WO1993025611A1 - Anorganische füllstoffe und organische matrixmaterialien mit brechungsindex-anpassung - Google Patents

Anorganische füllstoffe und organische matrixmaterialien mit brechungsindex-anpassung Download PDF

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Kurt Marquard
Günter Waitl
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Siemens AG
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Siemens AG
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    • C01P2006/60—Optical properties, e.g. expressed in CIELAB-values

Definitions

  • the invention relates to inorganic fillers and organic matrix materials with refractive index adjustment.
  • organic materials appear in which inorganic fillers are incorporated.
  • the inorganic fillers frequently have not only a substitute and dilution function, but also serve to modify the organic matrix material or only give it certain properties.
  • an application-specific adjustment of the optical refractive indices of filler and matrix material is desirable or even necessary.
  • the semiconductor components are encased with investment materials based on polymeric or polymerizable systems, the investment materials having to perform optical functions.
  • the fillers used to date such as calcium fluoride, calcium carbonate, barium sulfate, amorphous silica, etc., their use is currently limited.
  • the tolerable upper limit for common fillers is around 25% by weight.
  • the refractive index of common epoxy resin systems which are common as investment materials for optical, electro-optical and optoelectronic components, is around 1.5, that of calcium fluoride at 1.43 and that of spheroidal particles of amorphous silica at 1.42.
  • LEDs for display purposes.
  • these are intended to deliver an intense scattered light cone with spatially uniform intensity distribution.
  • diffuser systems are used in the casting resin systems that act as investment materials. incorporated materials that should ensure sufficient light scattering.
  • the inorganic fillers already mentioned, such as calcium fluoride, calcium carbonate, barium sulfate and amorphous silica, are usually used as diffuser materials.
  • the scattered light yield depends on the amount of particles added, their refractive index, particle shape, particle size and particle size distribution.
  • the inorganic fillers usually used as diffuser materials generally have non-uniform particle shapes and a non-batch-constant, relatively broad particle size distribution. This leads to fluctuations in the scattering behavior of the light emitting diodes and to losses in the luminous efficacy. Insufficient dispersion behavior and sedimentation of the particles in the resin system also cause such disadvantageous effects.
  • the refractive index of the particles can be specifically adjusted to the refractive index of the organic matrix in accordance with the application, so that highly transparent materials are produced, for example in the case of a refractive index identity, or highly light-scattering materials in the case of a very different refractive index.
  • the invention thus relates to the use of monodisperse, non-porous, spherical particles based on Si0 2 , Ti0 2 , Zr0 2 , A1 2 0 3 , V 2 0 5 , Nb 2 0 5 or mixing systems thereof, which may have a surface modification by covalent have bound organic groups as fillers in organic matrix materials, the refractive index of the particles being adapted to the refractive index of the organic matrix in accordance with the application.
  • the invention particularly relates to the use of such particles as refractive index-adapted fillers in polymeric or polymerizable systems, which are preferably used as embedding compounds for optical, electro-optical and optoelectronic components.
  • the invention furthermore relates to polymeric and polymerizable sysreme which contain these particles as fillers, their use as investment materials for optical, electro-optical and optoelectronic components and also the corresponding components.
  • the monodisperse, non-porous, spherical particles to be used according to the invention are known per se from the prior art. Basically, all oxide particles are suitable which can be obtained by hydrolytic polycondensation from alkoxide compounds of corresponding elements and are obtained in the form of monodisperse, compact, spherical particles.
  • the basic reaction conditions for the production of Si0 2 particles by hydrolytic polycondensation are, for example, from the publications W. Stöber et al. in
  • Zr0 2 can be produced.
  • the particles produced in this way often show large standard deviations for the particle diameters and have a certain porosity.
  • EP 0 216 2708 discloses a correspondingly stopped production process based on hydrolytic polycondensation.
  • the core of this process which is preferred for the production of the particles according to the present invention, is a two-stage procedure. This is done first by hydrolytic Polycondensation of tetraalkoxysilanes in an aqueous-alcoholic-ammoniacal medium forms a sol or a suspension of primary particles, which are then brought to the desired final size by metered addition of further tetraalkoxysilane.
  • EP 0 216 278 can be applied without any problems and with the same result to other oxides and also to mixed oxide systems.
  • the refractive index of the particles is adapted to the refractive index of the organic matrix in accordance with the use.
  • the refractive indices of organic compounds and light-transparent organic systems are generally in the range between 1.3 and 1.6.
  • the refractive index of polymer materials is around 1.5.
  • inorganic oxides considered here there is a certain selection of materials with certain different refractive indices, but with which the respective refractive index cannot be exactly matched for all organic matrix materials.
  • monodisperse, non-porous, spherical Si0 2 particles have a refractive index of 1.42
  • corresponding Al 2 0 3 particles have a refractive index of 1.6
  • corresponding Zr0 2 particles have a refractive index of 1.95
  • corresponding ones Ti0 2 particles have a refractive index of approximately 2.3.
  • Particles based on mixed oxides are the choice according to the invention for setting other refractive index values.
  • specific refractive index values can be realized in a targeted manner.
  • a rough guideline for the resulting refractive index of such a mixed oxide system can be used. that the refractive index of the mixed oxide particles arises essentially in an arithmetic manner from the refractive index of the pure oxides and their proportionate ratio in the mixed oxide particles.
  • Such highly monodisperse, non-porous, spherical mixed oxide particles are produced by the method described above, in the simplest case corresponding mixtures of alkoxides of the various elements being subjected to hydrolytic polycondensation.
  • the respective actual refractive index value depending on the type and quantitative ratio of the alkoxides used and on the chosen working conditions can easily be determined or predetermined by routine in-process controls and / or empirical preliminary tests.
  • the corresponding polycondensation of a mixture of tetraethoxysilane and tetrapropoxyzircon in a molar ratio of 1: 1 provides particles in which Si0 2 and Zr0 2 are present in a ratio of approximately 50:50 and which have a refractive index of 1.7 according to the prediction.
  • mixed-phase particles can also be produced. This is possible in a simple manner and according to the two-stage process described at the outset, in which primary particles are formed from an oxide and then another oxide or an oxide mixture is deposited in the growth step. If the amount of the oxide or mixed oxide formed in the growth step predominates in the particle, this fraction is essentially decisive for the resulting refractive index.
  • the dependence of the refractive index can be empirically determined in simple routine experiments.
  • An organic modification of the particles on the surface can be carried out in complete accordance with methods known for the production of silica gels customary as chromatographic sorbents.
  • Common modifiers are organoalkoxysilanes, such as, for example, methyltriethoxysilane, ethyltriethoxysilane, octyltriethoxysilane, octadecyltriethoxysilane, mono- or polyfluoroalkyltriethoxysilane, or also silanes with functionalized organo groups, which allow subsequent further modification by known oval linkage.
  • organoalkoxysilanes are preferred with regard to the use of the particles according to the invention as fillers in polymeric or polymerizable systems which have functional groups with which covalent integration into the polymer material can be achieved.
  • examples include trimethoxyvinylsilane, triethoxyvinylsilane and 3-glycidoxypropyltrimethoxysilane, 2- (3, -Epoxycyclohexyl) -ethyltrimethoxysilane, [2- (3, -Epoxy- 4-methylcyclohexyl) -propyl] -methyldiethoxysilane, as well as silanes with inorganic groups carrying hydroxyl, carboxyl, epoxy and carboxylic acid ester groups.
  • Particles with such a surface modification are able, by means of the functional groups, to take part in the reaction causing the curing of epoxy resin systems and to be covalently incorporated into the polymer.
  • this organic modification can also be carried out completely analogously with oxides other than SiO 2 and / or with corresponding organoalkoxides other elements.
  • the particles can be organically modified by using organoalkoxysilanes in the matrix.
  • organoalkoxysilanes please refer to the font mentioned.
  • the particles can advantageously be used as fillers in organic matrix materials where an application-specific refractive index adjustment with maximum optical homogeneity is important.
  • the particles to be used according to the invention offer advantages through the possibility of targeted adjustment of the refractive index and the extreme optical homogeneity of the matrix materials thus offset, which is due to the presence of the particles in highly monodisperse, compact and spherical form. This is achieved through organic surface modification
  • Dispersion behavior of the particles in organic media is decisively improved and the tendency towards sedimentation is reduced, which results in a high uniform distribution.
  • the latter can be further enhanced by surface modification with groups that are capable of covalent bond formation with the organic matrix material.
  • optically homogeneous, highly transparent polymer moldings for optical purposes, for example optical components or the polymeric embedding of the semiconductor elements of electro-optical and optoelectronic components, in particular of laser diodes, optocouplers and photodetectors.
  • particles with a diameter of 50 to 1500 nm are used. Particles in the size range 100 to 1000 nm are preferred.
  • Typical epoxy resin systems which can be used as semolina resins for embedding optoelectronic components are, for example, those based on 3,4-epoxy-cyclohexane carboxylic acid 3,4-epoxycyclohexane methyl ester
  • semolina resin systems usually contain hardeners and hardening accelerators based on organic acid anhydrides and organic amines, as well as, if appropriate, further additives in a mixture or as separately added components.
  • the particles according to the invention are mixed in the desired proportion with the corresponding semolina resin and homogeneously dispersed therein.
  • the particles can be present in the polymer material in a proportion of 0.1 to approx. 40% by weight.
  • Common area for investment materials for optoelectronic components is 0.5-25% by weight, based on the entire semolina resin system.
  • their proportion can vary between 1 and 15% by weight.
  • the particles can be added as such to the polymer compositions and dispersed therein. However, use in the form of a predispersion of the particles in a solvent compatible with the polymer system is preferred.
  • dispersing media which can be used depending on the nature of the polymer system are aliphatic alcohols such as ethanol and butanol, acetone, glycol, diethylene glycol and polyglycols. The dispersion in polyglycols, which at
  • the particles according to the invention are used as filler material in embedding materials for light-emitting diodes, where the particles have an optical diffuser function, a higher scattering intensity, an increase in the light yield and an improvement in the homogeneity of the scattered light cones can be observed compared to conventional diffuser materials.
  • the brightness or light yield, a defined emission characteristic and a homogeneous light pattern are important.
  • light-emitting diodes the embedding materials of which contain the particles according to the invention as diffusers, have a scattering intensity which is approximately 25% higher and a light efficiency which is approximately two times greater than that of corresponding components with calcium fluoride as the diffuser material.
  • a further application according to the invention of refractive index-adapted, monodisperse, non-porous, spherical oxide particles is the use as fillers in highly transparent or opaque plastic films and in photoemulsions.
  • these particles serve, preferably if they have an organic surface modification, to improve the sliding properties of the tapes.
  • a solution of 66.7 g (0.32 mol) of tetraethoxysilane and adjusted to the same temperature is added to a thermostatted mixture of 520 ml of ethanol, 230 ml of water and 140 ml of 25% ammonia at 30 ° C. in one pour with intensive mixing 27.2 g (0.08 mol) tetrabutoxytitanium in 120 ml ethanol. The mixture is stirred vigorously for 15 seconds and then the reaction mixture is left to stand still for one hour.
  • the particles formed are dispersed in the reaction mixture and can be obtained as a dry powder by centrifugation and, if appropriate, repeated absorption in water and renewed centrifugation and subsequent drying.
  • Dense spherical particles with a particle diameter of 500 ⁇ 15 nm are obtained.
  • Si0 2 and Ti0 2 are approximately 80:20 in the particles.
  • the refractive index of the powder is determined microscopically by the known method of shifting the Becke line to 1.52.
  • Ethanol, 230 ml of water and 140 ml of 25% ammonia are added with thorough mixing in one pour to a solution of 42 g (0.2 mol) of tetraethoxysilane and 65.5 g (0.2 mol) of tetrapropoxyzircon, which has been adjusted to the same temperature in 150 ml Ethanol.
  • the mixture is stirred vigorously for 20 seconds, then the reaction mixture is left to stand for two hours and then stirred again for two hours.
  • the particles are obtained as in Example 1.
  • Dense spherical particles with a particle diameter of 500 ⁇ 20 nm are obtained.
  • the particles contain SiO 2 and
  • the refractive index is determined to be 1.65.
  • Dense spherical particles with a particle diameter of 500 ⁇ 20 nm are obtained.
  • the refractive index is determined to be 1.48.
  • Example 3 The procedure is as in Example 3, except that the growth step is carried out with 18.25 g (0.08 mol) of tetraethoxytitanium in 400 ml of ethanol. Dense spherical particles with a particle diameter of 490 ⁇ 15 nm and with a refractive index of 1.51 are obtained.
  • Example 3 The procedure is as in Example 3, except that the growth step is carried out with 34.2 g (0.15 mol) of tetraethoxytitanium. Dense spherical particles with a particle diameter of 555 ⁇ 15 nm and a refractive index of 1.58-1.60 are obtained.
  • the seed dispersion is prepared for the growth process by adding a further 308 ml of water and 193 ml of 25% ammonia solution. The dispersion is then brought to a reaction temperature of 40 ° C. and exactly maintained during the entire process. Using a metering pump, a waxing mixture consisting of 2213 ml of ethanol and 2213 ml of tetraethoxysilane is continuously pumped into the reaction mixture at a metering speed of approximately 7 ml / min. After all of the wax mixture has been added, the entire dispersion is stirred at 40 ° C. overnight. The subsequent control with the SEM shows particles with a diameter of 1000 mm.
  • the reaction mixture is concentrated, with all of the ethanol and
  • the silanization of the monospheres takes place in the butanolic dispersion.
  • the dispersion ( ⁇ 10.5 mol based on solid SiO 2 ) is heated to 70 ° C., 10.4 g (4 mmol / mol SiO 2 ) 2- (3,4-epoxycyclohexyl) ethyltrimethoxysilane is added and the Allow to react overnight at the same temperature.
  • Light-emitting diode semiconductor elements are cast in using the casting resin system from Example 6 and the resin is cured thermally.
  • Components that contain the corresponding amount of CaF 2 as a diffuser in the embedding material serve as a comparison.
  • the components according to the invention have an approximately 25% higher scattering intensity and an approximately 2 times greater light output.

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Abstract

Die Erfindung betrifft die Verwendung von monodispersen, unporösen, kugelförmigen Partikeln auf Basis von SiO2, TiO2, ZrO2, Al2O3, V2O5, Nb2O5 oder Mischsystemen hiervon, die gegebenenfalls eine Oberflächenmodifizierung durch kovalent gebundene organische Gruppen aufweisen, als Füllstoffe in organischen Matrixmaterialien, wobei der Brechungsindex der Partikel nach Maßgabe der Anwendung an den Brechungsindex der organischen Matrix angepaßt ist. Polymere bzw. polymerisierbare Systeme, die diese Partikel enthalten, können zum Beispiel als Einbettmassen für optische, elektrooptische und optoelektronische Bauteile verwendet werden. Derartige Einbettmassen zeigen eine verbesserte optische Homogenität. Damit hergestellte Leuchtdioden zeichnen sich unter anderem durch eine erhöhte Lichtausbeute aus.

Description

Anorganische Füllstoffe und organische Matrixmaterialien mit Brechunσsindex-Anpassunσ
Die Erfindung betrifft anorganische Füllstoffe und organische Matrixmaterialien mit Brechungsindex-Anpassung. In vielen technischen Anwendungen treten organische Materialien in Erscheinung, in die anorganische Füllstoffe inkorporiert sind. Die anorganischen Füllstoffe haben dabei häufig nicht nur Ersatz- und Verdünnungsfunktion, sondern dienen der Modifizierung des organischen Matrixmaterials oder verleihen diesem erst bestimmte Eigenschaften. In vielen Fällen, insbe¬ sondere wenn bei Anwendung oder Gebrauch optische Phänomene oder Effekte eine Rolle spielen, ist eine anwendungsspezi¬ fische Anpassung der optischen Brechungsindices von Füllstoff und Matrixmaterial wünschenswert oder sogar notwendig.
Zum Beispiel werden bei optischen, elektrooptischen und optoelektronischen Bauteilen, wie etwa Leuchtdioden und Laserdioden, Optokopplern und Photodetektoren, die Halb¬ leiterbauelemente mit Einbettmassen auf Basis von polymeren oder polymerisierbaren Systemen umhüllt, wobei die Einbett¬ massen optische Funktionen zu erfüllen haben. Aufgrund der optischen Eigenschaften der bislang eingesetzten Füllstoffe, wie z.B. Calciumfluorid, Calciumcarbonat, Barium¬ sulfat, amorphe Kieselsäure etc. ist deren Einsatzmenge aber derzeit limitiert. Als noch tolerable Obergrenze für die gängigen Füllstoffe sind etwa 25 Gew.% anzusehen. Dies liegt daran, daß durch die unterschiedlichen Brechungsindices von anorganischem Füllstoff und polymerer Matrix die Einbettmasse mit zunehmendem Anteil an Füllstoff optisch inhomogener wird und es durch Lichtstreuung an den anorganischen Partikeln zu einem erheblichen Streulichtverlust kommt. Der Brechungsindex von gängigen EpoxidharzSystemen, die als Einbettmassen für optische, elektrooptische und optoelektronische Bauteile üblich sind, liegt um etwa 1,5, der von Calciumfluorid bei 1,43 und der von spheroiden Teilchen amorpher Kieselsäure bei 1,42.
Weitere optische Inhomogenitäten, die zum Teil noch größere optische Verluste verursachen, kommen dadurch zustande, daß die üblicherweise eingesetzten anorganischen Partikel zur Agglomeration neigen, sich im Gießharz nicht ausreichend gleichmäßig dispergieren lassen und im nicht ausgehärteten Zustand zur Sedimentation neigen. Hochtransparente streu¬ lichtfreie Einbettmassen sind für Anwendungen wie bei Laser¬ dioden und Optokoppler essentiell.
Etwas anders ist die Sachlage etwa bei Leuchtdioden für Anzeigezwecke. Diese sollen bei minimaler Eigenabsorption der Einbettmasse im Spektralbereich der Leuchtdiodenemission einen intensiven Streulichtkegel mit räumlich gleichmäßiger Intensitätsverteilung liefern. Zu diesem Zweck werden in die als Einbettmassen fungierenden GießharzSysteme Diffusor- materialien eingearbeitet, die für eine ausreichende Licht¬ streuung sorgen sollen. Als Diffusormaterialien werden üblicherweise die bereits genannten anorganischen Füllstoffe wie Calciumfluorid, Calciumcarbonat, Bariumsulfat und amorphe Kieselsäure eingesetzt. Die Streulichtausbeute ist abhängig von der Menge der zugesetzten Partikel, deren Brechungsindex, Teilchenform, Teilchengröße und Teilchengrößenverteilung. Günstig sind ein möglichst großer Unterschied der Brechungs- indices von Partikelmaterial und polymerem Matrixmaterial und möglichst kugelförmige Partikel mit enger Teilchengrößen¬ verteilung. Die üblicherweise als Diffusormaterialien einge¬ setzten anorganischen Füllstoffe weisen jedoch in der Regel ungleichmäßige Partikelformen und eine nicht chargenkon¬ stante, relativ breite Teilchengrößenverteilung auf. Dies führt zu Schwankungen im Streuverhalten der Leuchtdioden und zu Verlusten in der Lichtausbeute. Ungenügendes Dispergier- verhalten und Sedimentation der Partikel im Harzsystem bedin¬ gen ebenfalls derartige nachteilige Effekte.
Es bestand daher ein Bedürfnis nach verbesserten anorgani¬ schen Füllstoffen für den Einsatz in polymeren oder poly- merisierbaren Systemen, insbesondere in Einbettmassen für optische, elektrooptische und optoelektronische Bauteile.
Es wurde nun gefunden, daß monodisperse, unporöse, kugel¬ förmige Partikel auf Basis von Si02, Ti02, Zr02, A1203, V205, Nb205 oder Mischsystemen hiervon sich in vorzüglicher Weise als Füllstoffe für derartige Anwendungen eignen und in mehr¬ facher Hinsicht die genannten Probleme vorteilhaft lösen. So kann zum einen je nach Wahl der den anorganischen Partikeln zugrundeliegenden Oxide bzw. der Zusammensetzung bei Misch- oxiden der Brechungsindex der Partikel nach Maßgabe der Anwendung gezielt auf den Brechungsindex der organischen Matrix eingestellt werden, so daß etwa bei Brechungsindex- Identität hochtransparente oder etwa bei sehr unterschied¬ lichem Brechungsindex hoch-lichtstreuende Materialien entstehen. Das Vorliegen dieser Oxide oder Mischoxide in Form von monodispersen, unporösen, kugelförmigen Partikeln ver¬ leiht den damit versetzten organischen Matrixmaterialien zum anderen überragende optische Eigenschaften. Eine Oberflächen¬ modifizierung der Partikel mit kovalent gebundenen organi¬ schen Gruppen verbessert das Dipergierverhalten in organi¬ schen Medien, insbesondere die homogene Verteilung und Ein¬ bindung in Polymermaterialien und reduziert die Neigung zu Agglomeration und Sedimentation.
Gegenstand der Erfindung ist somit die Verwendung von monodispersen, unporösen, kugelförmigen Partikeln auf Basis von Si02, Ti02, Zr02, A1203, V205, Nb205 oder Mischsystemen hiervon, die gegebenenfalls eine Oberflächenmodifizierung durch kovalent gebundene organische Gruppen aufweisen, als Füllstoffe in organischen Matrixmaterialien, wobei der Brechungsindex der Partikel nach Maßgabe der Anwendung an den Brechungsindex der organischen Matrix angepaßt ist.
Gegenstand der Erfindung ist insbesondere die Verwendung derartiger Partikel als Brechungsindex-angepaßte Füllstoffe in polymeren oder polymerisierbaren Systemen, die vorzugs¬ weise als Einbettmassen für optische, elektrooptische und optoelektronische Bauelemente zur Anwendung gelangen. Gegenstand der Erfindung sind weiterhin polymere und poly- merisierbare Sysreme, die diese Partikel als Füllstoffe enthalten, deren Verwendung als Einbettmassen für optische, elektrooptische und optoelektronische Bauelemente sowie auch die entsprechenden Bauteile.
Die erfindungsgemäß zu verwendenden monodispersen, unporösen, kugelförmigen Partikel sind an sich aus dem Stand der Technik bekannt. Grundsätzlich sind alle Oxidpartikel geeignet, die sich durch hydrolytische Polykondensation aus Alkoxidverbin¬ dungen entsprechender Elemente erhalten lassen und dabei in Form monodisperser kompakter sphärischer Partikel anfallen. Die grundliegenden Reaktionsbedingungen zur Herstellung von Si02-Partikeln durch hydrolytische Polykondensation sind beispielsweise aus den Publikationen W. Stöber et al. in
J. Colloid and Interface Science 2_6, 62 (1968) und .30, 568 (1969) sowie dem US-Patent 3,634,588 zu entnehmen. Nach dieser Methode können auch andere Partikel, wie z.B. Ti02 oder
Zr02 hergestellt werden. Die so hergestellten Partikel zeigen aber oft große Standardabweichungen für die Teilchendurch- messer und weisen eine gewisse Porosität auf.
Für die Herstellung von hochmonodispersen, unporösen, kugel¬ förmigen Si02-Partikeln, die eine Standardabweichung von nicht mehr als 5 % aufweisen, wird auf EP 0 216 278 hingewiesen, die ein entsprechend abgestelltes Herstellungsverfahren auf Basis von hydrolytischer Polykondensation offenbart. Kern dieses Verfahrens, das für die Herstellung der Partikel gemäß vorliegender Erfindung bevorzugt wird, ist eine zweistufige Vorgehensweise. Hierbei wird zunächst durch hydrolytische Polykondensation von Tetraalkoxysilanen in wäßrig- alkoholisch-ammoniakalischem Medium ein Sol bzw. eine Suspen¬ sion von Primärteilchen gebildet, die man daran anschließend durch dosierte Zugabe von weiterem Tetraalkoxysilan auf die gewünschte Endgröße bringt.
Das Verfahren gemäß EP 0 216 278 ist ohne weiteres und mit gleichem Ergebnis auf andere Oxide und auch auf Mischoxid¬ systeme übertragbar.
Ein sinngemäßes Verfahren zur Herstellung verschiedener Metalloxide in Form sphärischer Partikel mit enger Teilchen¬ größenverteilung ist EP 0 275 688 zu entnehmen.
Ein entsprechendes Zweistufenverfahren zur Herstellung unter¬ schiedlicher Metalloxide und auch Mischoxide, die darüber hinaus an der Oberfläche noch glykolische Gruppen chemisch gebunden haben, ist in EP 0 391 447 beschrieben.
Bei der erfindungsgemäßen Anwendung der nach vorgenanntem Verfahren hergestellten monodispersen, unporösen, kugel¬ förmigen Metalloxidpartikeln als Füllstoffe in organischen Matrixmaterialien kommt es sehr wesentlich darauf an, daß der Brechungsindex der Partikel nach Maßgabe der Verwendung an den Brechungsindex der organischen Matrix angepaßt ist.
Als organische Matrixmaterialien kommen grundsätzlich alle organischen Systeme in Betracht, in die üblicherweise anorga¬ nische Füllstoffe inkorporiert werden, insbesondere solche, bei denen die Füllstoffe zusätzlich funktioneile Zwecke zu erfüllen haben. Im Vordergrund des Interesses stehen polymere und polymerisierbare Systeme, die zu polymeren Formkörpern oder anderen entsprechenden Produkten verarbeitet werden. Eine der grundsätzlichen Anwendungsmöglichkeiten ist die Herstellung von optisch homogenen, hochtransparenten poly- meren Körpern. Die anwendungsspezifische Brechungsindex¬ anpassung ist in diesem Fall so zu verstehen, daß die Brechungsindices von Füllstoff und organischer Matrix möglichst identisch sind.
Die Brechungsindices von organischen Verbindungen und licht¬ transparenten organischen Systemen, wie insbesondere Harze und Polymere, liegen in der Regel im Bereich zwischen 1,3 und 1,6. Bei Polymermaterialien liegt der Brechungsindex um 1,5.
Mit den hier in Betracht gezogenen anorganischen Oxiden liegt eine gewisse Auswahl an Materialien vor mit bestimmten unter- schiedlichen Brechungsindices, mit denen sich aber nicht für alle organischen Matrixmaterialien der jeweilige Brechungs¬ index exakt treffen läßt. So zeigen beispielsweise mono¬ disperse, unporöse, kugelförmige Si02-Partikel einen Bre¬ chungsindex von 1,42, entsprechende Al203-Partikel einen Brechungsindex um 1,6, entsprechende Zr02-Partikel einen Brechungsindex um 1,95 und entsprechende Ti02-Partikel einen Brechungsindex von ca. 2,3.
Für die Einstellung anderer Brechungsindexwerte sind Partikel auf Basis von Mischoxiden die erfindungsgemäße Wahl. Durch Kombination von vorzugsweise zwei oder auch mehr verschiede¬ ner Oxide lassen sich bestimmte Brechungsindexwerte gezielt realisieren. Als grobe Richtschnur für den resultierenden Brechungsindex eines solchen Mischoxidsystems kann gelten. daß sich der Brechungsindex der Mischoxidpartikel im wesent¬ lichen in arithmetischer Weise aus dem Brechungsindex der reinen Oxide und ihrem anteilsmäßigen Verhältnis im Misch¬ oxidpartikel ergibt.
Die Herstellung solcher hochmonodisperser, unporöser, kugelförmiger Mischoxidpartikel erfolgt nach der voran¬ gegangenen beschriebenen Methode, wobei im einfachsten Fall entsprechende Gemische von Alkoxiden der verschiedenen Elemente der hydrolytischen Polykondensation unterworfen werden.
Der jeweilige tatsächliche Brechungsindexwert in Abhängigkeit von Art und Mengenverhältnis der eingesetzten Alkoxide und von den gewählten Arbeitsbedingungen läßt sich ohne weiteres durch routinemäßige Inprozesskontrollen und/oder empirische Vorversuche ermitteln bzw. vorbestimmen.
Beispielsweise lassen sich aus einem Gemisch aus Tetraethoxy- silan und Tetrabutoxytitan im Molverhältnis 4:1 monodisperse, unporöse, kugelförmige Mischoxidpartikel erhalten, in denen Si02 und Ti02 im Verhältnis von ungefähr 80:20 vorliegen und die einen Brechungsindex von 1,52 aufweisen. Dieser Bre¬ chungsindex entspricht übrigens exakt dem eines handels- üblichen Epoxid-HarzSystems, das häufig als Einbettmasse für optische, elektrooptische und optoelektronische Bauelemente Verwendung findet. Die entsprechende Polykondensation eines Gemisches aus Tetraethoxysilan und Tetrapropoxyzirkon im Molverhältnis 1:1 liefert Partikel, in denen Si02 und Zr02 im Verhältnis von ungefähr 50:50 vorliegen und die entsprechend der rechnerischen Vorhersage einen Brechungsindex von 1,7 aufweisen. Neben Metalloxidpartikeln mit homogener Verteilung der ver¬ schiedenen Oxide lassen sich auch gemischtphasige Partikel herstellen. Dies ist in einfacher Weise und nach dem eingangs beschriebenen Zweistufenverfahren möglich, in dem man etwa Primärpartikel aus einem Oxid bildet und dann im Aufwachs¬ schritt ein anderes Oxid oder ein Oxidgemisch abscheidet. Überwiegt die Menge des im Aufwachsschritt gebildeten Oxides oder Mischoxides in dem Partikel, so ist für den resultieren¬ den Brechungsindex im wesentlichen dieser Anteil bestimmend. Auch hier läßt sich die Abhängigkeit des Brechungsindex in einfachen Routineversuchen empirisch ermitteln.
Eine für den jeweiligen Anwendungszweck gegebenenfalls vor¬ teilhafte organische Modifizierung der Partikel an der Ober- fläche kann in völliger Übereinstimmung mit Methoden vorge¬ nommen werden, wie sie für die Herstellung von als chromato¬ graphische Sorbentien gebräuchlichen Kieselgelen bekannt sind. Gängige Modifizierungsmittel sind Organoalkoxysilane, wie z.B. Methyltriethoxysilan, Ethyltriethoxysilan, Octyl- triethoxysilan, Octadecyltriethoxysilan, Mono- oder Poly- fluoroalkyltriethoxysilan oder auch Silane mit funktionali- sierten Organogruppen, die eine spätere weitere Modifizierung durch kovalente Bindungsknüpfung in bekannter Weise ermöglichen. Im letzteren Fall sind solche Organoalkoxysilane im Hinblick auf den erfindungsgemäßen Einsatz der Partikel als Füllstoffe in polymeren oder polymerisierbaren Systemen bevorzugt, die solche funktioneile Gruppen aufweisen, mit denen sich eine kovalente Einbindung in das Polymermaterial erreichen läßt. Beispiele hierfür sind Trimethoxyvinylsilan, Triethoxyvinylsilan und 3-Glycidoxypropyltrimethoxysilan, 2- (3, -Epoxycyclohexyl)-ethyltrimethoxysilan, [2- (3, -Epoxy- 4-methylcyclohexyl)-propyl]-methyldiethoxysilan, sowie Silane mit Hydroxyl-, Carboxyl-, Epoxy- und Carbonsäureestergruppen tragenden anorganischen Resten.
Partikel mit einer derartigen Oberflächenmodifizierung sind in der Lage, mittels der funktionellen Gruppen an der die Aushärtung von EpoxidharzSystemen bewirkenden Reaktion teil¬ zunehmen und dabei kovalent in das Polymer eingebaut zu werden.
Selbstverständlich kann diese organische Modifizierung völlig analog auch bei anderen Oxiden als Si02 und/oder mit entspre¬ chenden Organoalkoxiden andere Elemente vorgenommen werden.
Aus der zuerst genannten EP 0 216 278 ist auch zu entnehmen, daß die Partikel durch den Einsatz von Organoalkoxysilanen in der Matrix organisch modifiziert werden können. Für nähere Details hierzu wird auf die genannte Schrift verwiesen.
Im Falle einer Oberflächenmodifizierung der Partikel durch kovalent gebundene organische Gruppen werden die Eigenschaf¬ ten der Teilchen hinsichtlich Kugelform, Unporosität, Monodispersität und Brechungsindex nicht beeinflußt, während die vorteilhaften Eigenschaften, die mit einer derartigen Modifizierung einhergehen, wahrgenommen werden können. Die Partikel können erfindungsgemäß überall da als Füllstoffe in organischen Matrixmaterialien vorteilhaft eingesetzt werden, wo es auf eine anwendungsspezifische Brechungsindex¬ anpassung bei höchster optischer Homogenität ankommt. Vor- teile bieten die erfindungsgemäß einzusetzenden Partikel durch die Möglichkeit der gezielten Brechungsindexanpassung und die extreme optische Homogenität der damit versetzten Matrixmaterialien, die durch das Vorliegen der Partikel in hochmonodisperser, kompakter und sphärischer Form bedingt ist. Durch organische Oberflächenmodifizierung wird das
Dispergierverhalten der Teilchen in organischen Medien ent¬ scheidend verbessert und die Neigung zur Sedimentation ver¬ ringert, wodurch eine hohe Gleichverteilung resultiert. Letzteres läßt sich noch verstärken durch Oberflächen- modifizierung mit Gruppen, die zur kovalenten Bindungs- knüpfung mit dem organischen Matrixmaterial befähigt sind.
Beispiele für derartige Anwendungen sind optisch homogene, hochtransparente polymere Formkörper für optische Zwecke, w e etwa optische Bauteile oder die polymeren Einbettungen der Halbleiterelemente elektrooptischer und optoelektroni¬ scher Bauteile, insbesondere von Laserdioden, Optokopplern und Photodetektoren.
Bei den genannten Anwendungen werden Partikel mit Durchmesser von 50 bis 1500 nm eingesetzt. Bevorzugt sind Partikel im Größenbereich 100 bis 1000 nm.
Die als Matrixmaterialien dienenden Polymersysteme für diese Anwendungen, ihre Herstellung und ihre Verarbeitung sind an sich bekannt und dem einschlägigen Stand der Technik ohne weiteres entnehmbar. Als typische Epoxidharzsysteme, die als Grießharze für die Einbettung von optoelektronischen Bauelementen in Frage kommen, sind beispielhaft solche zu nennen, die etwa auf 3,4-Epoxy-cyclohexancarbonsäure-3,4-epoxycyclohexanmethyl- ester
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oder auf "Bisphenol - A - Epoxid"
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0 CH3 0
basieren. Entsprechende handelsübliche Grießharzsysteme enthalten üblicherweise im Gemisch oder als separat zuzu¬ setzende Komponenten noch Härter und Härtungsbeschleuniger auf Basis organischer Säureanhydride und organischer Amine, sowie ggf. weitere Additive.
Die erfindungsgemäßen Partikel, vorzugsweise mit einer orga¬ nischen Oberflächenmodifizierung mittels 2-(3,4-Epoxycyclo- hexyl)-ethyltrimethoxysilan, werden im gewünschten Anteil mit dem entsprechenden Grießharz vermischt und darin homogen dispergiert. Je nach Anwendungszweck und Funktion können die Partikel in dem Polymermaterial in einem Anteil von 0,1 bis ca. 40 Gew.-% vorliegen. Gängiger Bereich bei Einbettmassen für optoelektronische Bauteile ist 0,5-25 Gew.-%, bezogen auf das gesamte Grießr.arzsystem. Bei Einbettmassen für Leucht¬ dioden, in denen den Partikeln Diffusorfunktion zukommt, kann sich ihr Anteil zwischen 1 und 15 Gew.-% bewegen.
Aufgrund der besonderen Vorteile der erfindungsgemäß einzu¬ setzenden Partikel kann ihr Anteil in den entsprechenden Materialien im Bedarfsfall auch deutlich erhöht werden. Die Gefahr von Spannungen und Rißbildung, die im Falle thermi- scher Belastung bei Betrieb derartiger Bauteile drohen kann, läßt sich hierdurch erheblich reduzieren.
Die Partikel können bereits als solche den Polymermassen zugegeben und darin dispergiert werden. Bevorzugt ist jedoch der Einsatz in Form einer Vordispersion der Partikel in einem mit dem Polymersystem kompatiblen Lösungsmittel. Beispiele von Dispergiermedien, die je nach Natur des Polymersystems eingesetzt werden können, sind aliphatische Alkohole wie Ethanol und Butanol, Aceton, Glycol, Diethylenglycol und Polyglycole. Die Dispergierung in Polyglycolen, die bei
Raumtemperatur fest sind, erfolgt nach Erwärmung oberhalb der Schmelztemperatur. Bevorzugt ist ebenfalls die Vordispersion der Partikel als "Masterbatch" in dem entsprechenden Polymer¬ system oder einem damit kompatiblen Harz oder Polymer- material. Hierin kann der Anteil an Partikeln bis zu ca. 50 Gew.-% betragen. Bei der Verwendung der erfindungsgemäßen Partikel als Füll¬ material in Einbettmassen für Leuchtdioden, wo den Partikeln optische Diffusorfunktion zukommt, sind gegenüber üblichen Diffusormaterialien eine höhere Streuintensität, eine Erhöhung der Lichtausbeute und eine Verbesserung der Homoge¬ nität der Streulichtkegel zu beobachten. Für die Leistungs¬ beurteilung von Leuchtdioden kommt es auf die Helligkeit bzw. Lichtausbeute, auf eine definierte Abstrahlcharakteristik und auf ein homogenes Leuchtbild an.
Überraschend hat sich gezeigt, daß Leuchtdioden, deren Ein¬ bettmassen die erfindungsgemäßen Partikel als Diffusoren enthalten, eine um ca. 25 % höhere Streuintensität und eine um ca. den Faktor 2 größere Lichtausbeute aufweisen, im Vergleich zu entsprechenden Bauteilen mit Calciumfluorid als Diffusormaterial.
Als weitere erfindungsgemäße Anwendung brechungsindexange¬ paßter, monodisperser, unporöser, kugelförmiger Oxidpartikel kommt der Einsatz als Füllstoffe in hochtransparenten oder auch opaken Kunststoffolien sowie in Fotoemulsionen in Betracht.
Bei Trägerfolien für magnetische Aufzeichnungsbänder dienen diese Partikel, vorzugsweise wenn sie eine organische Ober¬ flächenmodifizierung aufweisen, zur Verbesserung der Gleit¬ eigenschaften der Bänder. Beispiel 1
Zu einem auf 30 °C thermostatisierten Gemisch aus 520 ml Ethanol, 230 ml Wasser und 140 ml 25%igen Ammoniak gibt man unter intensiver Durchmischung in einem Guß eine auf gleiche Temperatur eingestellte Lösung aus 66,7 g (0,32 mol) Tetraethoxysilan und 27,2 g (0,08 mol) Tetrabutoxytitan in 120 ml Ethanol. Man rührt noch intensiv für 15 Sekunden und läßt dann das Reaktionsgemisch für eine Stunde ruhig stehen.
Die entstandenen Teilchen liegen im Reaktionsgemisch disper¬ giert vor und können durch Abzentrifugieren und gegebenen¬ falls wiederholtes Aufnehmen in Wasser und erneutes Abzentri¬ fugieren und anschließendes Trocknen als trockenes Pulver gewonnen werden.
Man erhält dichte sphärische Teilchen mit Partikeldurchmesser von 500 ± 15 nm. In den Partikeln liegen Si02 und Ti02 ungefähr im Verhältnis 80:20 vor. Den Brechungsindex des Pulvers bestimmt man mikroskopisch nach der bekannten Methode der Verschiebung der Becke-Linie zu 1,52.
Beispiel 2
Zu einem auf 30 °C thermostatisierten Gemisch aus 520 ml
Ethanol, 230 ml Wasser und 140 ml 25%igen Ammoniak gibt man unter intensiver Durchmischung in einem Guß eine auf gleiche Temperatur eingestellte Lösung aus 42 g (0,2 mol) Tetra¬ ethoxysilan und 65,5 g (0,2 mol) Tetrapropoxyzirkon in 150 ml Ethanol. Man rührt noch intensiv 20 Sekunden, läßt dann das Reaktionsgemisch zwei Stunden ruhig stehen und rührt anschließend erneut für zwei Stunden. Die Gewinnung der Partikel erfolgt wie in Beispiel 1.
Man erhält dichte sphärische Teilchen mit einem Partikel¬ durchmesser von 500 ± 20 nm. In den Partikeln liegen Si02 und
Zr02 ungefähr im Verhältnis 1:1 vor. Der Brechungsindex wird zu 1,65 bestimmt.
Beispiel 3
Zu einem auf 30 °C thermostatisierten Gemisch aus 600 ml Ethanol, 225 ml Wasser und 140 ml 25%igen Ammoniak gibt man unter intensiver Durchmischung 90 ml (0,4 mol) Tetraethoxy- silan. Man erhält hierdurch eine Dispersion von Teilchen mit mittlerem Durchmesser von 500 nm. Die entstandenen Teilchen werden in 500 ml Ethanol umdispergiert. In diese Dispersion läßt man bei 40 °C ein Gemisch aus 9 ml (0,04 mol) Tetra- ethoxytitan und 400 ml Ethanol innerhalb von 2 Stunden ein¬ tropfen und danach noch 2 Stunden nachreagieren. Hierdurch erreicht man ein Aufwachsen von Ti02 auf Si02-Primärpartikel. Die Aufarbeitung erfolgt gemäß Beispiel 1.
Man erhält dichte sphärische Teilchen mit einem Partikel¬ durchmesser von 500 ± 20 nm. Der Brechungsindex wird zu 1,48 bestimmt. Beispiel 4
Man verfährt wie in Beispiel 3, nur daß man den Aufwachs¬ schritt mit 18,25 g (0,08 mol) Tetraethoxytitan in 400 ml Ethanol durchführt. Man erhält dichte sphärische Teilchen mit einem Partikeldurchmesser von 490 ± 15 nm und mit einem Brechungsindex von 1,51.
Beispiel 5
Man verfährt wie in Beispiel 3, nur daß man den Aufwachs¬ schritt mit 34,2 g (0,15 mol) Tetraethoxytitan durchführt. Man erhält dichte sphärische Teilchen mit einem Partikel¬ durchmesser von 555 ± 15 nm und mit einem Brechungsindex von 1,58-1,60.
Beispiel 6
Zu einem Gemisch aus 825 ml Ethanol, 308 ml Wasser und 193 ml 25%igem Ammoniak, das man auf genau 35 °C thermostatisiert hat, werden in einem Guß 123 ml Tetraethoxysilan hinzugege¬ ben. Die Mischung wird kräftig durchgerührt und nach 15 Se¬ kunden das Rührwerk abgeschaltet. Das Reaktionsgemisch läßt man für eine Stunde ruhig stehen. Danach liegt eine Disper¬ sion von Saatpartikeln in der Größe von 375 nm (REM-Kon- trolle) vor.
Die Saatdispersion wird für den Aufwachprozess vorbereitet, indem man weitere 308 ml Wasser und 193 ml 25%ige Ammoniak¬ lösung hinzufügt. Danach wird die Dispersion auf 40 °C Reak¬ tionstemperatur gebracht und während des ganzen Prozesses exakt eingehalten. Mittels einer Dosierpumpe wird mit einer Dosiergeschwindig¬ keit von ca. 7 ml/min eine Aufwachsmischung bestehend aus 2213 ml Ethanol und 2213 ml Tetraethoxysilan in die Reak¬ tionsmischung kontinuierlich hinzugepumpt. Nach der voll- ständigen Zugabe der Aufwachsmischung rührt man über Nacht die gesamte Dispersion bei 40 °C weiter. Die anschließende Kontrolle mit dem REM zeigt Teilchen von 1000 mm Durchmesser.
Zur Oberflächenmodifizierung der Partikel wird die Reaktions- mischung eingeengt, wobei man das ganze Ethanol und den
Ammoniak abdestilliert. Die nunmehr wäßrige Dispersion wird in ca. 1800 ml 1-Butanol umdispergiert, wobei das Wasser azeotrop abdestilliert wird.
Die Silanisierung der Monospheres findet in der butanolischen Dispersion statt. Dazu wird die Dispersion (~ 10,5 mol bezo¬ gen auf festes Si02) auf 70 °C erwärmt, 10,4 g (4 mmol/mol Si02) 2-(3,4-Epoxycyclohexyl)-ethyltrimethoxysilan hinzugefügt und das Ganze über Nacht bei gleicher Temperatur reagieren gelassen.
Anschließend werden 2900 ml Aceton zum Ansatz als Lösungs¬ vermittler hinzugegeben und 5670 g eines Epoxydharzes auf Basis von 3, -Epoxy-cyclohexancarbonsäure-3,4-epoxycyclo- hexanmethylester (Araldit® CY 179; Ciba Geigy AG) hinzu¬ gewogen. Danach werden die Lösungsmittel quantitativ abge¬ zogen; es entsteht eine ca. 10%ige Dispersion der spherischen Si02-Teilchen in Epoxydharz. Diese Dispersion ist Ausgang zur
Verarbeitung in z.B. epoxydische Gießharze für Leuchtdioden. Bei spiel 7
Leuchtdiodenhalbleiterelemente werden in üblicher Technik mit dem Gießharzsystem aus Beispiel 6 eingegossen und das Harz thermisch ausgehärtet.
Als Vergleich dienen Bauteile, die die entsprechende Menge CaF2 als Diffusor in dem Einbettmaterial enthalten.
Abstrahlwinkel Helligkeit
erfindungsgemäßes Bauteil 55° 8,5
Vergleichsbauteil 77° 3,5
Die erfindungsgemäßen Bauteile zeigen eine ca. 25 % höhere Streuintensität und eine um ca. den Faktor 2 größere Licht- ausbeute.

Claims

Patentansprüche
Verwendung von monodispersen, unporösen, kugelförmigen Partikeln auf Basis von Si02, Ti02, Zr02, A1203/ V205, Nb205 oder Mischsystemen hiervon, die gegebenenfalls eine
10 Oberflächenmodifizierung durch kovalent gebundene organi- . sehe Gruppen aufweisen, als Füllstoffe in organischen Matrixmaterialien, wobei der Brechungsindex der Partikel nach Maßgabe der Anwendung an den Brechungsindex der organischen Matrix angepaßt ist.
15
Verwendung nach Anspruch 1 in polymeren oder polymeri- sierbaren Systemen.
3. Verwendung nach Anspruch 2 zur Herstellung von optisch ?n homogenen, hochtransparenten polymeren Formkörpern.
4. Verwendung nach Anspruch 2 zur Herstellung von hoch- lichtstreuenden polymeren Formkörpern.
2c- 5. Verwendung nach den Ansprüchen 3 und 4 zur Herstellung von optischen, elektrooptischen und optoelektronischen Bauteilen.
30 6. Polymere oder polymerisierbare Systeme enthaltend anorga¬ nische Füllstoffe, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Füllstoffe monodisperse, unporöse, kugelförmige Partikel auf Basis von Si02, Ti02, Zr02, A1203, V205, Nb205 oder Mischsystemen hiervon enthalten, deren Brechungsindex nach Maßgabe der Anwendung an den Brechungsindex der organischen Matrix angepaßt ist.
7. Systeme nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Füllstoffe Partikel enthalten, die eine Oberflächen¬ modifizierung durch kovalent gebundene organische Gruppen aufweisen.
8. Systeme nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie die Partikel in kovalent eingebundener Form enthalten.
9. Verwendung der Systeme nach den Ansprüchen 6 und 7 als Einbettmassen für optische, elektrooptische und opto¬ elektronische Bauelemente.
10. Optische, elektrooptische und optoelektronische Bauteile, gekennzeichnet durch Systeme nach den Ansprüchen 6 und 7 als Einbettmassen.
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