AT521294B1 - Process for coating a substrate - Google Patents

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AT521294B1
AT521294B1 ATA50481/2018A AT504812018A AT521294B1 AT 521294 B1 AT521294 B1 AT 521294B1 AT 504812018 A AT504812018 A AT 504812018A AT 521294 B1 AT521294 B1 AT 521294B1
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Andreas Hinterer MSc
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Inocon Tech Gmbh
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Abstract

Verfahren zur Beschichtung eines Substrats (18), das das Auftragen einer Sol-Gel-Schicht (S) auf das Substrat (18) sowie das Aushärten der auf das Substrat (18) aufgetragenen Sol-Gel-Schicht (S) umfasst, bei dem vorgeschlagen wird, dass die Sol-Gel-Schicht (S) mit Partikel (P) mit einem vor, während oder nach dem Auftragen der Sol-Gel-Schicht (S) auf das Substrat (18) gerichteten und die Partikel (P) enthaltenden, atmosphärischen Plasmastrahl (AP) versehen wird, und nach dem Auftragen der Sol-Gel-Schicht (S) die Aushärtung der Sol-Gel-Schicht (S) durch Bestrahlung mit einem auf die Sol-Gel-Schicht (S) gerichteten, atmosphärischen Plasmastrahl (AP) erfolgt. Die gegenständliche Erfindung ermöglicht ein Verfahren zur Herstellung dauerhafter, harter, Korrosions-, Abrieb- und Verschleißbeständigen Beschichtungen mit biozider Wirkung, das zudem auch wirtschaftlich einsetzbar ist.A method for coating a substrate (18), which comprises applying a sol-gel layer (S) to the substrate (18) and curing the sol-gel layer (S) applied to the substrate (18), in which It is proposed that the sol-gel layer (S) with particles (P) have a layer which contains the particles (P) before, during or after the application of the sol-gel layer (S) onto the substrate (18) , atmospheric plasma jet (AP) is provided, and after the application of the sol-gel layer (S) the curing of the sol-gel layer (S) by irradiation with an atmospheric directed onto the sol-gel layer (S) Plasma jet (AP) takes place. The subject invention enables a process for the production of durable, hard, corrosion, abrasion and wear resistant coatings with a biocidal effect, which is also economically applicable.

Description

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschichtung eines Substrats, das das Aufträgen einer Sol-Gel-Schicht auf das Substrat sowie das Aushärten der auf das Substrat aufgetragenen Sol-Gel-Schicht umfasst, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.The invention relates to a method for coating a substrate, which comprises the application of a sol-gel layer on the substrate and the curing of the sol-gel layer applied to the substrate, according to the preamble of claim 1.

[0002] Öffentliche Verkehrsmittel (Busse, Bahnen, Flugzeuge) sind durch den engen Kontakt der Fahrgäste Hauptübertragungsorte für Bakterien und Viren. Studien zeigten für Nutzer öffentlicher Verkehrsmittel ein mindestens sechsmal so hohes Risiko, an grippalen AtemwegsInfekten zu erkranken. Neben Rhinoviren übertragen sich auch Rota-/Noro-Viren (Auslöser von Diarrhoe) vornehmlich in dichten Menschenansammlungen. Neben viralen werden vielfach auch bakterielle Infektionen mit E. coli, Klebsiella, Proteus, Staph, haemoloticus und saprophyticus, welche zu Darm-, Ohren- und Blasenentzündungen führen, häufig in öffentlichen Verkehrsmitteln übertragen. Dies führte ausgehend von Flugzeugen zu einem verbreiteten Einsatz von HEPA-Filtern in Klimaanlagen und Umluft-Systemen, was das Tröpfcheninfektionsrisiko deutlich minimieren konnte, aber eine Verschiebung hin zu Schmierinfektion über die Hände und anschließenden Transport zu den Schleimhäuten aufzeigte. Bakterien und Viren sind vor allem auf Sitzen, Handgriffen, Tastern/Schaltern, Braille-Blindenschrift-Schildern und Klapptischen zu finden, wobei vermehrt auch nosokomiale Antibiotika-resistente StaphylokokkenTypen aufgefunden werden. Der Transfer ist dabei über harte, nicht-poröse Oberflächen am effizientesten, wobei bis zu 60% aller Personen durch fehlenden Zugang zu Handhygiene während der „Reise hohe Dichten an Fäkalbakterien auf ihren Händen haben. Detaillierte Studien zum Transfer verschiedener Pathogene (d.h. krankheitsauslösende Bakterien, Viren, Sporen) zeigen, dass über den Handkontakt 100% von E. coli, Salmonella spp., Staph. Aureus, 90% von C. albicans, 61% der Rhinoviren, 22-33% der Hepatitis A Viren und 16% der Rotaviren über Oberflächen übertragen werden. Einmal transferierte Bakterien und Viren überleben - abhängig vom Typ - sogar auf trockenen Oberflächen meist mehrere Tage bis Jahre. Schlussendlich zeigten Studien, dass durch die hohe Fahrgastdichte auch eine tägliche Reinigung keinen Einfluss auf die Mikroben hat. Sauberkeit vortäuschende Flächen sind besonders gefährdet, so hat etwa Edelstahl keine antibakterielle/antivirale Wirkung.Public transport (buses, trains, airplanes) are the main transmission points for bacteria and viruses due to the close contact of the passengers. Studies showed that public transport users were at least six times as likely to develop flu-related respiratory infections. In addition to rhinoviruses, rota- / noro-viruses (triggers of diarrhea) are mainly transmitted in crowds of people. In addition to viral infections, bacterial infections with E. coli, Klebsiella, Proteus, Staph, haemoloticus and saprophyticus, which lead to inflammation of the intestines, ears and bladder, are often transmitted by public transport. Starting from aircraft, this led to the widespread use of HEPA filters in air conditioning systems and circulating air systems, which could significantly minimize the risk of droplet infection, but showed a shift towards smear infection via the hands and subsequent transport to the mucous membranes. Bacteria and viruses are mainly found on seats, handles, buttons / switches, braille braille signs and folding tables, although nosocomial antibiotic-resistant staphylococcal types are also increasingly being found. The transfer is most efficient over hard, non-porous surfaces, whereby up to 60% of all people have high densities of faecal bacteria on their hands due to the lack of access to hand hygiene during the trip. Detailed studies on the transfer of various pathogens (i.e. disease-causing bacteria, viruses, spores) show that 100% of E. coli, Salmonella spp., Staph. Aureus, 90% of C. albicans, 61% of rhinoviruses, 22-33% of hepatitis A viruses and 16% of rotaviruses are surface-transmitted. Once transferred, bacteria and viruses - depending on the type - usually survive for several days to years even on dry surfaces. In the end, studies showed that due to the high passenger density, daily cleaning also has no influence on the microbes. Surfaces pretending to be clean are particularly at risk, for example stainless steel has no antibacterial / antiviral effect.

[0003] Daher wurde die Anfertigung von antibakteriellen Oberflächen versucht. So wurde beispielsweise photokatalytisch wirkendes TiO2 in organischen Lacken integriert, wobei speziell die Lebensdauer durch die abrasive Beanspruchung sehr begrenzt ist. Inorganische VakuumBeschichtungen wären deutlich verschleißfester, sind aber für große Flächen technisch schwierig und zu kostenintensiv. Eine weitere Alternative stellt die „Vernickelung (Ni-Sn-Matrix mit TiO2-Partikel) dar, welche jedoch für Nickel-Allergiker problematisch ist und zudem nachträglich nicht mehr ohne Demontage aufgebracht werden kann. Letzteres ist durch die lange Nutzungsdauer (bis zu 35 Jahren) besonders wichtig, um auch vorhandene Verkehrsmittel nachträglich ausstatten zu können.Therefore, the preparation of antibacterial surfaces has been tried. For example, photocatalytic TiO2 has been integrated into organic coatings, with the service life being very limited due to the abrasive stress. Inorganic vacuum coatings would be significantly more wear-resistant, but are technically difficult and too expensive for large areas. Another alternative is nickel plating (Ni-Sn matrix with TiO2 particles), which is problematic for nickel allergy sufferers and can also no longer be applied without disassembly. The latter is particularly important due to the long service life (up to 35 years) in order to be able to retrofit existing means of transport.

[0004] In der DE 10 2009 030 876 A1 wird eine plasmaunterstützte Herstellung von Sol-GelSchichten beschrieben. In der DE 10 2008 001 014 A1 erfolgt eine plasmaunterstützte Herstellung von Sol- Gel-Schichten in Niederdruckverfahren. In der DE 102007041544 A1 wird eine plasmaunterstützte Herstellung einer DLC-Schicht beschrieben. Unterschiedliche Verwendungen eines antimikrobiellen Schichtmaterials werden in der WO 2005049699 A2 beschrieben.[0004] DE 10 2009 030 876 A1 describes a plasma-assisted production of sol-gel layers. DE 10 2008 001 014 A1 is a plasma-assisted production of sol-gel layers using the low-pressure process. DE 102007041544 A1 describes a plasma-assisted production of a DLC layer. Different uses of an antimicrobial layer material are described in WO 2005049699 A2.

[0005] Es besteht somit das Ziel der Erfindung darin ein Verfahren zur dauerhaften, harten, Korrosions-, Abrieb- und Verschleißbeständigen Beschichtung eines Substrats mit biozider Wirkung bereitzustellen, das zudem auch nachträglich und wiederholt wirtschaftlich einsetzbar ist.It is therefore the object of the invention to provide a process for the permanent, hard, corrosion, abrasion and wear-resistant coating of a substrate with a biocidal effect, which is also subsequently and repeatedly economically usable.

[0006] Dieses Ziel wird durch die Merkmale von Anspruch 1 erreicht. Anspruch 1 bezieht sich auf ein Verfahren zur Beschichtung eines Substrats, das das Aufträgen einer Sol-Gel-Schicht auf das Substrat sowie das Aushärten der auf das Substrat aufgetragenen Sol-Gel-Schicht umfasst, wobei erfindungsgemäß vorgesehen ist, dass die Sol-Gel-Schicht mit Partikel mit einem vor, während oder nach dem Aufträgen der Sol-Gel-Schicht auf das Substrat gerichtetenThis aim is achieved by the features of claim 1. Claim 1 relates to a method for coating a substrate, which comprises the application of a sol-gel layer to the substrate and the curing of the sol-gel layer applied to the substrate, the invention providing that the sol-gel layer Layer with particles with a directed before, during or after the application of the sol-gel layer on the substrate

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AT 521 294 B1 2020-02-15 österreichisches patentamt und die Partikel enthaltenden, atmosphärischen Plasmastrahl versehen wird, und nach dem Aufträgen der Sol-Gel-Schicht die Aushärtung der Sol-Gel-Schicht durch Bestrahlung mit einem auf die Sol-Gel-Schicht gerichteten, atmosphärischen Plasmastrahl erfolgt. Das erfindungsgemäße Verfahren sieht somit eine Kombination von Dickschicht- und Dünnschicht-Technologien mittels Sol-Gel-Schichtauftrag und atmosphärischem Plasma vor. Wie noch näher beschrieben werden wird, kann auf diese Weise ein Dickschichtsystem verwirklicht werden, das mit einer hohen Biozid-Partikeldichte in einer verschleißfesten, ebenfalls bioziden Matrix versehen werden kann und durch Korrosionsinhibitoren und Reservoir-bildenden Zwischenschichten ein kontrolliertes Degenerations- und Korrosionsverhalten zeigt.AT 521 294 B1 2020-02-15 Austrian patent office and the atmospheric plasma jet containing the particles, and after the application of the sol-gel layer, the hardening of the sol-gel layer by irradiation with an on the sol-gel layer directed, atmospheric plasma jet takes place. The method according to the invention thus provides for a combination of thick-film and thin-film technologies by means of sol-gel layer application and atmospheric plasma. In this way, as will be described in more detail, a thick-film system can be realized which can be provided with a high biocide particle density in a wear-resistant, also biocidal matrix and which shows controlled degeneration and corrosion behavior through corrosion inhibitors and reservoir-forming intermediate layers.

[0007] Techniken für den Sol-Gel-Schichtauftrag sind hinlänglich bekannt. Mittels der Sol-GelSynthese können aus kolloidalen Dispersionen anorganische oder organisch-anorganische (hybridpolymere) Beschichtungen hergestellt werden. Sol-Gel-Schichten werden überwiegend durch Tauch-oder Sprühverfahren auf 3D- Oberflächen aufgebracht. Die Beschichtung wird in herkömmlicher Weise durch eine Aushärtung bei erhöhter Temperatur thermisch und/oder unter UV-Strahlung photochemisch (bei Zugabe von Photoinitiatoren) abgeschlossen.Techniques for sol-gel layer application are well known. Using sol-gel synthesis, inorganic or organic-inorganic (hybrid polymer) coatings can be produced from colloidal dispersions. Sol-gel layers are predominantly applied to 3D surfaces by dipping or spraying processes. The coating is finished in a conventional manner by curing at elevated temperature thermally and / or under UV radiation photochemically (with the addition of photoinitiators).

[0008] Erfindungsgemäß ist eine Aushärtung der aufgetragenen Sol-Gel-Schicht hingegen durch einen atmosphärischen Plasmastrahl vorgesehen. Beim Atmosphärendruck-Plasma entspricht der Druck im Plasma dem umgebenden Atmosphärendruck, wodurch im Gegensatz zum Nieder-/Hochdruckplasma kein kostenintensives Reaktionsgefäß (z.B. Vakuumkammer) notwendig ist. Derartige Plasmen können durch Düsen (Plasma-Jet), dielektrische Barriereentladung (DBD), Koronaentladung, Elektrofilter und Ionisatoren technisch erzeugt werden, wobei für die technische Herstellung von erfindungsgemäßen Beschichtungen nur die ersten beiden bedeutend sind. Bei Plasmadüsen wird mittels eines Hochfrequenz-Zündimpulses (10 kV) ein Lichtbogen erzeugt und bei konstantem Strom spannungsgeregelt aufrecht erhalten, durch den das Arbeitsgas strömt und ionisiert wird. Der Austritt erfolgt am Düsenkopf als thermisches Heißgasplasma, welcher auf Massepotential liegt und damit potentialführende Teile des Plasmastromes weitgehend zurückhält. Der innere Aufbau der Plasmadüse sowie die genutzte Anregungsspannung und -frequenz definieren die erzielbaren Plasmaeigenschaften wie Dichte oder Energie. Grundsätzlich werden aber eine geringere Temperaturbelastung für das Substrat und damit die Verwendung von z.B. Kunststoffen als Substrat ermöglicht. Alternativ kann durch entsprechende Elektroden- und Düsenform und Gasflüsse ein gegenüber dem Stand der Technik sehr großer Arbeitsabstand (bis 120 mm vs. 30 mm) bei vergrößertem Plasmastrahl-Durchmesser (bis 55 mm vs. 20 mm) genutzt werden, was eine wirtschaftliche Anwendbarkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens für 3D-Oberflächen ermöglicht.According to the invention, however, curing of the applied sol-gel layer is provided by an atmospheric plasma jet. In the case of atmospheric pressure plasma, the pressure in the plasma corresponds to the surrounding atmospheric pressure, which means that, in contrast to the low / high pressure plasma, no cost-intensive reaction vessel (e.g. vacuum chamber) is necessary. Such plasmas can be produced technically by nozzles (plasma jet), dielectric barrier discharge (DBD), corona discharge, electrostatic filters and ionizers, only the first two being significant for the technical production of coatings according to the invention. In the case of plasma nozzles, a high-frequency ignition pulse (10 kV) is used to generate an arc and to maintain the voltage at a constant current, through which the working gas flows and is ionized. The outlet takes place at the nozzle head as thermal hot gas plasma, which is at ground potential and thus largely retains potential-carrying parts of the plasma stream. The internal structure of the plasma nozzle and the excitation voltage and frequency used define the achievable plasma properties such as density or energy. Basically, however, a lower temperature load for the substrate and thus the use of e.g. Allows plastics as a substrate. Alternatively, a suitable working distance compared to the prior art (up to 120 mm vs. 30 mm) with an enlarged plasma jet diameter (up to 55 mm vs. 20 mm) can be used by appropriate electrode and nozzle shape and gas flows, which makes the economic application of the Allows the inventive method for 3D surfaces.

[0009] Erfindungsgemäß wird der atmosphärische Plasmastrahl auch dazu verwendet, die SolGel-Schicht mit Partikel mit einem vor, während oder nach dem Aufträgen der Sol-Gel-Schicht auf das Substrat gerichteten, atmosphärischen Plasmastrahl zu versehen. Bei den Partikeln handelt es sich vorzugsweise um biozide Partikel. Für die Erzielung biozider Wirkung gelangten in jüngerer Vergangenheit Metalle in den Blickpunkt, wobei deren Neigung zur Resistenzbildung gering ist. Derzeit wird überwiegend Silber verwendet, das ein weites Spektrum an antimikrobieller Aktivität für einen Großteil aller nosokomialer Bakterien, Keime, Sporen, Pilze und Viren besitzt. Da Silber auch sehr gut in vivo körperverträglich, nicht-allergen und damit optimal für Oberflächen von Implantaten und chirurgischen Instrumenten geeignet ist, wird dessen großflächiger Einsatz im nichtklinischen Bereich zur Vermeidung der Resistenzbildung jedoch zunehmend kritisch betrachtet bzw. darüber hinaus gesetzlich beschränkt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden daher vorzugsweise biozide Partikel, die Kupfer, Zink oder Wolfram und/ oder deren Oxide, Metallsalze, oder Titandioxid enthalten, vorgeschlagen. Diese Partikel können als pulverförmige Precursormaterialien in Form geeigneter Metallverbindungen dem Plasmastrahl mittels eines Trägergases zugeführt werden, die in weiterer Folge im Plasmastrahl aufschmelzen und im schmelzflüssigen oder teigigen Zustand durch die Volumensexpansion des Plasmastrahls beschleunigt und auf das zu beschichtende Substrat abgeschieden werden. Dieser Vorgang kann vor, während oder nach dem Aufträgen der Sol-Gel-Schicht auf das Substrat erfolgen, wobei das Ziel jeweils in der Herstellung einer Grundierungsschicht oder bedeAccording to the invention, the atmospheric plasma jet is also used to provide the SolGel layer with particles with an atmospheric plasma jet directed before, during or after the application of the Sol-Gel layer. The particles are preferably biocidal particles. In the recent past, metals have come into focus for the achievement of biocidal effects, although their tendency to form resistance is low. Silver is currently predominantly used, which has a broad spectrum of antimicrobial activity for a large part of all nosocomial bacteria, germs, spores, fungi and viruses. Since silver is also very well tolerated in vivo by the body, non-allergenic and therefore optimally suitable for surfaces of implants and surgical instruments, its large-scale use in the non-clinical area to avoid the development of resistance is increasingly viewed critically or is also restricted by law. In the context of the present invention, therefore, biocidal particles which contain copper, zinc or tungsten and / or their oxides, metal salts or titanium dioxide are preferably proposed. These particles can be supplied as powdered precursor materials in the form of suitable metal compounds to the plasma jet by means of a carrier gas, which subsequently melt in the plasma jet and are accelerated in the molten or pasty state by the volume expansion of the plasma jet and deposited on the substrate to be coated. This process can take place before, during or after the application of the sol-gel layer to the substrate, the aim in each case in the production of a primer layer or

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AT 521 294 B1 2020-02-15 österreichisches patentamt ckenden Schicht für die Sol-Gel-Schicht, oder in der Einlagerung der Partikel in die Sol-GelSchicht sowie einer Kombination dieser Maßnahmen bestehen kann. Dabei kann die Erfindung auch breiter eingesetzt werden, indem es sich bei den Partikeln um Nanopartikel, Mikropartikel oder Fasern handelt, die die elektrische Leitfähigkeit, thermische Leitfähigkeit, piezoelektrischen Eigenschaften, magnetischen Eigenschaften, optischen Reflexions- /Transmissions-/EmissionsEigenschaften, optoelektrischen Eigenschaften, biologisch-funktionellen Eigenschaften oder dekorativ-farblichen Eigenschaften der Sol-Gel-Schicht entweder als Ein- oder Anlagerung verändern.AT 521 294 B1 2020-02-15 Austrian patent office covering layer for the sol-gel layer, or in the incorporation of the particles in the sol-gel layer and a combination of these measures. The invention can also be used more broadly in that the particles are nanoparticles, microparticles or fibers which have the electrical conductivity, thermal conductivity, piezoelectric properties, magnetic properties, optical reflection / transmission / emission properties, optoelectric properties, biological -functional properties or decorative-colored properties of the sol-gel layer change either as storage or attachment.

[0010] Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung erfolgt der Sol-Gel-Schichtauftrag mittels einer Sol-Gel-Matrix, die bereits biozid wirkende quaternäre Ammoniumsalze enthält, beispielsweise Q-POSS, um die biozide Wirksamkeit der Beschichtung noch zu erhöhen. Zudem kann vorgesehen sein, dass der Sol-Gel-Schichtauftrag mittels einer Sol-Gel-Matrix erfolgt, die Cer enthält, um die Korrosionsbeständigkeit der ausgehärteten Sol-Gel-Schicht zu erhöhen.According to one embodiment of the invention, the sol-gel layer application is carried out by means of a sol-gel matrix that already contains biocidal quaternary ammonium salts, for example Q-POSS, in order to increase the biocidal effectiveness of the coating even further. In addition, it can be provided that the sol-gel layer is applied by means of a sol-gel matrix that contains cerium in order to increase the corrosion resistance of the hardened sol-gel layer.

[0011] Nach dem Aufträgen der mit bioziden Eigenschaften ausgestatteten Sol-Gel-Schicht erfolgt erfindungsgemäß die Aushärtung der Sol-Gel-Schicht durch Bestrahlung mit einem auf die Sol-Gel-Schicht gerichteten, atmosphärischen Plasmastrahl. Die Aushärtung kann mit demselben Plasmaerzeuger erfolgen, mit dem auch die Sol-Gel-Schicht mit Partikel versehen wurde, wobei lediglich die Zufuhr des Precursormaterials für die Einbringung der Partikel in den Plasmastrahl unterbunden wird. Die Aushärtung der Sol-Gel-Schicht mittels atmosphärischem Plasmastrahl kann rascher erfolgen als mit herkömmlicher thermischer Behandlung, sodass höhere Schichtdicken verwirklicht werden können, und insbesondere auch die Herstellung eines Mehrlagenaufbaus der aufgebrachten Schicht wirtschaftlich möglich ist, indem mehrere Sol-GelSchichten jeweils nach Aushärtung durch das atmosphärische Plasma nacheinander auf das Substrat aufgebracht werden. Das atmosphärische Plasma hat sich auch als überaus geeignet für die Aushärtung einer Sol-Gel-Schicht erwiesen. Aufgrund der hohen, aber kurz einwirkenden Temperaturen des atmosphärischen Plasmas - die Kerntemperatur eines atomsphärischen Plasmas beträgt etwa 5000-10.000°C - kann eine Sol-Gel-Schicht auch bei hohen Schichtdicken rasch und rissfrei ausgehärtet werden. Zudem kann auch die im Plasma erzeugte UVStrahlung für die Aushärtung genutzt werden, insbesondere bei Präsenz von Photoinitiatoren in der Sol-Gel-Schicht. Durch die erfindungsgemäße Anwendung von Atmosphärendruck-Prozessen, nämlich des Sol-Gel-Schichtauftrages und der Atmosphären-Plasmabehandlung, können auch kontinuierliche Verfahren verwirklicht werden, indem das Substrat von einem Ort des SolGel-Schichtauftrages zum Plasmakopf bewegt wird. Auch eine gleichzeitige Oberflächenbehandlung des Substrats mit Sol-Gel-Schichtauftrag und Plasmabehandlung ist denkbar. Zudem ist es auch denkbar, bloß ausgewählte Teilbereiche der aufgetragenen Sol-Gel-Schicht mit dem atmosphärischen Plasma zu härten und die verbleibenden Bereiche der Sol-Gel-Schicht wieder zu entfernen, um somit nur ausgewählte Teilbereiche des Substrats zu beschichten. Durch die erfindungsgemäße Anwendung von Atmosphärendruck-Prozessen ist außerdem eine wirtschaftliche Realisierbarkeit gewährleistet.After the application of the sol-gel layer equipped with biocidal properties, the sol-gel layer is cured according to the invention by irradiation with an atmospheric plasma jet directed onto the sol-gel layer. Curing can be carried out with the same plasma generator with which the sol-gel layer was also provided with particles, only the supply of the precursor material for the introduction of the particles into the plasma beam being prevented. The hardening of the sol-gel layer by means of atmospheric plasma jet can be carried out more quickly than with conventional thermal treatment, so that higher layer thicknesses can be achieved, and in particular the production of a multilayer structure of the applied layer is economically possible by using several sol-gel layers each after hardening the atmospheric plasma are successively applied to the substrate. The atmospheric plasma has also proven to be extremely suitable for curing a sol-gel layer. Due to the high, but briefly acting temperatures of the atmospheric plasma - the core temperature of an atomic plasma is approximately 5000-10,000 ° C - a sol-gel layer can be cured quickly and crack-free even with high layer thicknesses. In addition, the UV radiation generated in the plasma can also be used for curing, in particular when photoinitiators are present in the sol-gel layer. Through the use of atmospheric pressure processes according to the invention, namely the sol-gel layer application and the atmospheric plasma treatment, continuous processes can also be realized by moving the substrate from one location of the SolGel layer application to the plasma head. Simultaneous surface treatment of the substrate with sol-gel layer application and plasma treatment is also conceivable. In addition, it is also conceivable to harden only selected partial areas of the applied sol-gel layer with the atmospheric plasma and to remove the remaining areas of the sol-gel layer in order to coat only selected partial areas of the substrate. The use of atmospheric pressure processes according to the invention also ensures economic feasibility.

[0012] Vorzugsweise wird zudem vorgeschlagen, dass die Partikel dem die Aushärtung der SolGel-Schicht bewirkenden, atmosphärischen Plasmastrahl als Beschichtungsmaterial beigemengt werden. Der Auftrag des Beschichtungsmaterials kann wiederum mit demselben Plasmaerzeuger erfolgen, wobei dem Plasmastrahl lediglich ein geeigneter Precursor für die gewünschte Beschichtung zugeführt wird. Vorzugsweise handelt es dabei um einen polymerisierbaren Precursor. Mittels Plasmapolymerisations-Prozessen unter Atmosphärendruck können etwa in bekannter Weise SiO2-, TiO2-, SnOx-, CrOx-, diamantähnliche Kohlenstoff- und Polymer-Schichten hergestellt werden. Der Prozess läuft dabei ausgehend von der Bildung von Radikalen in der Gasphase durch Kollision mit umgebenden Partikeln und die sehr intensive UV-Strahlung im Plasma ab, wodurch Polymerisation ermöglicht wird. Die Struktur der Plasmapolymere ist vor allem bei niedriger Energiezufuhr je Precursor-Monomer nahe jener von konventionellen Polymeren. Die Zugabe dieser Precursoren (z.B. HMDSO, TEOS, TiCI4, C2H2, etc.) kann in der hochionisierten Entladungszone oder erst in der Zone von quasineutralem Plasma ohne Wechselwirkung von Elektronen und Ionen erfolgen. Eine Sonderstellung stellt dieIt is also preferably proposed that the particles be admixed as coating material to the atmospheric plasma jet which causes the hardening of the SolGel layer. The coating material can in turn be applied with the same plasma generator, the plasma jet merely being supplied with a suitable precursor for the desired coating. It is preferably a polymerizable precursor. By means of plasma polymerization processes under atmospheric pressure, SiO2, TiO2, SnO x , CrO x , diamond-like carbon and polymer layers can be produced in a known manner. The process is based on the formation of radicals in the gas phase by collision with surrounding particles and the very intense UV radiation in the plasma, which enables polymerization. The structure of the plasma polymers is close to that of conventional polymers, especially with low energy input per precursor monomer. These precursors (eg HMDSO, TEOS, TiCI4, C2H2, etc.) can be added in the highly ionized discharge zone or only in the zone of quasi-neutral plasma without interaction of electrons and ions. The has a special position

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AT 521 294 B1 2020-02-15 österreichisches patentamt „atmospheric plasma liquid deposition“ dar, wo Tröpfchen anstatt Precursor-Dampf in das Plasma eingesprüht werden, wodurch die Schädigung von fragilen organischen Molekülen durch Ionisation verhindert wird. Die erfindungsgemäße Verwendung eines atmosphärischen Plasmastrahls ermöglicht somit neben der Aushärtung und Oberflächenmodifikation aufgrund der intensiven (UV-)Strahlung auch die Herstellung von Polymer- und oxidkeramischen Dünnschichten, wobei durch den deutlich größeren Arbeitsabstand entscheidende Vorteile in der Anwendung an 3D-0bjekten erzielt werden. Die (gleichzeitige) Nutzung von Precursoren zur Schichtabscheidung ist dabei sehr vorteilhaft für eine Single-Step-Funktionalisierung während der Aushärtung, d.h. der Nutzung von Zwischenschichten zur Zähigkeits-, Härte- oder Verschleißfestigkeits-Erhöhung und als Permeations-Sperrschichten zur Erhöhung des Korrosionsschutzes durch Minimierung der Nanoporosität. Alternativ kann es sich bei dem Beschichtungsmaterial auch um metallische oder keramische Partikel handeln.AT 521 294 B1 2020-02-15 Austrian patent office “atmospheric plasma liquid deposition”, where droplets are sprayed into the plasma instead of precursor vapor, which prevents damage to fragile organic molecules by ionization. The use of an atmospheric plasma jet according to the invention thus enables not only curing and surface modification due to the intense (UV) radiation, but also the production of polymer and oxide-ceramic thin layers, whereby the significantly larger working distance gives decisive advantages in the use of 3D objects. The (simultaneous) use of precursors for layer deposition is very advantageous for a single-step functionalization during curing, i.e. the use of intermediate layers to increase toughness, hardness or wear resistance and as permeation barrier layers to increase corrosion protection by minimizing nanoporosity. Alternatively, the coating material can also be metallic or ceramic particles.

[0013] In entsprechender Weise wird eine Beschichtung eines Substrats mit biozider Wirkung vorgeschlagen, die eine ausgehärtete Sol- Gel-Schicht enthaltend Kupfer, Zink, Wolfram und/ oder deren Oxide, Metallsalze, oder Titandioxid umfasst, sowie eine Schicht, die aus einem polymerisierten und mittels eines atmosphärischen Plasmastrahles polymerisierbaren Precursor gebildet wird. Bei dem mittels eines atmosphärischen Plasmastrahles polymerisierbaren Precursor handelt es sich vorzugsweise um HMDSO oder TEOS. Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich dabei erweitern, indem mithilfe einer Abfolge von Sol-Gel-Schichtaufträgen und Bestrahlungen mit dem atmosphärischen Plasmastrahl ein Mehrlagenaufbau erfolgt. Durch den Mehrlagenaufbau können hohe Schichtdicken erzielt werden, die die Funktionsfähigkeit der bioziden Beschichtung über lange Zeit aufrechterhalten. Des Weiteren wird eine Beschichtung eines Substrats mit biozider Wirkung vorgeschlagen, die eine ausgehärtete Sol-Gel-Schicht enthaltend Kupfer, Zink, Wolfram und/oder deren Oxide, Metallsalze, oder Titandioxid umfasst, sowie eine Schicht, die aus metallischen oder keramischen Partikeln gebildet wird. Die Erfindung wird in weiterer Folge anhand von Ausführungsbeispielen mithilfe der beiliegenden Figuren näher erläutert. Hierbei zeigen dieIn a corresponding manner, a coating of a substrate with a biocidal effect is proposed, which comprises a hardened sol-gel layer containing copper, zinc, tungsten and / or their oxides, metal salts, or titanium dioxide, and a layer which consists of a polymerized and polymerizable precursor is formed by means of an atmospheric plasma jet. The precursor polymerizable by means of an atmospheric plasma jet is preferably HMDSO or TEOS. The method according to the invention can be expanded in that a multilayer structure is carried out with the aid of a sequence of sol-gel layer applications and irradiation with the atmospheric plasma jet. Thanks to the multilayer structure, high layer thicknesses can be achieved, which maintain the functionality of the biocidal coating over a long period of time. Furthermore, a coating of a substrate with a biocidal effect is proposed, which comprises a hardened sol-gel layer containing copper, zinc, tungsten and / or their oxides, metal salts, or titanium dioxide, and a layer which is formed from metallic or ceramic particles , The invention is explained in more detail below on the basis of exemplary embodiments with the aid of the attached figures. Here show the

[0014] Fig. 1 Figure 1 eine Schnittansicht durch eine mögliche Ausführungsform eines Plasmaerzeugers zur Aushärtung der Sol-Gel-Schicht und zur Zufuhr der bioziden Partikel sowie des Beschichtungsmaterials, 2 shows a sectional view through a possible embodiment of a plasma generator for curing the sol-gel layer and for supplying the biocidal particles and the coating material, [0015] Fig. 2a Fig. 2a eine schematische Darstellung einer möglichen Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, 1 shows a schematic representation of a possible embodiment of the method according to the invention, [0016] Fig. 2b Figure 2b eine schematische Darstellung einer weiteren möglichen Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, 1 shows a schematic representation of another possible embodiment of the method according to the invention, [0017] Fig. 3a Fig. 3a eine schematische Darstellung einer durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellten Beschichtung, und die is a schematic representation of a coating produced by the method according to the invention, and the [0018] Fig. 3b Fig. 3b eine schematische Darstellung eines durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellten Mehrlagenaufbaus. is a schematic representation of a multi-layer structure produced by the inventive method.

[0019] Zunächst wird anhand der Fig. 1 eine mögliche Ausführungsform eines Plasmaerzeugers 1 zur Aushärtung einer Sol-Gel-Schicht S und zur Zufuhr von Partikel P als Ein- oder Anlagerungen der Sol-Gel-Schicht S beschrieben. Die Vorrichtung umfasst einen Plasmaerzeuger 1, der eine Kathode 2 und eine Anode 5 aufweist. Die Kathode 2 ist zylindrisch ausgeführt und weist an ihrem freien Ende einen konischen Endbereich 3 auf, der im gezeigten Ausführungsbeispiel in einen Austrittskanal 4 für den Plasmastrahl AP ragt. Die Anode 5 ist koaxial zur Kathode 2 angeordnet, wobei die Kathode 2 und die Anode 5 mit einer steuerbaren Spannungsquelle 6 verbunden sind. Zwischen der Kathode 2 und der Anode 5 wird eine Gleichspannung im Bereich von 10-30 V bei einem Strom von 60-500 A angelegt. Die elektrische Leistung des Plasmaerzeugers bewegt sich dabei im Bereich von 600-10000 W. Die Kathode 2 kann wahlweise in ihrem Inneren mit einer Kathodenkühlung (in der Fig. 1 nicht dargestellt) versehen sein. Des Weiteren sind im Mantelkörper des Plasmaerzeugers 1 Kühlmittelkanäle 10 vorgesehen, die mit einer Kühlmittelquelle 11 verbunden sind und den Plasmaerzeuger 1 kühlen.1, a possible embodiment of a plasma generator 1 for curing a sol-gel layer S and for supplying particles P as deposits or deposits of the sol-gel layer S will be described. The device comprises a plasma generator 1, which has a cathode 2 and an anode 5. The cathode 2 is cylindrical and has at its free end a conical end region 3 which, in the exemplary embodiment shown, projects into an outlet channel 4 for the plasma jet AP. The anode 5 is arranged coaxially to the cathode 2, the cathode 2 and the anode 5 being connected to a controllable voltage source 6. A DC voltage in the range of 10-30 V at a current of 60-500 A is applied between the cathode 2 and the anode 5. The electrical power of the plasma generator is in the range of 600-10000 W. The inside of the cathode 2 can optionally be provided with cathode cooling (not shown in FIG. 1). Furthermore, coolant channels 10 are provided in the jacket body of the plasma generator 1, which are connected to a coolant source 11 and cool the plasma generator 1.

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AT 521 294 B1 2020-02-15 österreichisches patentamt [0020] Die Kathode 2 und die Anode 5 begrenzen einen Arbeitsgaskanal 7, der mit einer steuerbaren Arbeitsgasquelle 8 verbunden ist. Als Arbeitsgas können beispielsweise Argon, Helium, Stickstoff oder vorrangig inerte Mischgase wie etwa Argon-Wasserstoff-Mischgase oder auch Luft verwendet werden. Der Arbeitsgaskanal 7 mündet in den Austrittskanal 4, der sich über eine Ausströmöffnung 9 in die umgebende Atmosphäre öffnet. Im Betrieb wird an die Kathode 2 und die Anode 5 eine Spannung angelegt, die ausreichend hoch gewählt ist um zwischen dem spitz zulaufenden Endbereich der Kathode 2 und der die Kathode 2 umgebenden Anode 5 einen Lichtbogen zu zünden. Diese elektrische Entladung ionisiert das den Arbeitskanal 7 durchströmende Arbeitsgas, das in weiterer Folge als Plasma den Austrittskanal 4 durchströmt und als Plasmastrahl AP über die Ausströmöffnung 9 in die umgebende Atmosphäre austritt. Der an die Ausströmöffnung 9 angrenzende Atmosphärenbereich wird dabei in weiterer Folge als Ausströmbereich 14 bezeichnet und wird in der Fig. 1 mit punktierten Linien angedeutet. Die Ausströmweite des Plasmastrahls AP in der umgebenden Atmosphäre hängt insbesondere vom Betriebsdruck der Arbeitsgasquelle 8 und des angelegten Stromes an Kathode 2 und Anode 5 ab.AT 521 294 B1 2020-02-15 Austrian Patent Office [0020] The cathode 2 and the anode 5 delimit a working gas channel 7, which is connected to a controllable working gas source 8. For example, argon, helium, nitrogen or primarily inert mixed gases such as argon-hydrogen mixed gases or also air can be used as the working gas. The working gas channel 7 opens into the outlet channel 4, which opens into the surrounding atmosphere via an outflow opening 9. In operation, a voltage is applied to the cathode 2 and the anode 5 which is selected to be sufficiently high to ignite an arc between the tapering end region of the cathode 2 and the anode 5 surrounding the cathode 2. This electrical discharge ionizes the working gas flowing through the working channel 7, which subsequently flows through the outlet channel 4 as a plasma and exits as a plasma jet AP into the surrounding atmosphere via the outflow opening 9. The atmospheric area adjoining the outflow opening 9 is subsequently referred to as the outflow area 14 and is indicated in FIG. 1 with dotted lines. The outflow of the plasma jet AP in the surrounding atmosphere depends in particular on the operating pressure of the working gas source 8 and the current applied to the cathode 2 and anode 5.

[0021] Am Plasmaerzeuger 1 ist an seinem ausströmseitigen Ende ferner eine Halterung 12 angeordnet, über die eine Zufuhreinrichtung eines entsprechenden Precursormaterials PP für einen ersten Typ einzubringender Partikel P sowie den Precursor PB für einen als Beschichtungsmaterial B dienenden, zweiten Typ einzubringender Partikel P befestigt ist. Die Zufuhreinrichtung umfasst im gezeigten Ausführungsbeispiel zwei Zufuhrrohre 13, die einlassseitig jeweils mit einem Verdampfer 15 für das Precursormaterial PP für einen ersten Typ einzubringender Partikel P sowie für den Precursor PB für einen als Beschichtungsmaterial B dienenden, zweiten Typ einzubringender Partikel P verbunden sind und auslassseitig jeweils eine Austrittsöffnung 16 aufweisen, die in den Ausströmbereich 14 gerichtet sind. Der Verdampfer 15 ist mit zumindest einem Vorratsbehälter 17 für den Precursor PB oder für das Precursormaterial PP verbunden.On the plasma generator 1, a holder 12 is also arranged at its outflow end, via which a feed device of a corresponding precursor material PP for a first type of particle P to be introduced and the precursor PB for a coating material B serving as a second type of particle P to be attached , In the exemplary embodiment shown, the feed device comprises two feed tubes 13, each of which is connected on the inlet side to an evaporator 15 for the precursor material PP for a first type of particle P to be introduced, and for the precursor PB for a second type of particle P to be used as coating material B, and on the outlet side in each case have an outlet opening 16 which are directed into the outflow region 14. The evaporator 15 is connected to at least one storage container 17 for the precursor PB or for the precursor material PP.

[0022] Die Fig. 2a zeigt eine schematische Darstellung einer möglichen Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens als kontinuierliches Verfahren, bei dem das Substrat 18 von einem Ort des Auftrages einer Sol-Gel-Schichtmatrix SM zum Plasmaerzeuger 1 bewegt wird. Bei gewünschter Herstellung eines Multilagenaufbaus kann auch eine abwechselnde Positionierung zwischen dem Ort des Auftrages der Sol-Gel-Schichtmatrix SM und dem Plasmaerzeuger 1 eingenommen werden (strichlierter Pfeil in der Fig. 2a). Die Fig. 2b zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren möglichen Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem eine gleichzeitige Oberflächenbehandlung des Substrats 18 durch den Auftrag einer Sol-GelSchichtmatrix SM und Plasmabehandlung erfolgt.2a shows a schematic representation of a possible embodiment of the method according to the invention as a continuous method in which the substrate 18 is moved from a place of application of a sol-gel layer matrix SM to the plasma generator 1. If a multilayer structure is desired, an alternating positioning between the location of the application of the sol-gel layer matrix SM and the plasma generator 1 can also be assumed (dashed arrow in FIG. 2a). 2b shows a schematic representation of a further possible embodiment of the method according to the invention, in which a simultaneous surface treatment of the substrate 18 is carried out by applying a sol-gel layer matrix SM and plasma treatment.

[0023] Zunächst erfolgt das Aufträgen einer Sol-Gel-Schichtmatrix SM auf das Substrat 18, im gezeigten Ausführungsbeispiel der Fig. 2 etwa mithilfe eines Sprühverfahrens. Verfahren zum Aufträgen einer Sol-Gel-Schichtmatrix SM auf einem Substrat 18 sind hinlänglich bekannt. Dabei können mittels der Sol-Gel-Synthese aus kolloidalen Dispersionen anorganische oder organisch-anorganische (hybrid-polymere) Beschichtungen hergestellt werden, wobei die chemische Verfahrenstechnik zunächst eine Hydrolyse-Reaktion des Alkoholate-Vorläufers erfordert (Bildung von „Sol-Teilchen“). Diese werden durch Säure- oder Basenzugabe katalytisch zu Ketten kondensiert. Vorläufermoleküle basieren oftmals auf Silizium- (TEOS, TMOS), Titanoder Zirkon-Verbindungen, wobei durch Einbindung entsprechender organo-funktioneller Siliziumverbindungen in das anorganische Netzwerk bei der Kondensation die Eigenschaften der resultierenden Sol-Gel-Schichten S gezielt eingestellt werden. Möglichkeiten umfassen die Flexibilisierung des Netzwerks, Einstellung der Aushärtebedingungen, Ausbildung eines zusätzlichen organischen Netzwerks (neben dem anorganischen), Variation der Oberflächenenergie, oder die Erhöhung der Kratzbeständigkeit durch Co-Kondensation mit Metall-Alkoxiden wie z. B. Aluminium-Alkoxid. Alle wesentlichen Grundreaktionen, d.h. Hydrolyse und die anschließenden Kondensationsreaktion zwischen den entstehenden reaktiven Spezies zur Bildung des 3DNetzwerks, sind dynamische Prozesse vieler ineinandergreifender Gleichgewichtsreaktionen und können über den pH-Wert, Temperatur oder Vorläufermolekül-Konzentrationen gesteuertFirst, a sol-gel layer matrix SM is applied to the substrate 18, in the exemplary embodiment shown in FIG. 2, for example using a spraying method. Methods for applying a sol-gel layer matrix SM to a substrate 18 are well known. Using sol-gel synthesis, inorganic or organic-inorganic (hybrid polymer) coatings can be produced from colloidal dispersions, whereby chemical process engineering first requires a hydrolysis reaction of the alcoholate precursor (formation of “sol particles”). These are catalytically condensed into chains by adding acid or base. Precursor molecules are often based on silicon (TEOS, TMOS), titanium or zirconium compounds, the properties of the resulting sol-gel layers S being selectively adjusted in the condensation by incorporating appropriate organo-functional silicon compounds in the inorganic network. Possibilities include making the network more flexible, setting the curing conditions, forming an additional organic network (in addition to the inorganic), varying the surface energy, or increasing the scratch resistance through co-condensation with metal alkoxides such as. B. aluminum alkoxide. All essential basic reactions, i.e. Hydrolysis and the subsequent condensation reaction between the resulting reactive species to form the 3D network are dynamic processes of many interlocking equilibrium reactions and can be controlled via pH, temperature or precursor molecule concentrations

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AT 521 294 B1 2020-02-15 österreichisches patentamt werden. Alternativ zu Sprühverfahren können Sol-Gel-Schichten S auch durch Tauchverfahren oder Rotationsbeschichtung (Spincoating) auf 3D-Oberflächen aufgebracht werden.AT 521 294 B1 2020-02-15 Austrian patent office. As an alternative to the spraying process, sol-gel layers S can also be applied to 3D surfaces by immersion processes or spin coating.

[0024] Der Sol-Gel-Schichtauftrag kann mittels einer Sol-Gel-Schichtmatrix SM erfolgen, die bereits biozide Substanzen enthält, etwa biozid wirkende quaternäre Ammoniumsalze, insbesondere Q-POSS. Zudem kann vorgesehen sein, dass der Sol- Gel-Schichtauftrag mittels einer Sol-Gel-Schichtmatrix SM erfolgt, die Cer enthält, um die Korrosionsbeständigkeit der ausgehärteten Sol-Gel-Schicht S zu erhöhen.The sol-gel layer application can be carried out by means of a sol-gel layer matrix SM, which already contains biocidal substances, for example biocidal quaternary ammonium salts, in particular Q-POSS. In addition, it can be provided that the sol-gel layer is applied by means of a sol-gel layer matrix SM which contains cerium in order to increase the corrosion resistance of the hardened sol-gel layer S.

[0025] Als Substrat 18 können metallische Werkstoffe, aber auch Kunststoffe, insbesondere Thermoplasten, verwendet werden, da aufgrund des indirekt übertragenen Lichtbogens bei der anschließenden Plasmabehandlung sowohl elektrisch leitfähige als auch nicht-leitfähige Substrate wie glasartige Werkstoffe, Verbundwerkstoffe (CFK/GFK) oder Kunststoffe beschichtet werden können.As the substrate 18, metallic materials, but also plastics, in particular thermoplastics, can be used because, due to the indirectly transmitted arc in the subsequent plasma treatment, both electrically conductive and non-conductive substrates such as glass-like materials, composite materials (CFRP / GFRP) or Plastics can be coated.

[0026] Im gezeigten Ausführungsbeispiel der Fig. 2a wird das Substrat 18 nach dem Aufträgen der Sol-Gel-Schicht S dem Plasmastrahl AP eines Plasmaerzeugers 1 ausgesetzt, um Partikel P eines ersten Typs, etwa biozide Partikel, in die Sol-Gel-Schicht S einzubringen. Falls die SolGel-Schicht S bereits biozide Substanzen enthält, kann dieser Schritt auch entfallen. Die Partikel P werden dabei in Form eines entsprechenden Precursormaterials PP dem Verdampfer 15 und in weiterer Folge mittels eines Trägergases dem Plasmastrahl AP beigefügt und in Form der Partikel P auf das Substrat 18 aufgetragen, wo sie in die Sol-Gel-Schicht S eingelagert werden. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden vorzugsweise biozide Partikel P, die Kupfer, Zink oder Wolfram und/oder deren Oxide, oder Titandioxid enthalten, vorgeschlagen. Die Fig. 2b zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren möglichen Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem eine gleichzeitige Oberflächenbehandlung des Substrats 18 durch den Auftrag einer Sol-Gel-Schicht S und Einbringen der Partikel P durch das atmosphärische Plasma AP erfolgt.In the exemplary embodiment shown in FIG. 2a, the substrate 18 after the application of the sol-gel layer S is exposed to the plasma jet AP of a plasma generator 1 in order to particles P of a first type, such as biocidal particles, into the sol-gel layer S to bring. If the SolGel layer S already contains biocidal substances, this step can also be omitted. The particles P are added in the form of a corresponding precursor material PP to the evaporator 15 and subsequently to the plasma jet AP by means of a carrier gas and applied in the form of the particles P to the substrate 18, where they are embedded in the sol-gel layer S. In the context of the present invention, biocidal particles P which preferably contain copper, zinc or tungsten and / or their oxides or titanium dioxide are preferably proposed. 2b shows a schematic representation of a further possible embodiment of the method according to the invention, in which a simultaneous surface treatment of the substrate 18 is carried out by applying a sol-gel layer S and introducing the particles P through the atmospheric plasma AP.

[0027] Nach dem Aufträgen der Sol-Gel-Schicht S erfolgt erfindungsgemäß die Aushärtung der Sol-Gel-Schicht S durch Bestrahlung mit einem auf die Sol-Gel-Schicht S gerichteten, atmosphärischen Plasmastrahl AP. Hierbei können dem die Aushärtung der Sol-Gel-Schicht S bewirkenden, atmosphärischen Plasmastrahl AP als Beschichtungsmaterial B dienende Partikel P eines zweiten Typs beigemengt werden. Der Auftrag dieses Beschichtungsmaterials B kann wiederum mit demselben Plasmaerzeuger 1 erfolgen, wobei dem Plasmastrahl AP lediglich ein geeigneter Precursor PB für die gewünschte Beschichtung zugeführt wird. Vorzugsweise handelt es dabei um einen polymerisierbaren Precursor PB. Die Zugabe dieser Precursoren PB, vorzugsweise HMDSO oder TEOS, zum Plasmastrahl AP kann in der hochionisierten Entladungszone oder erst in der Zone von quasineutralem Plasma ohne Wechselwirkung von Elektronen und Ionen erfolgen. Die erfindungsgemäße Verwendung eines atmosphärischen Plasmastrahls AP ermöglicht somit neben der Aushärtung und Oberflächenmodifikation aufgrund der intensiven (UV-)Strahlung auch die Herstellung von Polymer- und oxidkeramischen Dünnschichten, wobei durch den deutlich größeren Arbeitsabstand entscheidende Vorteile in der Anwendung an 3D-Objekten erzielt werden.After the application of the sol-gel layer S, the sol-gel layer S is cured according to the invention by irradiation with an atmospheric plasma jet AP directed onto the sol-gel layer S. Particles P of a second type serving as coating material B can be admixed with the atmospheric plasma jet AP causing the hardening of the sol-gel layer S. This coating material B can in turn be applied with the same plasma generator 1, the plasma jet AP only being supplied with a suitable precursor PB for the desired coating. It is preferably a polymerizable precursor PB. These precursors PB, preferably HMDSO or TEOS, can be added to the plasma jet AP in the highly ionized discharge zone or only in the zone of quasi-neutral plasma without interaction of electrons and ions. The use of an atmospheric plasma jet AP according to the invention thus enables not only curing and surface modification due to the intense (UV) radiation, but also the production of polymer and oxide-ceramic thin layers, the decisive advantage being achieved in the use of 3D objects due to the significantly larger working distance.

[0028] Die Aushärtung der Sol-Gel-Schicht mittels atmosphärischem Plasmastrahl AP kann rascher erfolgen als mit herkömmlicher thermischer Behandlung, sodass höhere Schichtdicken verwirklicht werden können, und insbesondere auch ein Mehrlagenaufbau der aufgebrachten Schicht wirtschaftlich möglich ist, indem mehrere Sol-Gel-Schichten S jeweils nach Aushärtung durch das atmosphärische Plasma AP nacheinander auf das Substrat 18 aufgebracht werden, wie anhand der Fig. 3 erläutert wird.The curing of the sol-gel layer by means of atmospheric plasma jet AP can be carried out more quickly than with conventional thermal treatment, so that higher layer thicknesses can be achieved, and in particular a multilayer structure of the applied layer is economically possible by using several sol-gel layers S are applied successively to the substrate 18 after curing by the atmospheric plasma AP, as will be explained with reference to FIG. 3.

[0029] Hierbei zeigt die Fig. 3a eine schematische Darstellung einer durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellten Beschichtung umfassend eine Sol-Gel-Schicht S und eine Schicht eines Beschichtungsmaterials B, und die Fig. 3b eine schematische Darstellung eines durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellten Mehrlagenaufbaus umfassend zwei SolGel-Schichten S und zwei Schichten eines Beschichtungsmaterials B. In die Sol-Gel-Schicht S sind dabei biozide Partikel P etwa in Form biozider Metall(oxid)partikel eingebettet. Zudem kann3a shows a schematic representation of a coating produced by the method according to the invention comprising a sol-gel layer S and a layer of a coating material B, and FIG. 3b shows a schematic representation of a multilayer structure produced by the method according to the invention two SolGel layers S and two layers of a coating material B. Biocidal particles P are embedded in the sol-gel layer S, for example in the form of biocidal metal (oxide) particles. It can also

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AT 521 294 B1 2020-02-15 österreichisches patentamt die Sol- Gel-Schicht S biozid wirkende quaternäre Ammoniumsalze enthalten, um die biozide Wirksamkeit der Beschichtung noch zu erhöhen. Zudem kann vorgesehen sein, dass die SolGel-Schicht S Cer-basierte Korrosionsinhibitoren enthält, um die Korrosionsbeständigkeit der ausgehärteten Sol-Gel-Schicht S zu erhöhen. Des Weiteren umfasst die Beschichtung gemäß der Fig. 3a und 3b eine Schicht eines Beschichtungsmaterials B, die im gezeigten Ausführungsbeispiel aus einem polymerisierten und mittels eines atmosphärischen Plasmastrahles AP polymerisierbaren Precursor PB gebildet wird. Bei dem mittels eines atmosphärischen Plasmastrahles AP polymerisierbaren Precursor PB handelt es sich etwa um HMDSO oder TEOS. Diese Schicht kann als Permeations-Sperrschicht bezeichnet werden, da sie eine räumliche Abgrenzung des durch die Partikel P der Sol- Gel-Schicht S gegebenen bioziden Reservoirs darstellt.AT 521 294 B1 2020-02-15 Austrian patent office contain the sol-gel layer S biocidal quaternary ammonium salts to increase the biocidal effectiveness of the coating. In addition, it can be provided that the SolGel layer S contains cerium-based corrosion inhibitors in order to increase the corrosion resistance of the hardened sol-gel layer S. Furthermore, the coating according to FIGS. 3a and 3b comprises a layer of a coating material B which, in the exemplary embodiment shown, is formed from a polymerized precursor PB which is polymerizable by means of an atmospheric plasma jet AP. The precursor PB polymerizable by means of an atmospheric plasma jet AP is, for example, HMDSO or TEOS. This layer can be referred to as a permeation barrier layer since it represents a spatial delimitation of the biocidal reservoir given by the particles P of the sol-gel layer S.

[0030] Durch den in der Fig. 3 gezeigten Mehrlagenaufbau können hohe Schichtdicken erzielt werden, die die Funktionsfähigkeit der bioziden Beschichtung über lange Zeit aufrechterhalten. Die gegenständliche Erfindung ermöglicht somit ein Verfahren zur Herstellung dauerhafter, harter, Korrosions-, Abrieb- und Verschleißbeständigen Beschichtungen mit biozider Wirkung, das zudem auch wirtschaftlich einsetzbar ist.The multi-layer structure shown in FIG. 3 enables high layer thicknesses to be achieved which maintain the functionality of the biocidal coating over a long period of time. The present invention thus enables a process for producing durable, hard, corrosion, abrasion and wear resistant coatings with a biocidal effect, which is also economically applicable.

Claims (13)

1. Verfahren zur Beschichtung eines Substrats (18), das das Aufträgen einer Sol-Gel-Schicht (S) auf das Substrat (18) sowie das Aushärten der auf das Substrat (18) aufgetragenen Sol-Gel-Schicht (S) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Sol-Gel-Schicht (S) mit Partikel (P) mit einem vor, während oder nach dem Aufträgen der Sol-Gel-Schicht (S) auf das Substrat (18) gerichteten und die Partikel (P) enthaltenden, atmosphärischen Plasmastrahl (AP) versehen wird, und nach dem Aufträgen der Sol-Gel-Schicht (S) die Aushärtung der Sol-Gel-Schicht (S) durch Bestrahlung mit einem auf die Sol-Gel-Schicht (S) gerichteten, atmosphärischen Plasmastrahl (AP) erfolgt.1. A method for coating a substrate (18), which comprises applying a sol-gel layer (S) to the substrate (18) and curing the sol-gel layer (S) applied to the substrate (18), characterized in that the sol-gel layer (S) with particles (P) with a before, during or after the application of the sol-gel layer (S) directed onto the substrate (18) and containing the particles (P) , atmospheric plasma jet (AP) is provided, and after the application of the sol-gel layer (S) the curing of the sol-gel layer (S) by irradiation with an atmospheric directed onto the sol-gel layer (S) Plasma jet (AP) takes place. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Partikeln (P) um biozide Partikel (P) handelt.2. The method according to claim 1, characterized in that the particles (P) are biocidal particles (P). 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die bioziden Partikel (P) Kupfer, Zink oder Wolfram und/oder deren Oxide, Metallsalze, oder Titandioxid enthalten.3. The method according to claim 2, characterized in that the biocidal particles (P) contain copper, zinc or tungsten and / or their oxides, metal salts, or titanium dioxide. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Partikeln (P) um Nanopartikel, Mikropartikel oder Fasern handelt, die die elektrische Leitfähigkeit, thermische Leitfähigkeit, piezoelektrischen Eigenschaften, magnetischen Eigenschaften, optischen Reflexions- /Transmissions-/Emissions-Eigenschaften, optoelektrischen Eigenschaften, biologisch-funktionellen Eigenschaften oder dekorativ-farblichen Eigenschaften der Sol-Gel-Schicht (S) verändern.4. The method according to claim 1, characterized in that the particles (P) are nanoparticles, microparticles or fibers which have the electrical conductivity, thermal conductivity, piezoelectric properties, magnetic properties, optical reflection / transmission / emission Change properties, optoelectric properties, biological-functional properties or decorative color properties of the sol-gel layer (S). 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der SolGel-Schichtauftrag mittels einer Sol-Gel-Schichtmatrix (SM) erfolgt, die biozid wirkende quaternäre Ammoniumsalze enthält.5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the SolGel layer application is carried out by means of a sol-gel layer matrix (SM) which contains biocidal quaternary ammonium salts. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (P) dem die Aushärtung der Sol-Gel-Schicht bewirkenden, atmosphärischen Plasmastrahl (AP) als Beschichtungsmaterial (B) beigemengt werden.6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the particles (P) are added to the atmospheric plasma jet (AP) causing the hardening of the sol-gel layer as coating material (B). 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Beschichtungsmaterial (B) um einen polymerisierten und mittels eines atmosphärischen Plasmastrahles (AP) polymerisierbaren Precursor (PB) handelt.7. The method according to claim 6, characterized in that it is in the coating material (B) is a polymerized and by means of an atmospheric plasma jet (AP) polymerizable precursor (PB). 8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Beschichtungsmaterial (B) um metallische oder keramische Partikel (P) handelt.8. The method according to claim 6, characterized in that the coating material (B) is metallic or ceramic particles (P). 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mithilfe einer Abfolge von Sol-Gel- Schichtaufträgen und Bestrahlungen mit dem atmosphärischen Plasmastrahl (AP) ein Mehrlagenaufbau erfolgt.9. The method according to any one of claims 1 to 8, characterized in that a multilayer structure is carried out with the aid of a sequence of sol-gel layer applications and irradiation with the atmospheric plasma jet (AP). 10. Substrat mit einer gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 aufgetragenen Beschichtung.10. substrate with a coating applied according to the method according to any one of claims 1 to 9. 11. Beschichtung eines Substrats mit biozider Wirkung gemäß einem Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine ausgehärtete Sol- Gel-Schicht (S) enthaltend Kupfer, Zink, Wolfram und/oder deren Oxide, Metallsalze, oder Titandioxid umfasst, sowie eine Schicht, die aus einem polymerisierten und mittels eines atmosphärischen Plasmastrahles (AP) polymerisierbaren Precursor (PB) gebildet wird.11. Coating of a substrate with a biocidal effect according to a manufacturing method according to one of claims 1 to 9, characterized in that it contains a hardened sol-gel layer (S) containing copper, zinc, tungsten and / or their oxides, metal salts, or titanium dioxide comprises, and a layer which is formed from a polymerized precursor (PB) which is polymerizable by means of an atmospheric plasma jet (AP). 12. Beschichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem mittels eines atmosphärischen Plasmastrahles (AP) polymerisierbaren Precursor (PB) um HMDSO oder TEOS handelt.12. Coating according to claim 11, characterized in that the precursor (PB) polymerizable by means of an atmospheric plasma jet (AP) is HMDSO or TEOS. 13. Beschichtung eines Substrats mit biozider Wirkung gemäß einem Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine ausgehärtete Sol- Gel-Schicht (S) enthaltend Kupfer, Zink, Wolfram und/oder deren Oxide, Metallsalze, oder Titandioxid umfasst, sowie eine Schicht, die aus metallischen oder keramischen Partikeln (P) gebildet wird.13. Coating a substrate with a biocidal effect according to a manufacturing process according to one of claims 1 to 9, characterized in that it contains a hardened sol-gel layer (S) containing copper, zinc, tungsten and / or their oxides, metal salts, or titanium dioxide comprises, as well as a layer which is formed from metallic or ceramic particles (P).
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