AT407165B - Dünnschichtaufbau zur farbgebung metallischer oberflächen - Google Patents

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Description

AT 407 165 B
Die Erfindung bezieht sich auf eine neuartige Oberflächenbeschichtung für oxidierbare Metalle (insbesondere Aluminum), welche dadurch gekennzeichnet ist, daß (1) auf einer Aluminiumplatte (2) durch Eloxieren eine Dünnschicht von weniger als 1 pm aufgebracht ist, welche (3) an der Oberfläche metallische oder zumindest leitfähige Partikel trägt. Zum Schutz kann diese Struktur mit einer Schicht aus einem Lack oder glasartigen Material bedeckt werden. Dieser nanometrische Aufbau bewirkt durch eine optische Resonanzverstärkung der Clusterabsorption mit der reflektierenden Aluminiumoberfläche eine starke Färbung derselben. Dabei ist im Gegensatz zu Pigmentfarben im erfindungsgemäßen Aufbau die resultierende Farbe vom Abstand der Metallpartikel zum Spiegel und nicht (!) nur von der Eigenfarbe der Partikel abhängig. Ungleich jeder auf Interferenz basierenden Farbgebung tritt dieser Effekt nur an viel dünneren, nanometrischen Schichten auf und zeigt sich nur bei metallartigen Partikeln.
Die Erfindung beruht dabei auf einer neuartigen Färbung von Aluminium, Titan oder ähnlichen Platten oder Folien unter der Verwendung von Clustern und/oder nanometrischen Dünnschichten, mit welchen insbesondere Fassaden- und Karosseriebleche aber auch insbesondere im Dekorbereich eingesetztes Aluminium in optimaler Weise farblich gestaltet werden können Auch die Verwendung in Reflektoren aller Art zur Veränderung der Lichtfarbe kann auf Grund der bleichechten Färbung als wichtiger Einsatzbereich des neuen Produktes gesehen werden.
In einer weiteren typischen Anwendung kann auch die Bindung oder Abtrennung von metallischen Partikeln (= Clustern) als Farbveränderung eingesetzt werden. Die Bindung oder Abtrennung wird durch die Resonanzverstärkung der Cluster, bei der die Cluster mit ihren Spiegeldipolen wechselwirken, in ein leicht sichtbares optisches Signal umgewandelt.
Die mit Bezugszeichen versehenen Teile des erfindungsgemäßen Aufbaus (siehe Fig. 1 und 2) sind wie folgt zuzuordnen: 1 = Metall (vorzugsweise Aluminium), 2 = Eloxalschicht (0-1000 nm), 3 = metallische oder metallisch-chromophore Partikel, 4 = Schutzlack oder glasartiger Überzug.
Der Aufbau besteht aus einer Metallschicht auf einem Trägermaterial, einer inerten Abstandsschicht und einer Partikelschicht. Um eine klare Farbgebung zu erhallen wird dei Durchmessei der Cluster vorzugsweise kleiner als 40 nm gewählt, für breitbandige Absorption können auch größere und asymmetrische Partikel mit Vorzug eingesetzt werden. Eine Änderung der Belegungsdichte der Partikelschicht im molekularen Maßstab, oder Änderungen in der räumlichen Anordnung der gebundenen Cluster am Sensor führt zu den charakteristischen Änderungen der optischen Erscheinung der Oberfläche.
Metallische oder metallartige Partikelfilme mit einem mittleren Clusterdurchmesser kleiner als 500 nm (vorzugsweise kleiner als 40 nm, da sehr große Partikel mehr streuen als absorbieren) weisen starke schmalbandige Reflexionsminima auf, deren spektrale Lagen extrem empfindlich von der räumlichen Anordnung insbesondere dem Abstand zu einer elektronenleitenden Oberfläche abhängen.
Der Aufbau kann selbst geringste Änderungen der Oberflächenbelegung mit Clustern in klar erkennbare Farbänderungen umwandeln d.h. entweder in eine Extinktionsänderung bei einer bestimmten Wellenlänge, oder in eine spektrale Verschiebung des Absorptionsmaximums.
Im Sinne des Aufbaus kann hier ein besonderer Effekt beobachtet werden. Während die Absorption von Chromophoren unabhängig vom Winkel der Beobachtung ist, verschiebt sich das spektrale Reflexionsminimum stark mit dem Beobachtungswinkel. Daher ändert ein erfindungsgemäß beschichteter Gegenstand seine Farbe abhängig vom Beobachtungswinkel. Das bedeutet, daß auf Grund der gekrümmten Oberfläche ein vorbeifahrendes Auto (z.B. Audi A8) aus der Entfernung bestimmte Karrosseriepartien rot metallisierende Farbe zeigen. Wenn sich das Auto nähert erscheinen die selben Partien in blauer Farbe. Auf Grund des sich änderenden Einfallswinkels erscheint das Auto im Vorbeifahren in einem goldenen Farbton. Danach wiederholt sich der Farbumschlag in umgekehrter Reihenfolge. Ähnliche Effekte würden beim Bau von Hochhäusern eine völlig neuartige Fassadengestaltung ermöglichen.
Die Partikelschichten können z.B. durch Aufdampfen, Sputtern, adsorptive Anlagerung aus Lösung, kovalente Kopplung aus Lösung oder oberflächen-katalysierte Verfahren aufgebracht werden.
Das Material der Partikel sind zumeist chemisch stabile Metalle wie Gold, Silber oder Kupfer. Im Prinzip können mit unterschiedlicher Farbqualität auch andeie Meiaiie und Legiei ungen allei dieser oder aber auch Farbpartike! von geeigneter Größe und geeignetem optisch resonantem 2
AT 407 165 B
Verhalten (z.B. Präzipitate aus Porphyrinen, Phtalocyaninen o.ä) dienen.
Die vorliegende Erfindung unterscheidet sich vom Gegenständ der Patentanmeldung „Opto-chemfscher Sensor sowie Verfahren zu seiner Herstellung", österr. Patent A 753/94 vom 12.04.1994, US-Patentanmeldung 08/419, 615 vom 10.04.1995 durch das grundlegende Merkmal, daß es sich nicht um einen Sensor handelt, und der Einsatz von harten Eloxalschichten als Abstandsschichten erst den realen farbhomogenen Aufbau auf großen, gegebenen Falls gekrümmten und/oder mikrorauhen Flächen, sowie deren großflächige Produktion ermöglicht.
Die erfindungsgemäßen technologischen Neuerungen sind: • farbstabiie Bleche oder Folien oder Fasem bzw. metallisch glänzende Gegenstände unterschiedlichster, frei wählbarer Farbe, • Aufbau stabiler optischer Resonanzstrukturen durch dünne Schichten absolut reproduzierbarer Dicke, • Einsatz von Eloxalverfahren kombiniert piit elektrodynamisch-nanometrischen Partikeleffekten, • Dekorbleche, oder verspiegelte Gegenstände bzw. Objekte, die aus unterschiedlichen Betrachtungsrichtungen unterschiedliche Farbe aufweisen.
Die folgenden Beispiele beschreiben die technische Realisierung:
Beispiel 1: Oberflächenverstärkter Farbeffekt auf Aluminiumblechen
Auf einem hochglänzenden Aluminiumblech ohne Eloxal- oder Schutzlackschicht wird durch Eloxieren ein Oxidfilm aufgebracht. Dazu wird das Aluminiumblech in 1 M Borsäure, die mit NaOH auf pH = 7.0 eingestellt wurde getaucht und an eine Spannungsversorgung angeschlossen. Die Ausbildung einer Eloxalschicht gewünschter Farbe erfolgt z.B. bei „rot" innerhalb weniger Minuten bei 180 V und 2 mA/ cm2,5 Minuten. Dabei tritt eine sehr schwache, leicht weißliche Trübung der Oberfläche auf. Das durch eine Eloxalschicht gleichmäßiger Dicke überzogene Blech wird mit Gold besputtert. Um eine optimale Farbgebung zu erreichen z.B. mit 5 nm (Massendicke) innerhalb von 10 sec. bei einer Stromstärke von 40 mA und einem Argon Druck von 0,1 mbar.
Beispiel 2: Oberflächenverstärkter Farbeffekt auf makroskopisch gekrümmten, mikrorauhen Aluminumfolien
Auf einer handelsüblichen Aluminiumfolie, welche zumindest auf einer Seite mit einem Oxidfilm überzogen ist, wird durch eloxieren der anderen Seite ein Oxidfilm aufgebracht. Dazu wird die Aluminiumfolie in 1 M Borsäure, die mit NaOH auf pH = 7.0 eingestellt wurde getaucht und an eine Spannungsversorgung angeschlossen. Die Ausbildung einer Eloxalschicht gewünschter Farbe erfolgt z.B. bei „gelb" innerhalb weniger Minuten bei 120 V und 1.5 mA/ cm2, 5 Minuten. Dabei tritt eine sehr schwache, leicht weißlich Trübung der Oberfläche auf. Das durch eine Eloxalschicht gleichmäßiger Dicke überzogene Blech wird mit Metallkolloiden beschichtet. Um eine optimale Farbgebung zu erreichen wird die Eloxalschicht mit Glycidylsilan beschicht, indem die eloxierte Folie über Nacht in Silanatmosphäre über die Dampfphase silanisiert wird. Die Silanschicht wird für 15 Minuten bei 105eC vernetzt. Daraufhin wird die Folie mit einer Lösung von Protein geschützten Metallkolloiden inkubiert. Die Metallkolloide werden in einer konzentrierten Lösung von ca. 1% eingesetzt, um eine möglichst kurze Reaktionszeit zu garantieren. Als Puffer wird z.B. 0,1 M Phosphat pH = 4,5 gewählt. Um die optimale Farbgebung der Oberfläche zu erreichen, ist es von großer Bedeutung, Kolloide mit möglichst breitem Absorptionspektrum zu verwenden.
Beispiel 3: Oberflächengeschützte Farbbleche
Ein nach Beispiel 1 oder 2 hergestelltes Farbblech wird mit Sprüh- oder Tauchlack aus Polyurethan oder Epoxyd-Harz überzogen. Der Lack wird getrocknet und wenn nötig bei erhöhter Temperatur ausgehärtet. Die genauen Aushärtebedingungen sind laut Angaben des Lackherstellers zu wählen.
Beispiel 4: Oberflächengeschützte Farbbleche
Ein nach Beispiel 1 oder 2 hergestelltes Farbblech wird mit Silikatlösung durch Sprüh-, Spinnoder Tauchverfahren überzogen. Das Lösungsmittel wird entfernt und das Silikat bei erhöhter 3

Claims (17)

  1. AT 407 165 B Temperatur, durch UV-Strahtung oder Elektronenstrahlen verglast. Die genauen Aushärtebedingungen sind laut Angaben des Herstellers zu wählen. PATENTANSPRÜCHE: 1. Farbige Bleche, Metallteile und metallisierte Oberflächen dadurch gekennzeichnet, daß auf deren Oberfläche durch ein Eloxalverfahren eine Dünnschicht von weniger als 1000 nm aufgebracht ist, welche an ihrer Oberfläche ein Schicht von metallischen oder Chromophoren Partikeln mit einer Größe von weniger als 200 nm trägt, weiche sichtbare Farbeffekte durch oberfiächenverstärkte Clusterabsorption generieren.
  2. 2. Farbige Bleche, Metallteile und metallisierte Oberflächen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus Aluminium, Titan, Tantal, Wolfram, Vanadium, Magnesium oder einem anderen elektrochemisch oberflächen-oxidierbaren Metall bestehen.
  3. 3. Farbige Bleche, Metallteile und metallisierte Oberflächen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall eine glatte oder rauhe Oberfläche besitzt.
  4. 4. Farbige Bleche, Metallteile und metallisierte Oberflächen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der Schicht von metallischen oder Chromophoren Partikeln aus der Gruppe der Metalle Silber, Gold, Aluminium, Kupfer, Indium oder zumindest aus einem leitfähigen Material ausgewählt ist.
  5. 5. Farbige Bleche, Metallteile und metallisierte Oberflächen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eloxierung oder die Beschichtung mit Clustern in einem zweidimensionalen Muster vorliegt.
  6. 6. Farbige Bleche, Metallteile und metallisierte Oberflächen nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß unterschiedliche Eloxaldicken und damit unterschiedliche Resonanzfarben vorliegen.
  7. 7. Farbige Bleche, Metallteile und metallisierte Oberflächen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach Eloxierung und Beschichtung mit Partikeln das Werkstück durch Lack- und oder glasartige Deckschichten geschützt ist.
  8. 8. Verfahren zum Dünnschichtaufbau zur Farbgebung metallischer Bleche, Metallteile und metallisierte Oberflächen der Art nach einem der Ansprüche 1-7 dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Oberfläche (A) durch elektrochemische Reaktion mit einem nicht-leitenden Film überzogen wird, daß (B) dieser Film mit elektrisch leitenden Inseln mit einem Durchmesser von weniger als 200 nm bedeckt wird, und daß dabei (C) eine starke Färbung der Oberfläche eintritt, abhängig von der Dicke des nichtleitenden Films.
  9. 9. Verfahren zum Dünnschichtaufbau nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, daß die Farbgebung metallischer Oberflächen durch die räumliche Umordnung eines Teils der Partikel verändert wird.
  10. 10 Verfahren zum Dünnschichtaufbau nach den Ansprüchen 8 oder 9 dadurch gekennzeichnet, daß der nichtleitende Dünnfilm in einer Dicke von weniger als 1000 nm aufgebracht wird.
  11. 11. Verfahren zum Dünnschichtaufbau nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die meisten oder alle Inseln ein möglichst breitbandiges Absorptionsspektrum aufweisen.
  12. 12. Verfahren zum Dünnschichtaufbau nach den Ansprüchen 8 oder 9 dadurch gekennzeichnet, daß der nichtleitende Dünnfilm durch Eloxieren eines Aluminiumblechs, einer Aluminiumfolie, einer Aluminumschicht, eines Titanblechs, einer Titanfolie oder einer Titanschicht erzeugt wird.
  13. 13. Verfahren zur Herstellung farbiger Bleche, Metallteile und metallisierte Oberflächen nach den Ansprüchen 1-7 dadurch gekennzeichnet, daß auf deren Oberfläche durch ein Beizverfahren oder Kochen in wässrigen Lösungen eine Dünnschicht von weniger als 1000 nm aufgebracht wird, welche an ihrer Oberfläche ein Schicht von metallischen oder Chromophoren Partikeln mit einer Größe von weniger als 200 nm trägt, welche sichtbare Farben durch oberflächenverstärkte Clusterabsorption generieren.
  14. 14 Verwendung der farbigen Bleche, Metallteile und metallisierten Oberflächen nach zumindest einem der Ansprüche 1, 8, 9 oder 13 als Dekor- und Konstruktionsaluminium. 4 AT 407 165 B
  15. 15. Verwendung der farbigen Bleche, Metallteile und metallisierten Oberflächen nach zumindest einem der Ansprüche 1, 8, 9 oder 13 als Reflektoren in der Lichttechnik.
  16. 16. Verwendung der farbigen Bleche, Metallteile und metallisierten Oberflächen nach zumindest einem der Ansprüche 1, 8, 9 oder 13 als farbige metallisierte Folien, Kunststoffteile oder Gewebe.
  17. 17. Verwendung der farbigen Bleche, Metallteile und metallisierten Oberflächen nach zumindest einem der Ansprüche 1, 8, 9 oder 13 als Sicherheitsmerkmale bei Kreditkarten, Scheckkarten oder anderen im Geld und Personenverkehr wichtigen Zahlungs- und Identifizierungsmittel. HIEZU 1 BLATT ZEICHNUNGEN 5
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