DE10064277A1 - Verfahren zum Erzeugen einer Beschichtung auf einem Substrat - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen einer Beschichtung auf einem Substrat durch Bestrahlung des Substrats, umfassend ein Beschichtungsmittel mit elektromagnetischer Strahlung, deren wesentlicher Wirkanteil im Wellenlängenbereich des nahen Infrarot, vorzugsweise im Wellenlängenbereich von 0,8 bis 1,5 mum liegt, ein Substrat umfassend ein Beschichtungsmittel, herstellbar nach dem oben skizzierten Verfahren, sowie dessen Verwendung in der Industrie, insbesondere in der Automobilindustrie, Halbleiterindustrie, bei der Gebäudekonstruktion und im Gerätebau.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen einer Beschichtung mittels elektromagnetischer Strahlung auf einem Substrat.

Beschichtungen von Oberflächen spielen heutzutage bei vielen Anwendungen in der Industrie, im Hausbau, in der Forschung, bei Sport- und Freizeitartikeln eine große Rolle. Durch die Beschichtung einer Oberfläche eines Substrats soll das Substrat Eigenschaften erhalten, die es vor der Beschichtung noch nicht bzw. nicht in gleichem Maße besaß. So können Beschichtungen beispielsweise dazu dienen, einen bestimmten Gegenstand gegen äußere Einflüsse wie z. B. gegen Licht, Strahlung, Wasser, Wärme und mechanische Einwirkungen widerstandsfä­ higer zu machen.

Ferner kann es von Interesse sein, einem bestimmten Substrat durch Aufbringen einer Beschichtung eine physikalische Eigenschaft zu verleihen, die das Substrat ursprünglich nicht besaß, wie z. B. elektrische Leitfähigkeit oder Magnetisierbar­ keit. Auch besteht häufig das Interesse, Substrate durch Aufbringen einer Be­ schichtung mit bestimmten optischen Eigenschaften auszustatten, wie beispiels­ weise mit einer lichtabsorbierenden, lichtreflektierenden oder polarisierenden Wirkung.

In obigem Zusammenhang wird häufig von funktionalen Beschichtungen gespro­ chen. Aus der DE 100 38 895 und DE 100 35 430 der Anmelderin sind beispielswei­ se ein Verfahren zur Herstellung eines halbleitenden und/oder Lumineszenz zei­ genden organischen Schichtaufbaus und ein Verfahren zur thermischen Behand­ lung von Fotolack bekannt. Ein Verfahren zur Erzeugung einer funktionalen Beschichtung zur Anwendung des Lotuseffekts ist in einer weiteren deutschen Pa­ tentanmeldung der Anmelderin offenbart.

Letztendlich ist es häufig auch wünschenswert, Substrate zur Verschönerung ihres Aussehens mit Beschichtungen zu versehen, die ihnen eine bestimmte Farbe oder ein bestimmtes optisches Erscheinungsbild verleihen.

Zur Herstellung einer Beschichtung muß ein Beschichtungsmittel nach dem Auf­ tragen auf ein Substrat erhärten. Je nach Beschichtungsmittel kann dies durch ein­ faches Abdunsten der Beschichtungslösungsmittel oder durch Wärmeeinwirkung erfolgen. Die Erhärtung von Beschichtungsmitteln erfolgt durch die Entstehung vernetzter Makromoleküle während des Trocknungsvorgangs, beispielsweise durch Polymerisation. Um die Erhärtung des Beschichtungsmittels zu beschleuni­ gen werden unterschiedliche Verfahren angewandt.

Herkömmlicherweise wird dem Beschichtungsmittel und dem Substrat, auf das es aufgetragen ist, Wärme konvektiv in einem Umluftofen zugeführt. Für eine ratio­ nelle Fertigung werden die beschichteten Substrate kontinuierlich und mit einer geeigneten Geschwindigkeit durch den Umluftofen bewegt. Die Ofentemperatur und die Zeit für das Erhärten hängen von der Art des Beschichtungsmittels und von der Anwärmdauer des zu trocknenden Substrats ab. Bei den herkömmlichen Verfahren in einem Umluftofen ist es unvermeidlich, daß das gesamte Substrat zusammen mit dem zu härtenden Beschichtungsmittel auf die Temperatur der durch den Umluftofen strömenden Warmluft erwärmt wird. Ein herkömmlicher Prozeß zur Härtung mit Warmluft in einem Umluftofen kann eine Zeit von bis zu einer Stunde beanspruchen.

Eine Alternative zum herkömmlichen Umluftofen ist das Erhärten mittels infra­ roter Strahlung, die häufig auch als Wärmestrahlung bezeichnet wird. Bei der Verwendung von infraroter Strahlung kann die Zeit zum Erhärten eines Be­ schichtungsmittels wesentlich reduziert werden. Bei Verwendung von infraroter Strahlung stellt die für das Erhärten der Beschichtungsmittel erforderliche Zeit jedoch noch einen den Beschichtungsprozeß limitierenden Parameter dar.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Erzeugen einer Beschichtung auf einem Substrat mit elektromagnetischer Strahlung bereitzustel­ len, das vergleichsweise schnell zu einem beschichteten Substrat führt.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Erzeugen einer funktionalen Beschichtung gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden durch die in den Unteransprüchen angegeben Merkmale ermöglicht.

Somit betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Erzeugen einer funk­ tionalen Beschichtung auf einem Substrat durch Bestrahlung des Substrats umfas­ send ein Beschichtungsmittel mit elektromagnetischer Strahlung, deren wesentli­ cher Wirkanteil im Wellenlängenbereich des nahen Infrarot liegt.

Vorzugsweise wird mit elektromagnetischer Strahlung, deren Intensitätsmaximum im Wellenlängenbereich von 0,8 µm bis 1,5 µm liegt, bestrahlt. Diese elektroma­ gnetische Strahlung ist insbesondere für die Polymerbildung bzw. -vernetzung hochwirksam.

Dabei ist es, insbesondere wenn die unten präzisierten Zeiten eingehalten werden, mit dem erfindungsgemäßen Verfahren prinzipiell möglich, die funktionale Be­ schichtung verglichen mit herkömmlichen Verfahren besonders rasch und mit geringem Energie- und Kostenaufwand herzustellen.

Da erfindungsgemäß die Strahlungsenergie in erster Linie dazu aufgewandt wird, das Beschichtungsmittel auszuhärten, bleibt das Substrat während des Erhärtens des Bindemittels bei vielen Substraten im wesentlichen kalt.

Das beschichtete Substrat wird vorzugsweise thermisch nur wenig beansprucht, so daß auch das Beschichten wärmesensitiver Substrate möglich wird. Darüber hin­ aus können auch Substrate im eingebauten Zustand behandelt werden, in dem thermische Spannungen und andere Effekte einer hochgradigen und länger dau­ ernden Erwärmung nur schwer vorhersehbar und kontrollierbar sind.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform dauert die Bestrahlung weniger als 30 Sekunden, insbesondere weniger als 10 Sekunden, bevorzugt weniger als 5 Sekunden besonders bevorzugt weniger als 2 Sekunden und insbesondere weniger als 1 Sekunde. Dabei wird die Bestrahlung vorzugsweise so durchgeführt, daß das Beschichtungsmittel vollständig oder nahezu vollständig aushärtet. Durch die sehr kurzen Bestrahlungsdauern kann eine Energieübertragung durch Wärmeleitung, die im Vergleich zur Energieübertragung durch Strahlung langsam abläuft, an das mit dem Beschichtungsmittel in Kontakt stehende Substrat stark reduziert oder sogar weitgehend vermieden werden.

Das Strahlungsfeld wird in bewährter und kostengünstiger Weise bevorzugt durch mindestens einen Emitter - fallweise durch eine Anordnung mit einer Mehrzahl von Emittern - mit einer Strahlertemperatur oberhalb von 2900°K bevorzugt ober­ halb von 3200°K erzeugt. In einer bevorzugten Ausgestaltung wird der Emitter durch einen Röhrenstrahler mit einem sich in einer strahlungsdurchlässigen Röh­ re, insbesondere in einer Quarzglasröhre erstreckenden Glühfaden gebildet. Vor­ zugsweise ist der Emitter ein Halogenstrahler.

Die Strahlung dieser Emitter hat vorzugsweise ihren wesentlichen Wirkanteil im Wellenlängenbereich von 0,8 µm bis 1,5 µm. Vorzugsweise wird die Wellenlänge des Intensitätsmaximums des Emitters durch Regelung der Temperatur des Hei­ zelementes im Emitter eingestellt. Besonders bevorzugt ist hierbei die Einstellung der Glühfaden-Temperatur des Emitters. Nachdem diese auf relativ hohe, für Ha­ logenstrahler ungewöhnlich hohe Temperaturen eingestellt werden muß, sind vor­ zugsweise entsprechende Maßnahmen getroffen, um dennoch eine lange Lebensdauer der Emitter zu gewährleisten. Insbesondere werden besondere Kühlmaß­ nahmen im Bereich der Sockel der Halogenstrahler getroffen.

Um eine möglichst effiziente Übertragung von Strahlungsenergie an das Be­ schichtungsmittel zu erreichen, wird das Intensitätsmaximum des Emitters an die Absorptions- bzw. Transmissionseigenschaften des Beschichtungsmittels und des. Substrats angepaßt. Bevorzugt wird dabei beabsichtigt, die Wellenlänge des In­ tensitätsmaximums so zu wählen, daß das Beschichtungsmittel die Strahlungse­ nergie über seine Dicke absorbiert. Dadurch kann erreicht werden, daß das Be­ schichtungsmittel gleichmäßig und innerhalb kürzester Zeit unmittelbar durch die Strahlung erwärmt wird. Andererseits wird das Intensitätsmaximum der elektro­ magnetischen Strahlung bevorzugt so bestimmt, daß wenig Strahlung im Substrat absorbiert wird, um eine nutzlose Erwärmung desselben zu vermeiden. Reflexio­ nen an der Grenzfläche zwischen Beschichtungsmittel und Substrat bewirken eine erneute Durchstrahlung des Beschichtungsmittels und erhöhen die Effizienz der Energieübertragung an das Beschichtungsmittel. Vorzugsweise wird die Oberflä­ che des Substrats zur gezielten Einstellung ihres Reflexionsvermögens, d. h. zur Erhöhung oder Erniedrigung desselben, vor dem Auftragen des Beschichtungs­ mittels behandelt. Dies kann beispielsweise durch Glätten oder Aufrauhen der Oberfläche geschehen. Bei einem strahlungsdurchlässigen Substrat kann auch die das Substrat durchdringende elektromagnetische Strahlung erneut genutzt werden. Dazu werden z. B. einer oder mehrere Reflektoren vorgesehen, um die elektroma­ gnetische Strahlung durch das Substrat und das Beschichtungsmittel zurück zu reflektieren. Dadurch wird die Effizienz des Bestrahlungsvorgangs erhöht. Vor­ zugsweise wird ein sogenannter kalter Reflektor, d. h. ein Reflektor mit einem besonders hohen Reflexionskoeffizienten verwendet.

Die elektromagnetische Strahlung der Strahlungsquellen wird zweckmäßigerweise auf das zu behandelnde Substrat bzw. die Substratanordnung konzentriert bzw. fokussiert, um im Interesse einer möglichst kurzen Behandlungsdauer und einer geringen thermischen Belastung des Substrats hohe Leistungsdichten zu erzielen.

Die Leistungsdichten liegen bevorzugt oberhalb von 100 kW/m², besser oberhalb von 200 kW/m² und für viele Fälle in vorteilhafter Weise sogar bei 500 kW/m² oder mehr. Derartige Leistungsdichten sind durch eine Anordnung aus mehreren zusammenwirkenden, insbesondere parallel zueinander angeordneten, langge­ streckten Halogenstrahlern mit zugeordneten hochwirksamen Reflektoren zu er­ reichen. Sie ermöglichen Bestrahlungsdauern von weniger als 10 s, bevorzugt von weniger als 5 s, und insbesondere für temperaturempfindliche Substrate von 2 s oder weniger. Durch die kurzen Bestrahlungsdauern wird Wärmeleitung im Sub­ strat und somit eine Abführung von Energie an das Substrat im wesentlichen ver­ mieden.

Für viele Anwendungen sind stationäre Anordnungen von Strahlungsquellen rea­ lisierbar, durch die die Substrate hindurchbewegt werden. Im einfachsten Fall wird das Substrat kontinuierlich mit angemessener Geschwindigkeit an der Strahlungsquelle vorbeibewegt. Häufig werden Substrate getaktet durch die An­ ordnung bewegt, da das Substrat z. B. zum Auftragen des Beschichtungsmittels angehalten werden muß. Da das Substrat während des Auftragens des Beschich­ tungsmittels nicht bewegt wird, davor von einer bestimmten konstanten Ge­ schwindigkeit v auf Null abgebremst wird und nach dem Auftragen des Be­ schichtungsmittels wieder auf die Geschwindigkeit v beschleunigt wird, wird in einer bevorzugten Ausführungsform zur Erzielung einer gleichmäßigen Bestrah­ lung der gesamten Oberfläche des Substrats die Strahlungsquelle mit einer zur Bewegung des Substrats entgegengesetzten Bewegung bewegt. Dadurch kann eine kontinuierliche relative Bewegung mit einer Geschwindigkeit v zwischen Substrat und der Strahlungsquelle aufrecht erhalten werden. D. h. insbesondere, daß die Strahlungsquelle mit der Geschwindigkeit v bewegt wird, wenn sich das Substrat in Ruhe befindet wird. Beim Abbremsen und Beschleunigen des Sub­ strats, wird die Strahlungsquelle gerade so beschleunigt bzw. abgebremst, daß die Summe der Geschwindigkeiten der Strahlungsquelle und des Substrats eine relati­ ve Bewegung mit einer Geschwindigkeit v ergibt. Schließlich können auch An­ ordnungen verwendet werden, bei welchen zwei bewegbare Strahlungsquellen verwendet werden. Während eine der Strahlungsquellen so bewegt wird, daß eine gleichmäßige Bestrahlung des Substrats erzeugt wird, wird die zweite Strahlungs­ quelle mit dem Substrat mitgeführt, so daß beispielsweise ein bestimmter Teil der Oberfläche, falls dies z. B. aufgrund einer unterschiedlichen Dicke der Beschich­ tung auf diesem Teil des Substrats erforderlich oder wünschenswert erscheint, mit zusätzlicher Strahlungsleistung beaufschlagt wird. Auch Anordnungen mit mehr als zwei unabhängig voneinander bewegbaren Strahlungsquellen sind denkbar.

Für bestimmte Einsatzfälle wird das Verfahren mit einer mobilen Bestrahlungs­ vorrichtung auszuführen sein, die beispielsweise längs einer aus den zu behan­ delnden Substraten gebildeten Fläche entlang geführt wird. Die Behandlung klei­ nerer Objekte oder Flächen kann bevorzugt mit einem handgeführten NIR- Strahler erfolgen. Für spezielle Beschichtungssysteme kann das Vorsehen eines weiteren Strahlungsfeldes in einem anderen Spektralbereich, insbesondere im Ul­ traviolett-Bereich zur Förderung der Vernetzung bzw. Aushärtung der Beschich­ tungsmittel sinnvoll sein.

Hinsichtlich der bei der Qualitätssicherung und Prozeßsicherheit bevorzugten Verfahrensführung wird zumindest ein Prozeßparameter, insbesondere der Ab­ stand zwischen der Bestrahlungsanordnung und der Oberfläche des Substrats oder die Temperatur auf dieser gemessen und dem Bediener der Bestrahlungsanord­ nung angezeigt, so daß dieser den Abstand bzw. die Temperatur vorgegebenen Werten nachführen und ggf. die elektrische Leistung und damit die Strahlungslei­ stung der Strahlungsanordnung verändern kann.

Vorzugsweise wird die Verfahrensführung jedoch vollständig automatisiert durchgeführt.

Eine Vorrichtung zur Realisierung einer gegebenenfalls automatischen Einstel­ lung der Bestrahlungsparameter umfaßt mindestens einen Meßfühler zur Erfas­ sung der relevanten physikalischen Größen, also insbesondere einen oder mehrere photoelektrische Sensoren zur Erfassung der Helligkeit, des Reflektionsvermö­ gens oder des Brechungsindex oder anderer optischer Parameter, die Aufschluß über den Trocknungs- bzw. Vernetzungszustand des Beschichtungsmittels geben, bzw. einen berührungslos arbeitenden, insbesondere pyrometrischen Temperatur­ fühler.

Zur Einstellung der Bestrahlungsparameter ist dieser Sensor bzw. sind diese Sen­ soren über ihre Auswertungsschaltung insbesondere mit einem Steuereingang bzw. Steuereingängen einer Bestrahlungssteuereinrichtung verbunden. In Abhän­ gigkeit von den erfaßten Meßwerten bzw. einem Ergebnis der Auswertung dieser Meßwerte können die im weiteren Prozeßverlauf einzustellenden Bestrahlungspa­ rameter, insbesondere die Leistungsdichte und ggf. auch die spektrale Zusammen­ setzung der Strahlung optimiert werden. Durch das Vorsehen einer geschlossenen Regelschleife ist hierbei auch eine automatisch geregelte Betriebsführung reali­ sierbar.

Zumindest für spezielle Anwendungen ist auch eine Kühlung und/oder Abführung von flüchtigen Bestandteilen des Beschichtungsmittels von dem zu beschichten­ den Substrat durch einen an diesem entlanggeführten Gasstrom (insbesondere Luftstrom) sinnvoll. Ferner können zu beschichtende Substrate mit geringer Dicke auch von der Rückseite her durch einen Gasstrom gekühlt werden. Für Standar­ danwendungen ist jedoch mit Blick auf den deutlich geringeren technischen Auf­ wand eine Verfahrensführung ohne Fluidkühlung bzw. aktive Abführung von Lö­ sungsmittelkomponenten des Beschichtungsmittels vorzuziehen.

Die Auftragung des Beschichtungsmittels auf die zu beschichtenden Substrate erfolgt in Abhängigkeit von der Beschaffenheit, Anordnung und/oder dem Mate­ rial des Substrats, vorzugsweise als paströse Masse oder als homogene Flüssig­ keit.

Erfindungsgemäß wird das Beschichtungsmittel immer als fluides System aufge­ bracht, z. B. als homogene Flüssigkeit, Gel, Suspension, Dispersion oder Emulsi­ on, wobei die Viskosität des aufzutragenden Beschichtungsmittels über weite Grenzen variieren kann. Die Auftragung erfolgt mit einem an sich bekannten Auftragsverfahren, insbesondere durch Aufwalzen, Aufstreichen, Aufsprühen, Gießen oder Rakeln.

Dabei kann erfindungsgemäß ein Lösungsmittel-haltiges oder Lösungsmittel­ freies Beschichtungsmittel eingesetzt werden. Als Lösungsmittel können sowohl organische Lösungsmittel als auch Wasser oder wasserhaltige Lösungsmittelge­ mische verwendet werden. Typische Lösungsmittel sind chlorierte Kohlenwasser­ stoffe, wie z. B. Trichlormethan, aromatische Kohlenwasserstoffe, wie z. B. Toluol, Alkohole, wie z. B. Ethanol oder Isopropylalkohol, Ether, wie z. B. Ethylenglykol, Dimethylether oder Tetrahydrofuran, Dimethylformamid (DMF), Acetonitril, Wasser oder Gemische aus zwei oder mehr davon.

Je nach Oberflächenbeschaffenheit des Substrats wird eine Vorbehandlung, insbe­ sondere durch Aufrauhen, Anätzen, oder auch Aufbringen eines Haftvermittlers ("primers") zweckmäßig sein. Diese Vorbehandlung dient u. a. der Verbesserung der Haftung zwischen Substrat und Beschichtungsmittel. In einer bevorzugten Ausführungsform wird auf eine derartige Vorbehandlung verzichtet. Dies ist ins­ besondere dann möglich, wenn durch die Behandlung mit elektromagnetischer Strahlung eine gewisse Erwärmung der äußersten Oberflächenschicht des Sub­ strats derart erreicht wird, daß sich auch ohne Vorbehandlung eine innige Verbin­ dung mit der benachbarten Grenzschicht des Beschichtungsmittels ausbildet.

Bei den Beschichtungsmitteln handelt es sich um Substanzen, die zumindest teil­ weise mit Strahlung härtbar bzw. vernetzbar sind. Beschichtungsmittel gemäß der Erfindung sind typischerweise Systeme, die mindestens einen Zusatzstoff, vor­ zugsweise einen Zusatzstoff und ein Bindemitttel, wie jeweils nachfolgend aus­ führlich diskutiert, enthalten. Die Bestrahlungshärtung geschieht bei vielen Beschichtungsmitteln häufig durch Polymerisation des im. Beschichtungsmittel ent­ haltenen Bindemittels.

Ein Beispiel hierfür ist die optisch über Photoinitiatoren gestartete Polymerisation von niederviskosen Beschichtungsmitteln mit Bindemitteln reaktiver Monomere, Oligomere und Präpolymere, beispielsweise die radikalische oder die kationische Polymerisation oder die Vernetzung linearer Polymere mit reaktiven Seitenketten.

Als durch strahlungsinduzierte Prozesse vernetzbare Bindemittel können im erfin­ dungsgemäßen Verfahren alle üblichen strahlenhärtbaren Bindemittel oder deren Mischungen eingesetzt werden, die dem Fachmann bekannt sind. Es handelt sich entweder um durch radikalische Polymerisation vernetzbare oder durch kationi­ sche Polymerisation vernetzbare Bindemittel. Bei ersteren entstehen durch Ein­ wirkung von elektromagnetischer Strahlung auf die Bindemittel Radikale, die dann die Vernetzungsreaktion auslösen. Bei den kationisch härtenden Systemen werden durch die Bestrahlung aus Initiatoren Lewis-Säuren gebildet, die dann die Vernetzungsreaktion auslösen.

Bei den strahlungshärtenden Bindemitteln kann es sich z. B. um Monomere oder Präpolymere, die olefinische Doppelbindungen im Molekül enthalten, handeln. Diese Monomere können durch Homo- oder Copolymerisation verknüpft werden. Demgemäß werden in dem erfindungsgemäßen Verfahren vorzugsweise Mono­ mere ausgewählt aus

• - Styrolverbindungen der nachfolgend noch näher definierten allgemeinen Formel I,
• - C₁- bis C₂₀-Alkylestern der Acrylsäure oder Methacrylsäure,
• - Dienen mit konjugierten Doppelbindungen,
• - ethylenisch ungesättigten Dicarbonsäuren und deren Derivate,
• - ethylenisch ungesättigten Nitrilverbindungen und Präpolymeren aus diesen Monomeren eingesetzt.

Als wenigstens eine olefinische Doppelbindung aufweisende Monomere kommen z. B. insbesondere in Betracht: Olefine wie Ethylen oder Propylen, vinylaromati­ sche Monomere wie Styrol, Divinylbenzol, 2-Vinylnaphthalin und 9-Vinylanthracen, substituierte vinylaromatische Monomere wie p-Methylstyrol, α-Methylstyrol, o-Chlorstyrol, p-Chlorstyrol, 2,4-Dimethylstyrol, 4-Vinylbiphenyl und Vinyltoluol, Ester aus Vinylalkohol und 1 bis 18 C-Atome aufweisenden Monocarbonsäuren wie Vinylacetat, Vinylpropionat, Vinyl-n-butyrat, Vinyllaurat und Vinylstearat, Ester aus 3 bis 6 C-Atome aufwei­ senden α,β-monoethylenisch ungesättigten Mono- und Dicarbonsäuren, wie ins­ besondere Acrylsäure, Methacrylsäure, Maleinsäure, Fumarsäure und Itaconsäure, mit im allgemeinen 1 bis 20, bevorzugt 1 bis 12, besonders bevorzugt 1 bis 8 und ganz besonders bevorzugt 1 bis 4 C-Atome aufweisenden Alkanolen wie insbe­ sondere Methyl-, Ethyl-, n-Butyl-, iso-Butyl-, tert.-Butyl- und 2-Ethylhexylester der Acrylsäure und Methacrylsäure, Maleinsäuredimethylester oder Maleinsäu­ re-n-butylester, Nitrile der vorgenannten α,β-monoethylenisch ungesättigten Car­ bonsäuren wie Acrylnitril und Methacrylnitril sowie C_4-8-konjugierte Diene wie 1,3-Butadien und Isopren.

Als Styrolverbindungen kommen insbesondere solche der allgemeinen Formel I in Betracht:

in der R' und R" unabhängig voneinander für H oder C₁- bis C₈-Alkyl und n für 0, 1, 2 oder 3 stehen.

Die Bindemittel können einzeln oder im Gemisch eingesetzt werden. Die strah­ lungshärtenden Bindemittel können auch Photoinitiatoren enthalten. Geeignete Photoinitiatoren sind beispielsweise solche, die im Wellenlängenbereich des na­ hen Infrarot absorbieren. Der Photoinitiator kann mit entsprechend eingestrahltem Licht in einer Weise wechselwirken, daß er dadurch in die Lage versetzt wird, die Vernetzungsreaktion in der Beschichtungsmittelformulierung einzuleiten. Bei­ spiele hierfür sind die optisch über Photoinitiatoren gestarteten Polymerisationen von niederviskosen Beschichtungsmitteln reaktiver Monomere, Oligomere und Präpolymere oder die optische Vernetzung linearer Polymere mit reaktiven Sei­ tenketten.

Bei kationisch härtenden Systemen kann es sich beispielsweise um die durch Le­ wis-Säuren gestartete Polymerisation von Epoxiden oder Vinylmonomeren han­ deln.

Im Rahmen der Erfindung kann das Bindemittel auch Monomere oder Präpolyme­ re enthalten, die vernetzbare funktionelle Gruppen wie beispielsweise Doppelbin­ dungen in der Seitenkette enthalten. Hierbei kann es sich insbesondere um Ester der Acryl- und Methacrylsäure mit ethylenisch ungesättigten C3- bis C20- Alkoholen handeln.

Zusätzlich kann die Vernetzungsreaktion in dem reaktiven Beschichtungsmittel thermisch initiiert sein. Das bedeutet, daß die Vernetzungsreaktion neben der In­ itiierung durch die elektromagnetische Strahlung auch durch Einstellen einer be­ stimmten Temperatur initiiert wird.

Die Beschichtungsmittel enthalten entsprechend ihrem Einsatzgebiet entsprechen­ de Zusatzstoffe wie Polymere, insbesondere Vernetzer, Katalysatoren für die Ver­ netzung, Initiatoren, insbesondere Pigmente, Farbstoffe, Füllstoffe, Verstärker­ füllstoffe, Rheologiehilfsmittel, Netz- und Dispergiermittel, Haftvermittler, Addi­ tive zur Verbesserung der Untergrundbenetzung, Additive zur Verbesserung der Oberflächenglätte, Mattierungsmittel, Verlaufmittel, filmbildende Hilfsmittel, Trockenstoffe, Hautverhinderungsmittel, Lichtschutzmittel, Korrisionsinhibitoren, Biozide, Flammschutzmittel, Polymerisationsinhibitoren, insbesondere Photoinhi­ bitoren oder Weichmacher, wie sie beispielsweise auf dem Beschichtungssektor üblich und bekannt sind. Die Auswahl der Zusatzstoffe richtet sich nach dem gewünschten Eigenschaftsprofil des Beschichtungsmittels und dessen Verwen­ dungszweck.

Die Beschichtungsmittel enthalten neben dem Bindemittel und etwaigen Zusatz­ stoffen spezielle Stoffe, die der Erzeugung eines oder mehrerer gewünschter Wir­ kungen der Beschichtung dienen. Bei einer Ausführungsform der Erfindung han­ delt es sich beispielsweise um einen optischen Effekt innerhalb der Beschichtung, der durch eine Wechselwirkung der Beschichtung mit elektromagnetischer Strah­ lung erzeugt wird. Derartige Effekte können beispielsweise die Polarisation von Strahlung beim Durchgang durch eine Beschichtung sein. Mit derartigen polari­ sierenden Beschichtungen kann unter anderem aus unpolarisierter Strahlung pola­ risierte Strahlung isoliert werden. Derartige Beschichtungen sind beispielsweise auf Verglasungen von Gebäuden, Fahrzeugen, Helmen oder optischen Einrichtun­ gen und optischen Gebrauchsgegenständen sinnvoll.

Auch sind strahlungsfilternde Beschichtungen denkbar, mit welchen die spektrale Energieverteilung einer durch eine Beschichtung hindurch gehenden Strahlung verändert werden kann. Eine als Farbfilter ausgebildete Beschichtung kann bei­ spielsweise für eine selektive oder eine breitbandige Absorption von Licht vorge­ sehen werden. Eine weitere Anwendungsmöglichkeit stellt das Aufbringen eines Wärmeschutzfilters auf ein geeignetes Substrat dar.

Von besonderem Interesse sind ferner sogenannte optisch aktive Beschichtungen. Optisch aktive Verbindungen drehen die Polarisationsebene von einfallendem linear polarisierten Licht. Dieser Effekt wird in großem Umfang bei Flüssigkri­ stallanzeigen (LCDs) benutzt.

Eine weitere Anwendungsmöglichkeit, bei der die elektromagnetische Strahlung bzw. Licht in die Beschichtung eindringt und dadurch ein optischer Effekt beim Beobachter hervorgerufen wird, ist beispielsweise eine Beschichtung mit hologra­ phischer Wirkung. Von besonderer Aktualität sind thermotrope Beschichtungen.

Diese lassen bei niedrigen Temperaturen Sonnenlicht und damit Wärme hindurch, schalten aber bei höheren Temperaturen selbsttätig auf Reflexion. Diese neuarti­ gen Beschichtungen können Gebäude oder Fahrzeuginnenräume vor Überhitzung und solarthermische Anlagen vor Zerstörung schützen. Im reflektierenden Zu­ stand erscheinen sie diffus weiß und eignen sich deshalb als Verglasung für Dä­ cher oder zur indirekten Erhellung von Räumen mit Tageslicht. Nicht zuletzt de­ korative Effekte können durch Beschichtungen erzielt werden.

Die Beschichtungen können auch Farb-, oder Lackschichten sein. Dafür können die Beschichtungsmittel keramische Farben enthalten, wie beispielsweise Titandi­ oxid, Ruß oder Buntpigmente wie Bleichromat, Mennige, Zinkgelb, Zinkgrün, Cadmiumrot, Cobaltblau, Berliner Blau, Ultramann, Manganviolett, Cadmium­ gelb, Molybdatorange und -rot, Chromorange und -rot, Eisenoxidrot, Chromdi­ oxidgrün und Strontiumgelb.

Auch organische Farben, beispielsweise natürlich vorkommende Pigmente wie Sepia, Indigo, Chlorophyll, oder insbesondere synthetische Pigmente wie bei­ spielsweise Azo-Pigmente, Indigoide, Dioxazin-, Chinacridon-, Phthalocyanin-, Isoindolidon-, Perylen- und Perinon-, Metallkomplex- und Alkaliblau-Pigmente können Bestandteile der Beschichtungsmittel darstellen.

Ebenso kann die erfindungsgemäße Beschichtung Leuchtpigmente zur Erzeugung eines Metalleffekts enthalten. Verwendbar sind insbesondere Metall-Plättchen, vorzugsweise Aluminium-Plättchen, die über ihr Reflexionsverhalten einen be­ sonderen optischen Effekt geben. Weitere Metall-Plättchen sind beispielsweise solche auf Basis von Gold-Bronzen, Kupfer-Zink-Legierungen, Nichel, rostfreiem Stahl und Glimmer.

Die Beschichtungen können außerdem Leuchtpigmente zur Erzeugung von Me­ tamerieeffekten enthalten. Hier können beispielsweise Pigmente zur Erzeugung von Perlglanz eingesetzt werden. Im einzelnen sind zu nennen Bismutoxidchlorid, Titandioxid-Glimmer und Bleicarbonat.

Als Interferenz-Pigmente zum Wärmeschutz können die Beschichtungsmittel Pigmente mit hohem Reflexionsvermögen für IR-Strahlung enthalten, insbesonde­ re Bleicarbonat und Titandioxid-Glimmer. Durch destruktive Interferenz kommt es zur Auslöschung wesentlicher Strahlungsanteile, wodurch ein Wärmeschutz erzielt wird.

Die Beschichtungen können im Rahmen der Erfindung auch Pigmente zum Kor­ rosionsschutz enthalten. Vorzugsweise werden Blei(II)orthoplumbat, Chromat- Pigmente, Phosphat-Pigmente, Zinkstaub oder Bleistaub verwendet.

Darüber hinaus können die erfindungsgemäßen Beschichtungen magnetische Pigmente wie Reineisen, Eisenoxid oder Chrom(IV)oxid enthalten.

Andererseits ist mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch beabsichtigt, Be­ schichtungen auf Substrate aufzubringen, die einen Oberflächeneffekt, entweder alleine oder zusammen mit einem wie oben beschriebenen Effekt aufweisen und z. B. die Substrate vor äußeren Einflüssen schützen. Bei derartigen Beschichtun­ gen wird deren Wirkung durch die Oberfläche bzw. die Oberflächenstruktur der Beschichtung bewirkt.

Im öffentlichen Bereich besteht die Notwendigkeit beispielsweise Wandverklei­ dungen von Gebäudefassaden oder Innenraum-Wandflächen, Unterführungen, im Sanitärbereich oder als Wandbeläge unempfindlicher gegen Verschmutzungen und Schmierereien ("Graffiti") zu machen. Um dies zu erreichen, ist es häufig sinnvoll diese Substrate mit wasser-, schmutz-, fettabweisenden Beschichtungen zu versehen.

Auch die Beschichtung von Oberflächen von Bauelementen, welche die Außen­ haut von Gebäuden, Fahrzeugen, Flugzeugen, Schiffen oder auch Maschinen und Anlagen bilden, dient in vielen Fällen primär dem Zweck, die entsprechenden Teile relativ unempfindlich gegen Umgebungseinflüsse zu machen. Insbesondere kann die korrodierende Wirkung von sich an den Oberflächen niederschlagender Flüssigkeit und von Luftverschmutzungen durch geeignete Beschichtungen unter­ bunden oder zumindest reduziert werden.

Weitere Anwendungsmöglichkeiten sind ferner Beschichtungen mit einer spezi­ ellen Mikrostruktur, durch die auch für Chrom- oder Emailleüberzüge oder ähnli­ che Beschichtungen ungeeignete Oberflächen beispielsweise die Oberflächen ke­ ramischer Bauteile, von Ziegeln oder Dachziegeln oder Putzflächen in hohem Maße Flüssigkeits- und ablagerungsabweisend gemacht werden können. Im Hin­ blick auf diesen als "Lotus-Effekt" bezeichneten Effekt derartiger Beschichtungen spricht man hier auch von "Lotus-Effekt Beschichtungen". Grundlage des Lotus- Effektes sind extrem aufgerauhte, hydrophobe Oberflächen, an denen Wasser und Partikel praktisch nicht haften. Bei entsprechenden Beschichtungen handelt es sich im wesentlichen um thermisch vernetzende polymere Systeme, die zur Ver­ netzung bzw. Aushärtung einer Wärmebehandlung von normalerweise oberhalb von 200°C unterzogen werden müssen.

Antikorrosive, Antioxidations- und sonstige Schutzbeschichtungen werden bei­ spielsweise bei elektronischen Bauteilen und bei optischen Geräten benötigt.

Weitere Anwendungen für Beschichtungen sind das Erzeugen einer wärme-, bzw. kälteisolierenden Schicht, einer magnetisierbaren Schicht, wie z. B. eines Magnet­ bandes eines Datenträgers, das Erzeugen eines Displays, wie beispielsweise eines Plasmadisplays, einer elektoptischen, Anzeige wie beispielsweise einer Vakuum­ fluoreszenzanzeige, einer LED, OLED, von Biosensoren und semipermeablen Schichten.

In der Halbleiterindustrie kann das erfindungsgemäße Verfahren dazu verwendet werden, elektrisch leitende oder sonstige Nano-Beschichtungen auf Halbleiter- Substrate aufzubringen.

Weitere typische Anwendungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Be­ schichtungen von Scheiben von Gebäude- oder auch Automobilverglasungen, Visieren von Funktions- und Brillengläsern sowohl aus Kunststoff als auch aus Glas. Weitere Beispiele für Substrate sind Boden- und Wandfliesen, Dachziegel, sonstige Bodenbeläge auf Keramik, Ton aber auch keramische Bauteile, Halblei­ ter-Substrate wie z. B. Solarzellen aus Silizium oder auch Textilien, Leder oder Metalle.

Der Einsatz von Beschichtungssystemen war bislang auf die Herstellung neuer Substrate beschränkt, in die das Aufbringen und die Aushärtung der Beschichtun­ gen von vornherein einbezogen wird.

Gemäß einer weiteren praktisch bedeutsamen Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei dem Substrat um ein montiertes Bauteil. Dies kann ein in eine Gebäudekonstruktion fest eingefügtes keramisches Bauteil, insbesondere eine Wand- oder Bodenfliese sein. Zu diesem Anwendungsgebiet zählen auch Bau­ elemente aus gebranntem Ton, insbesondere in deren Einsatz als Bodenbelags- oder Wandverkleidungselemente, aber auch als Dachziegel.

Ein Abbruch der aus unbehandelten Bauteilen hergestellten Oberflächen ist in all diesen Anwendungsfeldern meist wirtschaftlich unvertretbar, die bei unbehandel­ ten Bauteilen nötigen häufigen Reinigungsarbeiten stellen aber für die Eigentümer ebenfalls eine hohe wirtschaftliche Belastung dar. Aufgrund der geringen thermi­ schen Belastung für das Bauteil während der Erzeugung der Beschichtung kann das erfindungsgemäße Verfahren ohne die Gefahr einer Beschädigung des Sub­ strats angewandet werden.

Dies gilt in ähnlicher Weise auch für Verglasungen von Gebäuden oder Fahrzeu­ gen und nicht keramische Konstruktionselemente von Wand- bzw. Deckenauf­ bauten oder Fahrzeug-Außenhüllen. In diesem Zusammenhang ist insbesondere an den nachträglichen Schutz der Aufbauten und Verglasung von öffentlichen Verkehrsmitteln in den Großstädten vor schneller Verschmutzung und Schmiere­ reien, aber auch an gebrauchswerterhöhende Beschichtungen an Flugzeug- oder Schiffsaußenhäuten zu denken.

Wand- bzw. Deckenverkleidungen oder Bodenbeläge aus Kunststoff oder Holz, die sich von aggressiven Verschmutzungen oder Sprühlacken nur sehr schwer und oftmals überhaupt nicht reinigen lassen, werden durch eine mit dem vorgeschla­ genen Verfahren vor Ort aufgebrachte Beschichtung weitgehend unempfindlich gegen derartige Ablagerungen und behalten im normalen Einsatz wesentlich län­ ger ein angenehmes Erscheinungsbild. Speziell bei solchen temperaturempfindli­ chen Substraten kommt zudem die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren er­ reichte geringe thermische Belastung des Trägers höchst vorteilhaft zur Geltung.

Dies gilt in ähnlicher Weise für Sitzbezüge aus Kunststoff, Leder oder lederarti­ gem Material (oder - unter bestimmten Voraussetzungen - auch für textile Sitzbe­ züge), die im öffentlichen Bereich oder öffentlichen Verkehrsmitteln bevorzugtes Objekt von Schmierereien sind. Derartige Sitzbezüge sind thermisch relativ emp­ findlich, so daß ein Aufbringen thermisch vernetzender Beschichtungen beim Ein­ satz herkömmlicher Vernetzungsverfahren praktisch ausschiede, zum anderen sind sie aber ohne zusätzlichen Schutz von einmal aufgebrachten Lacken nur noch schwer zu reinigen.

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die zuvor beschriebenen Ausführungsfor­ men beschränkt, sondern erstreckt sich auch auf andere mögliche Anwendungs­ möglichkeiten des Verfahrens im Rahmen der Fähigkeiten eines Fachmanns.

Claims (20)

1. Verfahren zum Erzeugen einer Beschichtung auf einem Substrat durch Be­ strahlung des Substrats umfassend ein Beschichtungsmittel mit elektromagne­ tischer Strahlung, deren wesentlicher Wirkanteil im Wellenlängenbereich des nahen Infrarot, vorzugsweise im Wellenlängenbereich von 0,8 bis 1,5 µm liegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Leistungsdichte der elektromagneti­ schen Strahlung insbesondere oberhalb von 100 kW/m², bevorzugt oberhalb von 200 kW/ m² und besonders bevorzugt oberhalb von 500 kW/m² ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Bestrahlung mit elektromagne­ tischer Strahlung weniger als 30 s, bevorzugt weniger als 10 s, insbesondere weniger als 5 s und besonders bevorzugt in weniger als 2 s dauert.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Beschich­ tungsmittel in Form einer paströsen Masse oder einer Flüssigkeit, vorzugswei­ se durch Aufwalzen, Aufstreichen, Aufsprühen, Giessen oder Rakeln, auf das Substrat aufgebracht wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Oberfläche des Substrats vor dem Aufbringen des Beschichtungsmittels vorzugsweise aufgerauht, geätzt, geschliffen und/oder mit einem Primer versehen wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Beschich­ tungsmittel Stoffe zur Erzeugung zumindest eines optischen Effekts innerhalb der Beschichtung oder zumindest eines Oberflächeneffektes der Beschichtung oder einer Kombination davon aufweist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei der optische Effekt eine elektromagneti­ sche Strahlung polarisierende, filternde, reflektierende, absorbierende oder beugende Wirkung, oder eine Kombination dieser Wirkungen aufweist.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei der optische Effekt ein holographi­ scher Effekt, ein thermotroper Effekt, ein dekorativer Effekt oder eine Kombi­ nation dieser Effekte ist.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei der Oberflächeneffekt eine die Kratzfestigkeit verbessernde, die Anfälligkeit für Oxidation oder Re­ duktion verhindernde oder vermindernde, eine antikorrosive, eine Wasser-, Schmutz-, und/oder Fett-abweisende Wirkung, oder eine Kombination dieser Wirkungen aufweist.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei der Oberflächeneffekt der Lotusblüteneffekt, oder ein dekorativer Effekt oder eine Kombination davon ist.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Beschich­ tungsmittel Stoffe zur Erzeugung eines Leuchteffekts, insbesondere eine oder mehrere keramische Farben, Zusatzstoffe zur Erzeugung eines Metalleffekts oder Metamerieeffekts, sonstige organische oder anorganische Farbmittel oder Kombinationen davon aufweist.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Beschich­ tungsmittel Stoffe zur Erzeugung einer thermo-chemischen, elektro­ chemischen, Wärme isolierenden, einer semipermeablen Schicht, eines Displays, eines Flachbildschirms, einer magnetisierbaren Schicht, eines Biosen­ sors, oder einer Kombination davon aufweist.

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Substrat ausgewählt wird unter:
einer Scheibe einer Gebäude- oder Automobilverglasung, eines Visiers, einem Funktionsglas, einem Brillenglas aus Kunststoff oder Glas,
einer Boden-, oder Wandfliese, einem Dachziegel, einem Bodenbelag aus Keramik oder Ton,
einem keramischen Bauteil,
einem Halbleitermaterial,
einem Gegenstand umfassend ein textiles, ledernes oder metallisches Ma­ terial, und
einem Gegenstand aus Kunststoff, Holz, Papier oder einem Werkstoffver­ bund.

14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei es sich bei dem Substrat um ein montiertes Bauteil handelt.

15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das montierte Bauteil eine Glasscheibe einer Gebäudeverglasung, ein Wand- oder Decken­ verkleidungselement, ein Teil eines Fahrzeugaufbaus, insbesondere aus Me­ tall, Kunststoff oder Holz, oder ein eingebauter Sitzbezug eines Sitzes in ei­ nem Gebäude oder Fahrzeug, insbesondere aus Kunststoff, Leder oder aus ei­ nem lederartigen Material ist.

16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Bestrahlung und/oder - sofern vorhanden - das Aufbringen des Beschichtungsmittels voll­ automatisiert durchgeführt wird.

17. Substrat umfassend ein Beschichtungsmittel, herstellbar nach einem Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.

18. Verwendung eines Substrats nach Anspruch 17 in der Automobilindustrie, Halbleiterindustrie, bei der Gebäudekonstruktion und im Gerätebau.

19. Computerprogramm mit Programmcode-Mitteln zur Durchführung des Ver­ fahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16.

20. Datenträger mit Computerprogramm nach Anspruch 19.