FOROXID

BAYERISCHER FORSCHUNGSVERBUND MULTISKALENDESIGN OXIDISCHER FUNKTIONSMATERIALIEN

TP 4: Nasschemische Synthese kristalliner Titandioxid-Nanopartikel mit Kern/Schale-Struktur

Arbeitsfeld:

Kunststoffbrillengläser haben wegen ihrer Bruchsicherheit und ihrem geringen Gewicht hohe Anteile am Brillenoptikmarkt erreicht. Da inzwischen auch organische Polymere mit hohen Brechzahlen (Polythiourethane) zur Verfügung stehen, kann auch die bisherige Domäne der anorganischen Silicatgläser im Bereich n > 1,65 erreicht werden. Organische Polymere besitzen jedoch den Nachteil geringer Kratz- und Wischfestigkeit, wodurch ihre Gebrauchstauglichkeit stark vermindert wird. Sie müssen daher durch abriebfeste Beschichtungen vor mechanischem Verschleiß geschützt werden. Die bisher eingesetzten Polysiloxanlacksysteme weisen Brechzahlen um 1,5 auf und sind daher für die bisherigen Kunststoffe auf Basis von Diethylenglykol-bis(allyl)carbonat-polymerisaten (CR39, n = 1,50) optimal geeignet. Für hoch-brechende Materialien (z. B. aromatische Polycarbonate, n = 1,586) wurden Hetero-polysiloxanlacke (Ti-haltig, thermisch härtend, n = 1,53) entwickelt, die für Brechzahlen oberhalb von n = 1,60 wegen der eingesetzten Schichtdicken von 2-3 µm aber nicht mehr geeignet sind. Daher sollen in diesem Projekt sehr kleine, kristalline Nanopartikel aus TiO2 hergestellt und eingesetzt werden, um Brechzahlen der Schichten deutlich oberhalb von n = 1,60 zu erreichen. Ein großes Problem bei der Herstellung und Anwendung von oxidischen Nanopartikeln (Partikelgrößen unter 100 nm) ist ihre Agglomeration, welche die Ausnutzung von Eigenschaften verhindert, die an die Nanoskaligkeit gebunden sind (z. B. Transparenz). Eine Redispergierung auf Nanodimensionen ist oft nicht oder nur mit unverhältnismäßig hohem Aufwand möglich. Die Lösung der in diesem Teilprojekt gestellten Aufgabe erfordert die stabile Einbettung von kleinen (ca. 10 – 20 nm), hochbrechenden (n > 2,0), und damit notwendigerweise kristallinen Partikeln aus TiO2 (Rutil oder Anatas) in eine Hybridpolymermatrix (n > 1,52), um so eine in der Brechzahl an das Substrat angepasste Kratzfestbeschichtung für neue, hochbrechende Kunststofflinsen herstellen zu können. Die Nanoskaligkeit der Partikel soll optisch auffällige Streueffekte in der Beschichtung verhindern. Eine monodisperse Partikel-größenverteilung könnte ebenfalls vorteilhaft sein. Da TiO2 unter Einwirkung von UV-Licht die oxidative Zersetzung von Kohlenstoffverbindungen katalysiert, muss voraussichtlich der direkte Kontakt der Hybridpolymermatrix mit den TiO2-Nanopartikeln verhindert werden. Dies wird durch eine inerte oxidische (z.B. SiO2, wahlweise auch ZrO2 oder Aluminiumoxid) Beschichtung der TiO2-Partikel erreicht. Auf diese Weise erhält das angestrebte Nanoteilchen eine Kern/Schale-Struktur (s. Abb. 1, unten). Der gesamte Prozess kann von der Partikelsynthese bis einschließlich der fertigen Beschichtung auf der Kunststofflinse so geführt werden, dass der nanodisperse Zustand des Nanofüllstoffes ständig aufrechterhalten wird. Da das Dispergiermedium (mit Ausnahme des Matrixmaterials (Hybridpolymer) der fertigen Beschichtung) stets eine Flüssigkeit ist, darf die maximal auftretende Prozesstemperatur selbst unter Druckbedingungen kaum höher als 200°C liegen. Dies ist auch im Hinblick auf eine technische Durchführung zu fordern. Isolation und damit Agglomeration der Partikel soll lediglich für charakterisierende und analytische Untersuchungen (z.B. Transmissions-Elektronenmikroskopie TEM) erfolgen.