
Bariumtitanat/Polypropylen-Komposit wurde in einem Verhältnis von
1 Teil zu 19 Teilen reinem Montel Profax® PF-015
Polypropylen trocken gemischt, um ein schmelzgeblasenes Vlies zu
erhalten, das etwa 1 Gewichtsprozent Bariumtitanat enthielt. Zusätzlich wurde
der 5-gewichtsprozentige Bariumtitanat/Polypropylen- Komposit ohne weitere
Verdünnung
verarbeitet. Schließlich
wurde reines Montel Profax® PF-015 Polypropylen schmelzgesponnen,
um eine Kontrolle herzustellen. Alle schmelzgeblasenen Vliese wurden
online unter identischen Bedingungen einer Elektretbehandlung unterzogen.
Die Elektretbehandlung wurde gemäß den Lehren von
US Patent Nr. 5,401,446 von Tsai et al., früher beschrieben, durchgeführt.
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ERGEBNISSE
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Luftfiltrationsmessungen
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Die
Luftfiltrationseffizienzen der schmelzgeblasenen Vliesbahnen wurden
bewertet unter Verwendung einer automatisierten Filtertestvorrichtung
(AFT, Automated Filter Tester) von TSI Inc. (St. Paul, Minnesota), Model
8110. Die Model 8110 AFT misst Druckabfall und Partikelfiltrationscharakteristika
für Luftfiltrationsmedien.
Die AFT verwendet einen Luftdruckzerstäuber, um ein Aerosol von Natriumchlorid-Partikeln von Submikrometergröße zu erzeugen,
welches als das Testaerosol zur Messung des Leistungsvermögens von
Filtern dient. Die charakteristische Größe der in diesen Messungen
verwendeten Partikel betrug 0,1 Mikrometer. Typische Luftstromraten
betrugen zwischen 31 Liter pro Minute und 33 Liter pro Minute. Der
AFT-Test wurde an einer Probenfläche
von ca. 140 cm2 durchgeführt. Das Leistungsvermögen oder
die Effizienz eines Filtermediums wird ausgedrückt als der Prozentanteil an
Natriumchlorid-Partikeln,
welche durch den Filter hindurch treten, bzw. den Filter penetrieren.
Penetration ist definiert als Transmission eines Partikels durch
das Filtermedium. Die transmittierten Partikel wurden stromabwärts des
Filters nachgewiesen. Die prozentuale Penetration (% P) gibt das
Verhältnis
der Auszählung
der Partikel stromabwärts
zur Auszählung
der Partikel stromaufwärts wieder.
Lichtstreuung wurde zum Nachweis und zur Auszählung der Natriumchlorid-Partikel verwendet.
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Proben
von schmelzgeblasenem Material wurden von zehn Kreuzdeckelpositionen
der vorstehend beschriebenen Vliese entnommen (d.h. 2 pro 20 Zoll
Schlitz). Die Proben wurden als ebene Lagen von etwa 8 Zoll im Quadrat
ausgeschnitten. Für
den Druckabfall (Δp
in mm H2O) und die prozentuale Partikelpenetration (%
P) wurden wenigstens 20 Proben bewertet. Die Tabellen 1 bis 3 fassen
die Daten des Druckabfalls und der Partikelpenetration für die Kontrolle
(Montel Profax PF-015) und die Bariumtitanat-enthaltenden Formulierungen
zusammen.
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Tabelle
1 Luftfiltrationsergebnisse
für Polypropylen-Kontrollbahnen
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Tabelle
2 Luftfiltrationsergebnisse
für Polypropylenbahnen,
die 1 Gewichtsprozent BaTiO
3 enthalten
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Tabelle
3 Luft
filtrationsergebnisse für
Polypropylenbahnen, die 5 Gewichtsprozent BaTiO
3 enthalten
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Die
in den Tabellen 1 bis 3 dargestellten Daten des Drucksabfalls (Δp) und der
prozentualen Partikelpenetration zeigen klar das überlegene
Filtrationsleistungsvermögen
der schmelzgeblasenen Bahnen, die aus den Bariumtitanat/PP-Kompositmaterialien
hergestellt waren. Alle untersuchten Bahnen sind gekennzeichnet durch
ein Kreuzdeckelprofil in den Daten des Druckabfalls und der Penetration.
Die Form des Profils ist unabhängig
vom Material. Der über
die Bahn gemessene Druckabfall scheint für jedes der drei abgebildeten
Materialien identisch zu sein. Dies legt nahe, dass Faser- und Bahnbildung
unabhängig
sind von dem Material, das versponnen wird (d.h. Polypropylen gegenüber Bariumtitanat/PP-Komposit).
Im Gegensatz dazu ist die prozentuale Partikelpenetration sowohl
für die
1-gewichtsprozentige
als auch die 5-gewichtsprozentige BaTiO3-Formulierung
signifikant niedriger, im Vergleich zur Polypropylenkontrolle. Somit
zeigt der Bariumtitanat/PP-Komposit
im Vergleich zu der Polypropylenkontrolle für einen gegebenen Druckabfall
durch die Bahn ein besseres Filtrationsleistungsvermögen (d.h.
eine geringere Partikelpenetration).
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Beispiel 3
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Die
Vorgehensweise von Beispiel 1 wurde wiederholt, außer dass
das Bariumtitanat durch Bleititanat ersetzt wurde, und dass das
Destrukturieren der Partikel mittels Mahlen in einer Kugelmühle, wie
nachstehend beschrieben, bewirkt wurde.
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Bei
einer typischen Charge wurden annähernd 1 kg Bleititanat heftig
mit 1,6 L Butanol und 4-5 ml des oberflächenaktiven Mittels gerührt. Die
resultierende Aufschlämmung
wurde in ein 6,2 L Roalox Keramikmahlgefäß (U.S. Stoneware, East Palestine,
Ohio) gegossen, das mit 21 lb. (etwa 5,4 kg) Zirkoniumoxid-Mahlmedium
(U.S. Stoneware) beladen worden war. Das Gefäß wurde während eines Zeitraums von 48
Stunden auf einer U.S. Stoneware Einheitskugelmühle, Model 764AVM, bei 70 UpM
rotiert. Am Ende des Mahlzeitraums wurde die resultierende Dispersion
mit Polyethylenwachs kombiniert, wie in Beispiel 1 beschrieben.
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Beispiel 4
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Die
Vorgehensweise von Beispiel 3 wurde nochmals wiederholt, außer dass
das Bleititanat durch Magnetit, ein ferromagnetisches Material,
ersetzt wurde. Die Dispersion wurde in 1-Butanol unter Verwendung von
Oleinsäure
als dem oberflächenaktiven
Mittel gebildet. Das Destrukturieren der Partikel wurde bewirkt
mittels Mahlen in einer Kugelmühle
in einem 2 L Edelstahlmahlgefäß (U.S.
Stoneware), unter Verwendung von 440 Edelstahl-Mahlmedium. Das Gefäß wurde
zu seinem halben Volumen mit dem Mahlmedium gefüllt. Das Mahlgefäß wurde
danach während
eines Zeitraums von 7 Tagen auf einer U.S. Stoneware Einheitskugelmühle, Model
764AVM, bei 70 UpM rotiert.
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Beispiel 5
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Die
Vorgehensweise von Beispiel 4 wurde wiederholt, außer dass
der Magnetit durch ein anderes ferromagnetisches Material, Bariumferrit,
ersetzt wurde.
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Beispiel 6
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Die
Vorgehensweise der Beispiele 4 und 5 wurde wiederholt, außer dass
das verwendete oberflächenaktive
Mittel ein ethoxylierter Alkylphosphatester war, Rhodafac® RE-610
(Rhone-Poulenc).
