DE10055345A1 - Verfahren zur Vernetzung von Oberflächenbeschichtung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung einer Beschichtung auf einem Grundkörper, in welchem zur Verbesserung der Eigenschaften anorganischer Beschichtungen ein kurzer elektromagnetischer Impuls, insbesondere NIR-Impuls auf den Grundkörper mit oder ohne anorganischer Beschichtung derart aufgebracht wird, daß sich dadurch eine erhöhte Vernetzung des Beschichtungsmaterials ergibt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbes­ serung von fluorhaltigen Oberflächenbeschichtungen.

Fluorhaltige Beschichtungen werden zum Beispiel auf Keramik­ grundkörper, Metallgrundkörper, Glasgrundkörper oder Kunst­ stoffkörper, insbesondere aus Polycarbonat oder Polymethylme­ tracrylat aufgebracht, etwa mit dem Ziel, eine hydrophobe oder oleophobe Oberfläche und/oder leicht zu reinigende be­ ziehungsweise selbstreinigende Oberflächen vorzusehen.

Ein prinzipielles Problem hierbei ist die Beständigkeit der typisch recht dünnen und somit insbesondere gegen Abrieb und/oder chemische Abtragung empfindlichen Oberflächen. Es ist bekannt, die fluorhaltige Beschichtung durch Verwendung eines Fluorsilanbeschichtungsmaterials zu erzeugen, insbeson­ dere eines solchen Materials beziehungsweise einer solchen Lösung auf Wasserbasis wie beschrieben in unserer parallelen Patentanmeldung 199 41 753.9 sowie den prioritätsnehmenden Anmeldungen hierzu, inbesondere der PCT/DE 00/02984, PCT/DE 00/02987 und PCT/DE 00/02989, welche allesamt durch Bezugnah­ me vollumfänglich zu Offenbarungszwecken hier eingegliedert sind.

Bei diesen bekannten Beschichtungsmaterialien erfolgt zum Beispiel eine Vernetzung eines monomer oder oligomer aufge­ tragenen Beschichtungsmaterials auf den Grundkörper. Unter anderem der Vernetzungsgrad ist bestimmend für die Stabilität der Beschichtung. Die Vernetzung erfolgt dabei typisch anor­ ganisch über SiOH-Gruppen in den Molekülen des Beschichtungs­ materials, während die typisch quasi völlig inerten Fluorre­ ste des Beschichtungsmaterials nicht zur Vernetzung beitra­ gen. Es ist bekannt, daß der Vernetzungsgrad von der Vernet­ zungstemeperatur und der Einwirkungsdauer einer zur Vernet­ zung erhöhten Temperatur abhängig ist. Hohe Temperaturen füh­ ren dabei vorteilhaft zu hohen Vernetzungsgraden, zugleich jedoch auch nachteilig zu Beschädigungen der Fluorreste, in den Beschichtungsmaterial-Molekülen. Eine Temperaturerhöhung ist daher, insbesondere bei temperaturempfindlichen Grundkör­ pern, nur in beschränktem Maße möglich.

Ein weiters Problem besteht darin, daß die aufzubringenden Beschichtungsmaterialen auf der Oberfläche des Grundkörpers, sowie auf dem Untergrund gut haften müssen. Ist dies nicht in ausreichendem Maß gewährleistet, so muß der Untergrund haf­ tungsfördernd vorbereitet werden.

Die vorliegende Erfindung zielt darauf, Neues für die gewerb­ liche Anwendung bereitzustellen. Bevorzugte Ausführungsformen finden sich in den Unteransprüchen.

Der erste grundlegende Gedanke der Erfindung besteht somit darin, zur Verbesserung der Eigenschaften einer fluorhaltigen Beschichtung auf eine Oberfläche eines Grundkörpers einen kurzen, sehr intensiven Energieimpuls zu richten. Die Impuls­ dauer kann dabei, entsprechende Intensität vorausgesetzt, sehr kurz gewählt werden, auch wenn Oberflächentemperaturen zum Beispiel von bis zu 500°C erreicht werden sollen. Die kurze Lichtimpulsdauer führt dazu, daß sich lediglich die Oberfläche erwärmt, während die von der Oberfläche entfernten Schichten kaum aufgeheizt werden. Bevor signifikante Wärme­ flüsse in den Grundkörper eintreten, wird ein Großteil der durch die Lichtimpuls zugeführten Wärmemenge die Beschichtung verändern, insbesondere dort Vernetzung bewirken und im übri­ gen, etwa konvektiv, durch die Umgebungsluft abgeführt wer­ den.

Während es per se bekannt ist, eine Oberflächenerwärmung durch starke Lichtpulse oder ähnliches zur Veränderung von Oberflächeneigenschaften vorzunehmen, ist es überraschend, daß dies auch und sogar mit besonders gutem Erfolg bei Fluor­ silanbeschichtungen wie GPTES (Glycidoxypropyltriethoxysilan) und/oder in MEMO (Methacryloxypropyltrimethoxisilan) der Fall ist, sowie bei diversen anderen, zum Beispiel korrosions­ schützenden fluorhaltigen Formulierungen, und zwar unabhängig vom Grundmaterial, handele es sich um Keramik wie Fliesen oder Badkeramik beziehungsweise Ziegel oder dergleichen, Ble­ che wie Aluminium- und Edelstahlbleche, Glasplatten und/oder Kunststoffplatten wie PC (Polycarbonat) und PMMA.

Die überraschende Wirkung und vor allem Verwendbarkeit der Impulserwärmung mit elektromagnetischen Impulsen insbesondere Lichtimpulsen bei solchen Fluoralkyl- beziehungsweise Fluor­ silanbeschichtungen ist noch nicht vollständig verstanden. Sie wird derzeit dem Umstand zugeschrieben, daß der wesentli­ che Energieeintrag durch den Lichtpuls in die zu vernetzenden Moleküle unmittelbar bei den OH-Gruppen erfolgt, so daß hier eine vernetzungsfördernde Aktivierung gegeben ist, während die fluorhaltigen Reste des Moleküls durch den typisch im Na­ hinfrarot liegenden Lichtimpuls kaum angeregt werden. Es wird vermutet, daß die fluormodifizierte Alkylkette deswegen wider Erwarten keinen Schaden nimmt, weil überraschenderweise die bei den SiOH-Gruppen absorbierte Lichtimpulsenergie sich nicht über das gesamte Molekül unter Anregung translatori­ scher und/oder rotatorischer Freiheitsgrade verteilt, sondern über die hohe Aktivierung der SiOH-Gruppen unmittelbar eine Vernetzung ermöglicht. Es wird vermutet, daß obwohl die SiOH- Gruppen sehr stark angeregt werden und damit eine gute Ver­ netzung in hohem Maße ermöglicht wird, eine Beschädigung des fluorierten Restes weitgehend unterbleibt.

Es ist möglich, eine NIR-Strahlung mit einer Impulsdauer von unter vier Sekunden, typisch etwa um eine Sekunde zu verwen­ den. Die Temperatur eines zur Erzeugung des Impulses verwen­ deten Wärmestrahlers, seine Strahlungsintensität und die Strahlungswellenlänge kann zur Optimierung der Härtungspara­ meter angepaßt werden, um einen optimalen Energieeintrag in die jeweiligen, voll zu vernetzenden Moleküle beziehungsweise Molekülgruppen des Beschichtungsmaterials zu ermöglichen. An­ stelle eines NIR-Impulses aus einem Wärmestrahler kann auch ein Infrarot-Laserpuls, insbesondere abgestimmter Wellenlänge (wie aus einem Excimer-Laser) verwendet werden und/oder eine Mikrowellenanregung vorgenommen werden. Die Mikrowellenanregung ist dabei deshalb gut verwendbar, weil die OH-Gruppen der typischen, insbesondere fluorhaltigen Beschichtungsmate­ rialien bei ähnlichen Absorbtionswellenlängen Energie aufneh­ men, wie dies für die Wassermoleküle der Fall ist, welche herkömmlich mit Mikrowellenstrahlung erregt werden.

Es sei erwähnt, daß die Beschichtungsmaterialien vorgetrock­ net oder in noch feuchtem Zustand behandelt, insbesondere mit der NIR-Strahlung belichtet werden können und daß durch den Temperaturimpuls höhere Temperaturen bei Verwendung von Kunststoffgrundkörpern (Grundstoffsubstraten) wie PC und PMMA erzeugt werden können, als dies ohne Schmelzen oder thermi­ sche Degradierung der temperaturempfindlichen Kunststoffe möglich wäre; dies ist klar vorteilhaft. Es sei weiter er­ wähnt, daß die energiereiche Strahlung auch radikalische Ver­ netzungsprozesse auslösen kann, wie sie in zum Teil UV­ härtenden Lacken gestartet werden, um eine besonders effekti­ ve Vernetzung zu ermöglichen.

Weiter sei darauf hingewiesen, daß der kurze Lichtpuls, der zu einer hohen örtlichen Erwärmung führt, auch die Haftung des Beschichtungsmaterials auf dem Untergrund erhöhen kann, da insbesondere auf Metallen, wie Stahl - insbesondere Edel­ stahl - oder Aluminiumblechen OH-Gruppen vorhanden sein können und typisch vorhanden sind, zu denen durch die erfindungsge­ mäße spezifische Aktivierung der Beschichtungsmaterialmole­ kül-OH-Gruppen eine besonders stabile Verbindung hergestellt werden kann. So ist die erfindungsgemäße Vorgehensweise zur Verbesserung eines Korrosionsschutzes durch mit Fluorsilanbe­ schichtungen und dergleichen vorteilhaft.

In einer bevorzugten Variante der Erfindung werden die Tempe­ raturen so hoch gewählt, daß die lokalen Temperaturen den Grundkörper-Schmelzpunkt überschreiten, was eine extreme, be­ sonders intensive Beschichtungsverdichtung zur Folge hat, oh­ ne daß jedoch in dem Grundkörpermaterial eine nachteilige Ge­ fügeveränderung oder eine Verzunderung stattfindet. Dies ist insbesondere für sogenannte glasartige Beschichtungsmateria­ lien der Fall, die allenfalls wenige oder gar keine organi­ sche Modifizierungen tragen. Derartige organische Modifizie­ rungen sind erfindungsgemäß ohne Metallverzunderung und/oder Metallgefügeveränderungen nachteiliger Art behandelbar.

Bei der Beschichtung anorganischer Gläser wie beispielsweise von Fensterglas kann eine Schockerhitzung zur Vernetzungsbe­ wirkung bis dicht an die Bruchgrenze des Glases hin mit dem erfindungsgemäßen Verfahren durchgeführt werden, was eine Oberflächenverfestigung und Härtung des Glases vergleichbar dem Feuerpolieren ergibt.

Werden Kunststoffgrundkörper behandelt, so können diese in einer besonders bevorzugten Variante in unbeschichtetem Zu­ stand dem oder einem ersten elektromagnetischen Erwärmungsim­ puls, insbesondere NIR-Impuls, insbesondere aus einem Tempe­ raturstrahler aufgesetzt werden und erst danach, bevorzugt unmittelbar danach, das Beschichtungsmaterial aufgebracht werden. Auf diese Weise kann erfindungsgemäß die Benetzungs­ fähigkeit und/oder Haftung nachfolgender Beschichtungen ver­ bessert werden. Der Mechanismus dieser Verbesserung ist noch nicht vollständig verstanden, es wird aber angenommen, daß durch die Vorbeschichtungsbelichtung reaktive Haftzentren auf dem Kunststoff erzeugt werden, die wiederum durch Reaktion mit dem Beschichtungsmaterial die Haftung nachfolgend aufge­ tragener Beschichtung verbessert werden können. Durch die kurzfristige Erwärmung entstehen wiederum Haftzentren ohne thermische Degradierung oder Oxidation der obersten Schichtung und/oder ohne Schädigung tiefer liegender Schichten durch zu hohe Temperaturen. Es sei erwähnt, daß nach dem Auf­ tragen der Beschichtung, insbesondere Fluorsilanbeschichtung, insbesondere GPTES und/oder MEMO bevorzugt eine weitere Be­ strahlung mit einem intensiven elektromagnetischen Impuls, insbesondere NIR-Impuls erfolgt, um dann die zur Reaktion mit den entstandenen Haftungszentren erforderlichen SiOH-Aktivie­ rungen zu erzielen.

Es ist weiter erfindungsgemäß möglich, Beschichtungsmaterial zu verwenden, welches eine hochporöse anorganische Schicht bildet und dieses durch kurze NIR-Impulse zumindest weitge­ hend und bevorzugt vollständig zu verdichten, ohne daß sich das Kunststoffsubstrat thermisch zersetzt, um so hydrophile dauerhafte Oberflächen zu erzeugen.

Anorganisches Glas kann mit einer sehr dünnen anorganischen Zwischenschicht versehen werden, um eine Diffusionssperre auszubilden, die primär gegen Alkalionen wirkt. Auch dies ge­ schieht durch NIR-Impulsverdichtung anorganischem Materials, insbesondere über die Vernetzung von SiOH-Gruppen ohne Be­ schädigung von Molekülresten, welche von den SiOH-Gruppen entfernt sind. Dies hat den Vorteil, daß Dauerhaftigkeit dar­ überliegender (nachfolgender) Beschichtungen, insbesondere bei der Wasserauslagerung verbessert wird; bei empfindlichen Gläsern, wie Bleikristallglas oder Emaillen oder anderen Gla­ suren kann die Beschichtungsdauerhaftigkeit insbesondere von Antihaftbeschichtungen, insbesondere von fluorhaltigen Anti­ haftbeschichtungen, durch die Ausdiffusion von Ionen, insbe­ sondere Alkali-Ionen aus dem Grundglas leiden, die zu einer pH-Werterhöhung führt. Die erfindungsgemäß aufgebrachte und mit starkem elektromagnetischen Impuls, insbesondere NIR- Impuls verdichtete anorganische Zwischenschicht auf dem Glas oder Email trägt dazu bei, die Dauerhaftigkeit einer darüber­ liegenden (nachfolgenden) Antihaftbeschichtung zu erhöhen, die beispielsweise durch das wasserbasierende Beschichtungs­ material, insbesondere fluorhaltige Material realisiert sein kann.

Es sei erwähnt, daß neben einer Vernetzung von fluorhaltigen Alkylsilanen und dergleichen auch andere anorganische Sub­ stanzen erfindungsgemäß verdichtet werden können, etwa Indi­ um-Zinnoxid (ITO)-Schichten auf Glas, wobei erfindungsgemäß eine Dispersion nanoskaliger ITO-Partikel auf Glas aufge­ bracht und anschließend mit dem sehr kurzen, sehr intensiven elektromagnetischen, und insbesondere NIR-Impuls verdichtet wird. So wirken kurze, sehr heiße Impulse in eine ITO-Schicht besonders verdichtend, was zu besonders ausgeprägter elektri­ scher Leitfähigkeit führt.

Auch sei erwähnt, daß die Verdichtung von Dispersionen für heterogene Kieselsäuren (Aerosilen) auf Glas erfindungsgemäß umfaßt ist, welche per se hochporöse SiO₂-Schichten darstel­ len, die durch den elektromagnetischen Impuls soweit verdich­ tet werden können, daß eine abriebsfeste nanoporöse Schicht entsteht. Diese Vorgehensweise führt zu einer Glasstrukturie­ rung, wie sie für sogenannte Lotus-Beschichtungen erforder­ lich und/oder ausreichend ist. Die auf diese Weise erhaltene Beschichtung ist transparent und nanostrukturiert und zeigt extrem wasserabweisendes Verhalten.

Claims (1)

1. Verfahren zur Verbesserung einer Beschichtung auf einem Grundkörper, in welchem zur Verbesserung der Eigenschaften anorganischer Beschichtungen ein kurzer elektromagnetischer Impuls, insbesondere NIR-Impuls auf den Grundkörper mit oder ohne anorganischer Beschichtung derart aufgebracht wird, daß sich dadurch eine erhöhte Vernetzung des Beschichtungsmateri­ als ergibt.