DE10102238B4

DE10102238B4 - Als Schmierstoff wirkende Beschichtung und Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE10102238B4
Application number: DE10102238A
Authority: DE
Inventors: Thomas Dr. Brinz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2001-01-19
Filing date: 2001-01-19
Publication date: 2008-06-19
Anticipated expiration: 2021-01-20
Also published as: FR2819813A1; FR2819813B1; US20020142176A1; DE10102238A1

Abstract

Beschichtung eines Körpers, die als Schmierstoff wirkt, wobei zum mindesten eine beschichtete Oberfläche des Körpers Polymere enthält und wobei die Beschichtung LC-Eigenschaften hat, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper ein Scheibenwischergummi ist und die Beschichtung durch chemische Bindung oder durch zwischenmolekulare Kräfte an die Körperoberfläche gebunden ist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Beschichtung eines Körpers, die als Schmierstoff wirkt, wobei zum mindesten die beschichtete Oberfläche Polymere enthält, und ein Verfahren zu ihrer Herstellung.
Eine gute Schmierung zwischen zwei einander berührenden Oberflächen, die sich relativ zueinander bewegen, vermindert die bei der Bewegung aufzuwendende Energie und ist damit ökonomisch und ökologisch interessant. Es kommt hinzu, dass je kleiner die aufzuwendende Energie ist, desto kleiner und damit platzsparender und kostengünstiger können die Antriebsaggregate ausgelegt werden.
Als niederviskose Schmiermittel mit geringen Reibzahlen sind flüssigkristalline niederviskose Flüssigkeiten bekannt. Ihre Anwendung beispielsweise als Schmiermittel für Scheibenwischer ist aber ungünstig, weil das Schmiermittel die Windschutzscheibe verschmiert. Um die Wischgummis in den Scheibenwischern, die in der Regel aus Kautschuk oder kautschukähnlichen Materialien bestehen, gleitfähiger zu machen, werden sie deshalb einer Chlorbehandlung unterzogen und anschliessend graphitiert. Es sind auch Wischgummis bekannt, die mit Polyamid beschichtet sind. Durch die genannten Massnahmen werden zwar die Reibzahlen verbessert, sie sind aber immer noch nicht zufriedenstellend.
Weiterhin sind aus der WO 94/21386 A2 Beschichtungen von festen Oberflächen aus Polymeren durch Chemisorption bekannt, wobei die Beschichtungen aus Polymeren bestehen, die in der Seitenkette als funktionelle Einheiten Flüssigkristalle enthalten können. Eine weitere Beschichtung ist der WO 99/61531 A1 zu entnehmen, wobei dort die Beschichtung eines Formkörpers erfolgt und die Beschichtung flüssigkristalline Eigenschaften aufweist. Der Formkörper kann dabei ein Gewebe oder eine Membran sein.
Die Erfindung und ihre Vorteile
Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Beschichtung mit einer niedrigen Reibzahl auf einem Körper, wobei zum mindesten dessen beschichtete Oberflächenbereiche Polymere enthalten, und ein einfaches Verfahren zu ihrer Herstellung bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird mit einer Beschichtung der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 und mit einem Verfahren der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 26 gelöst.
Die erfindungsgemäße Beschichtung nutzt die ausgezeichnete Schmierwirkung von Materialien mit Flüssigkristalleigenschaften aus, wobei aber der Abrieb, d.h. die Materialmenge, welche auf die Oberfläche gelangt, an der die beschichtete Oberfläche vorbeistreicht, so gering ist, daß eine beachtliche Verschmutzung nicht eintritt. Das Verfahren zur Herstellung der Beschichtung kombiniert bekannte, ausgereifte Verfahrensschritte, die sich unter Verwendung üblicher Apparaturen kostengünstig durchführen lassen.
Es ist günstig, die Beschichtung so auszubilden, daß von dem Körper eine Vielzahl von Seitenketten abstehen, die je mindestens eine mesogene Gruppe enthalten, wobei in vorteilhafter Weise die Seitenketten an der Körperoberfläche oder an der Hauptkette eines Polymermoleküls befestigt sind, wobei das letztere seinerseits an der Körperoberfläche befestigt ist. Unter Seitenketten wird im vorliegenden Fall ein von der Hauptkette eines Polymers (das auch Teil der Körperoberfläche bilden kann) abzweigender Molekülrest verstanden, welcher durch chemische Bindung oder durch zwischenmolekulare Kräfte an dem Polymer befestigt ist. Die genannten Seitenketten sind vorteilhaft, da sie sich besonders wirkungsvoll zur Bewegungsrichtung ausrichten lassen. Sind die Seitenketten durch chemische Bindungen an einem Polymer befestigt, handelt es sich um LC-Seitenkettenpolymere. Diese sind, wenn sie Bestandteil des Körpers sind oder durch chemische Bindung an dem Köper befestigt sind, nur geringem Abrieb unterworfen.
Bevorzugt sind die Seitenketten über eine verankernde Gruppe befestigt.
Es ist günstig, wenn eine mesogene Gruppe pro Seitenkette vorgesehen ist, und wenn an dem der verankernden Gruppe zugewandten Ende der mesogenen Gruppe ein Spacer eingefügt ist und noch günstiger, wenn mindestens zwei, von der verankernden Gruppe aus gesehen hintereinander angeordnete mesogene Gruppen pro Seitenkette vorgesehen sind, und wenn zwischen der verankernden Gruppe und der ihr nächsten mesogenen Gruppe und gegebenenfalls auch zwischen mesogenen Gruppen Spacer vorgesehen sind. Spacer erleichtern die Ausrichtung der mesogenen Gruppen und können beispielsweise in chemischer Hinsicht die Anpassung der verankernden Gruppe an die mesogene Gruppe erleichtern.
Es ist vorteilhaft, wenn an dem von der Körperoberfläche abgewandten Ende der Seitenkette eine Endgruppe angehängt ist, deren Wechselwirkung mit der Oberfläche möglichst gering ist, entlang welcher der Körper gleitet.
Zur Verbesserung der Lebensdauer und der Effektivität der Beschichtung, ist es vorteilhaft, wenn mehrere untereinander verbundene Schichten des mit Seitenketten versehenen Polymers auf dem Körper aufgebracht sind.
Eine gute Schmierwirkung wird erzielt, wenn die Beschichtung eine LC-Phase aus der Gruppe nematische, smektische, diskoid nematische und columnar diskotische Phase bildet, wobei die nematischen und smektischen Phasen besonders bevorzugt sind.
Die erfindungsgemäße Beschichtung läßt sich besonders vorteilhaft anwenden, wenn das in dem Körper enthaltene Polymer elastisch ist und insbesondere, wenn der Körper ein Wischergummi ist.
Es ist vorteilhaft, wenn bei der Herstellung der Beschichtung durch Polymerisation oder durch chemisches Anpfropfen von Monomeren an die Hauptkette eines Polymers Reaktionen wie eine radikalische oder strahlungsinitiierte Polymerisation, eine Polykondensation, bzw. eine diesen Reaktionen entsprechende polymeranaloge Reaktion oder eine Vinyladdition durchgeführt werden.
Die vorteilhaften mehrschichtigen erfindungsgemäßen Beschichtungen werden bevorzugt hergestellt, indem mehrere Schichten des erzeugten Polymers auf der Körperoberfläche übereinander aufgebracht werden. Untereinander verbunden werden die Schichten in vorteilhafter Weise, indem ihre Hauptketten miteinander und gegebenenfalls die zweite Schicht mit einer benachbarten Hauptkette und mit der Körperoberfläche vernetzt werden oder indem die zu benachbarten übereinanderliegenden Schichten gehörenden Seitenketten, wie die Borsten von zwei Bürsten, ineinander gesteckt werden, damit sie durch zwischenmolekulare Kräfte aneinander haften.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Beschichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von durch Zeichnungen erläuterten Ausführungsbeispielen detailliert beschrieben. Es zeigen
1 in schematischer Querschnittsdarstellung einen Körper, wie einen Wischergummi, der erfindungsgemäß mit mesogene Gruppen enthaltenden Seitenketten beschichtet ist,
2a in schematischer Darstellung Ausschnitte aus der Hauptkette von Polymeren mit mesogene Gruppen enthaltenden Seitenketten,
2b in schematischer perspektivischer Darstellung Hauptketten eines Polymers mit Seitenketten (LC-Seitenkettenpolymer), welche Domänen mit LC-Eigenschaften bilden,
3 in schematischer Darstellung die Struktur einer Seitenkette bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung,
4 in schematischer perspektivischer Darstellung ein Wischergummi in Aktion, dessen eine Schmalseite erfindungsgemäß beschichtet ist,
5a in schematischer Querschnittsdarstellung eine Ausführungsform der Beschichtung, bei der Seitenketten mit unterschiedlich langen Spacern mit dem Körper verbunden sind,
5b in schematischer Darstellung eine Alternative zu der in der 5a gezeigten Beschichtung, bei der je zwei mesogene Gruppen enthaltende Seitenketten mit dem Körper verbunden sind.
6a in perspektivischer idealisierter Darstellung untereinander vernetzte Schichten von LC-Seitenkettenpolymeren,
6b in Querschnittsdarstellung der Realität entsprechende untereinander vernetzte Schichten von LC-Seitenkettenpolymeren,
7 in schematischer Querschnittsdarstellung zwei Schichten von LC-Seitenkettenpolymeren, wobei die Schichten über intermolekulare Kräfte zwischen den Seitenketten miteinander verbunden sind,
8a bis 8d flüssigkristalline Phasen, welche bei der erfindungsgemäßen Beschichtung vorteilhaft einsetzbar sind, und
9a bis 9d schematische perspektivische Darstellungen von smektischen Phasen entsprechend besonders vorteilhaften Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Beschichtung.
Im folgenden wird die Erfindung hauptsächlich anhand von erfindungsgemäß beschichteten Wischergummis beschrieben. Es sei aber klargestellt, daß sich zwar die Erfindung bei Wischergummis besonders vorteilhaft einsetzen läßt und daß sich die Erfindung anhand dieses Beispiels besonders anschaulich erläutern läßt, daß aber von ihm im Rahmen der Ansprüche mannigfaltige Abweichungen möglich sind.
Die 1 zeigt einen Körper 1, wie ein Wischergummi, an dem Seitenketten 2 mit je einer mesogenen Gruppe 3 befestigt sind. Zum mindesten die Oberfläche des Körpers 1, an der die Seitenketten befestigt werden, enthält Polymere.
Die 2a zeigt Abschnitte der Hauptkette 4 von Seitenkettenpolymeren, wobei an die Hauptkette mindestens eine mesogene Gruppe 3 aufweisende Seitenketten 2 gebunden sind. Solche Seitenkettenpolymere können, wie die 2b zeigt, Domänen mit LC-Eigenschaften ausbilden und sind deshalb erfindungsgemäß einsetzbar. Bevorzugt sind die Bereiche der Hauptkette, in denen die Seitenketten angepfropft sind, frei drehbar, so daß die Seitenkette in die selbe Richtung (2b) oder in unterschiedliche Richtungen (2a) abzweigen.
Der Aufbau einer Seitenkette 2, wie sie bevorzugt in den Strukturen eingesetzt werden, welche beispielsweise die 1, 2a und 2b zeigen, ist schematisch in der 3 gezeigt. Über eine verankernde Gruppe 5 ist sie durch chemische Bindung oder durch zwischenmolekulare Kräfte direkt an den reibenden Körper, wie ein Wischergummi, oder an die Hauptkette eines Polymers gebunden (welches seinerseits an den reibenden Körper gebunden ist). Der im vorliegenden Fall wichtigste Bestandteil der Seitenkette ist die mesogene Gruppe 3, welche zusammen mit mesogenen Gruppen anderer Seitenketten Flüssigkristalleigenschaften entwickeln kann, indem sich die mesogenen Gruppen zueinander ausrichten. Bevorzugt besteht die mesogene Gruppe aus Biphenyl-, Hydrobenzoat-, Naphthalinderivat- oder Triphenylenresten. In erster Linie um die Ausrichtung der mesogenen Gruppen untereinander zu erleichtern, ist die verankernde Gruppe mit der mesogenen Gruppe über einen Spacer 6 verbunden. Als Spacer dienen bevorzugt Alkyl- oder Siloxangruppen, die weich und flexibel sind. Je nach dem Gegenstand, beispielsweise eine Glasscheibe, an dem sich der reibende Körper reibt, weist die Seitenkette an dem von der verankernden Gruppe abgewandten Ende der mesogenen Gruppe bevorzugt eine Endgruppe 7 auf, welche aufgrund ihrer Eigenschaften, wie ihrer Polarität, dafür sorgt, daß die Wechselwirkung zwischen der Seitenkette und der Oberfläche, an welcher der Körper reibt, möglichst gering ist. Als Endgruppe eignet sich, wenn die Oberfläche unpolar sein soll, eine gegebenenfalls ganz oder teilweise fluorierte Alkylgruppe, und, wenn die Oberfläche polar sein soll, eine CN-Gruppe.
Unter Reibbelastung findet in den Domänen eine Ausrichtung statt, d.h. die Seitenketten richten sich zueinander aus, da die Bindungen zwischen den Seitenketten nur schwach ausgeprägt sind. Die Ausrichtung hat zur Folge, daß die Reibzahl des beschichteten Wischgummis abnimmt. Als Modell zur Veranschaulichung dieses Effekts kann ein in der Hand gehaltenes Bündel von Mikadostäbchen dienen. Sind die Stäbchen so zueinander angeordnet, daß sie von null verschiedene Winkel miteinander bilden, "haften" die Stäbchen gewissermaßen aneinander. Sind die Stäbchen parallel zueinander ausgerichtet und wird das Bündel etwa senkrecht gehalten, rutschen die Stäbchen aus der umklammernden Hand heraus. Wie der beschichtete Wischergummi in der Praxis wirkt, veranschaulicht die 4. Wird der am – nicht gezeigten – Wischer gehaltene Wischergummi 1 über eine Glasscheibe, wie eine Windschutzscheibe, in Richtung des Pfeils 8 gezogen, richten sich die Seitenketten 2 der Beschichtung zueinander aus, wodurch sich die Reibzahl vermindert. Die Verminderung ermöglicht es, die Motoren für den Wischerantrieb kleiner und leistungsschwächer und damit kostengünstiger und umweltfreundlicher auszulegen.
An einer Beschichtung, in der die mesogenen Gruppen in einer einzigen Schicht angeordnet sind (s.o.), läßt sich zwar die Funktion und der prinzipielle Aufbau der Beschichtung besonders gut veranschaulichen, eine große praktische Bedeutung hat sie aber nicht, weil die Beschichtung dem Abrieb unterworfen ist. Bevorzugt sind daher die mesogenen Gruppen in mehreren Schichten angeordnet, oder haben zum mindesten unterschiedliche Abstände zu der Hauptkette. Um solche "mehrschichtigen" Beschichtungen zu realisieren, gibt es verschiedene Möglichkeiten.
Die 5a zeigt eine Beschichtung in schematischer Querschnittsdarstellung, bei der die Positionierung von mesogenen Gruppen in zwei Schichten durch die Verwendung von zwei Arten von Seitenketten 2 erreicht wird, die sich dadurch unterscheiden, daß die Spacer 6 bzw. 6' verschieden lang sind. Bei der in der 5b gezeigten Alternative hierzu, wird die Positionierung von mesogenen Gruppen in zwei Schichten dadurch erreicht, daß pro Seitenkette 2 zwei mesogene Gruppen 3 vorgesehen sind. Eine Anordnung der mesogenen Gruppen in mehr als zwei Schichten läßt sich auf diese Art verwirklichen, wenn als Seitenkette LC-Hauptkettenoligomere oder LC-Hauptkettenpolymere eingesetzt werden.
Die 6a zeigt – zur besseren Veranschaulichung – idealisiert zwei Schichten 9 von LC-Seitenkettenpolymeren, die je aus einer Hauptkette 4 und davon abstehenden Seitenketten 2 bestehen. Die Seitenketten können je eine mesogene Gruppe enthalten, oder auch entsprechend den in den 5a und 5b gezeigten Ausgestaltungen ausgebildet sein. Die Hauptketten sind zur Erhöhung der Lebensdauer der Beschichtung untereinander – nicht gezeigt – vernetzt. Wie die 6b zeigt, liegen die Schichten 9 in der Realität nicht exakt parallel übereinander, sondern haben zum Teil Unterbrechungen und die Enden der Teilstücke überlappen sich. Wie die 6b außerdem zeigt, gibt es auch amorphe Bereiche 10, in denen kein Ausrichten der mesogenen Gruppen zueinander stattfindet. Entsprechend dem in den 6a bzw. 6b gezeigten Bauprinzip lassen sich auch Beschichtungen mit mehr als zwei Schichten von LC-Seitenkettenpolymeren verwirklichen, wodurch man, was auch für die im folgenden Abschnitt beschriebene Ausführung gilt, eine Anordnung der mesogenen Gruppen in relativ vielen Schichten erhält.
Eine andere Art der Verbindung zwischen Schichten von LC-Seitenkettenpolymeren ist in der 7 gezeigt. Bei dieser Ausführungsform sind nicht die Hauptketten 4 untereinander vernetzt, vielmehr stecken die einander zugewandten Seitenketten 2 von zwei benachbarten LC-Seitenkettenpolymeren, wie die Borsten von zwei Bürsten, ineinander (wie zwei Bürsten) und sind durch intermolekulare Kräfte, wie durch Wasserstoffbrücken untereinander verbunden. Bei dieser Ausführungsform ist der Abrieb im Vergleich zu der in den 6a und 6b gezeugten Ausführungsformen größer, aber der Reibwert ist sehr gering. Entsprechend dem anhand der 7 illlustrieten Bauprinzip kann man auch Beschichtungen mit mehr als zwei Schichten verwirklichen, wobei die Seitenketten auch entsprechend den in den 5a und 5b gezeigten Ausgestaltungen ausgebildet sein können.
Die flüssigkristallinen Phasen, die bei der Erfindung insbesondere für mehrschichtige Beschichtungen brauchbar sind, zeigen die 8a bis 8d. Bei der in der 8a gezeigten nematischen Phase sind die Längsachsen der mesogenen Gruppen 3 in einer Vorzugsrichtung angeordnet. Bei der in der 8b gezeigten smektischen Phase sind die mesogenen Gruppen 3 in Schichten angeordnet und zusätzlich sind ihre Längsachsen innerhalb der Schichten zueinander parallel. Bei der diskoid nematischen Phase (s. 8c) sind in etwa tellerförmige mesogene Gruppen 3 wie solche aus Triphenylen, in Schichten angeordnet und die Drehachsen der tellerförmigen Gruppen sind zueinander im wesentlichen parallel. Bei der columnar diskotischen Phase (s. 8d) sind die tellerförmigen mesogenen Gruppen 3 als Säulen ausgebildet und die Drehachsen der mesogenen Gruppen sind zueinander parallel.
Am besten geeignet sind erfindungsgemäß nematische und smektische Phasen. Beispiele von vorteilhaften smektischen Phasen zeigen die 9a bis 9d. Bei der in der 9a gezeigten smektischen Phase s_C unterscheiden sich die Richtungen der Längachsen von mesogenen Gruppen 3, die zu verschiedenen Schichten gehören. Die in der 9b gezeigte smektische Phase s_A unterscheidet sich von der in der 9a gezeigten dadurch, daß die Längsachsen aller mesogenen Gruppen 3 dieselbe Richtung haben. Bei der in der 9c gezeigten smektische Phase s_B haben alle mesogenen Gruppen 3 außer der einheitlichen Ausrichtung ihrer Längachsen innerhalb ihrer Schicht auch noch eine hexagonale Anordnung. Dies ist auch bei der in der 9d gezeigten smektischen Phase s_E der Fall, wobei darüber hinaus die mesogenen Gruppen 3 nicht annähernd zylindrisch wie bei den anderen genannten smektischen Phasen sondern mehr plattenförmig ausgebildet sind, und zwar in der Weise, daß die Platten jeder Schicht zwei einander durchdringende hexagonale Anordnungen so bilden, daß jede Platte der einen Anordnung vier nächste Nachbarn hat, die zur anderen Anordnung gehören, wobei innerhalb jeder Anordnung die Normalen der Platten parallel zueinander sind und die Normalen der beiden Anordnungen senkrecht aufeinander stehen. Je höher der Ausrichtungsgrad ist, desto stärker läßt sich die Reibzahl der Beschichtung im Einsatz vermindern.
Anwenden läßt sich die erfindungsgemäße Beschichtung vorteilhaft außer bei Wischergummis auch bei einer auf einem Band gleitenden Gummirolle und bei einem Lager aus Kunststoffkomponenten.
Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Beschichtungen werden bekannte, ausgereifte Verfahren kombiniert.
Zunächst werden Moleküle einer Verbindung synthetisiert, welche mindestens eine mesogene Gruppe und eine Ankergruppe enthält, die zur Bindungsbildung fähig ist. Bevorzugt wird für jede mesogene Gruppe an ihrem der Ankergruppe zugewandten Ende ein Spacer eingebracht. Günstig ist es, an der Verbindung an ihrem der Ankergruppe entgegengesetzten Ende auch noch eine Endgruppe anzubringen, um die Wechselwirkung zwischen der Beschichtung und der Fläche, beispielsweise einer Windschutzscheibe, zu vermindern. Die Auswahl der Ankergruppe erfolgt je nach dem, welche Art von Bindung angestrebt wird. Soll die Verbindung durch zwischenmolekulare Kräfte, wie durch Wasserstoffbrücken, an den Körper gebunden werden, ist die Ankergruppe beispielsweise eine Carboxylgruppe. In diesen Fällen ist die Ankergruppe mit der verankernden Gruppe (s.o.) identisch. Soli die Bindung chemisch sein, kommen als Reaktionen, bei denen die Bindung gebildet wird, insbesondere eine radikalische oder eine unter UV-Strahlung ablaufende Polymerisation, eine Polykondensation, bzw. eine diesen Reaktionen entsprechende polymeranaloge Reaktion oder eine Vinyladdition in Frage. Als Ankergruppe dienen bevorzugt eine
zur Vinyladdition beispielsweise an Isoprene, eine
oder eine
für die radikalische Polymerisation und eine -NH₂-Gruppe oder eine
für die Polykondensation. Für die genannten Reaktionen ist Voraussetzung, daß das Molekül, mit dem die Ankergruppe reagiert, eine entsprechende Gruppe, beispielsweise eine ungesättigte Bindung, enthält, mit welcher die Ankergruppe zur verankernden Gruppe reagiert.
Die genannte Verbindung ist ein Ausgangsmaterial bei der Herstellung ein- und mehrschichtiger Beschichtungen. Wie dargelegt werden für die geplante Weiterverarbeitung der genannten Verbindung bereits bei der Auswahl der Ankergruppe die Weichen gestellt.
Zunächst soll die Erzeugung von Beschichtungen des Körpers erläutert werden, bei der die mesogenen Gruppen etwa in einer Schicht angeordnet sind. Dabei kann man insbesondere zwei Verfahren anwenden.
Bei dem ersten Verfahren wird ein Pfropfmonomer über zwischenmolekulare Kräfte oder eine chemische Bindung mit der Hauptkette eines Polymers, bei dem es sich um ein – zunächst – nicht angebundenes Polymermolekül oder um ein zur Körperoberfläche gehörendes Polymer handelt. Unter einem "Pfropfmonomer" wird in diesem Zusammenhang eine Verbindung, wie sie oben beschrieben worden ist, verstanden, die über zwischenmolekulare Kräfte oder durch eine chemische Reaktion auf die Hauptkette eines Polymers aufgepfropft wird.
Die durch zwischenmolekulare Kräfte adhäsierte Beschichtung wird erzeugt, indem die entsprechend ausgebildete Ankergruppe des Pfropfmonomers mit der Hauptkette des Polymers in Kontakt gebracht wird und mit dieser – beispielsweise – eine Wasserstoffbrückenbindung eingeht.
Soll das Pfropfmonomer mit dem Polymer eine chemische Verbindung eingehen, ist dafür Voraussetzung, daß sich in der Hauptgruppe des Polymers reaktive Gruppen, wie ungesättigte Doppelbindungen, befinden, mit denen die Ankergruppe am Pfropfmonomer, beispielsweise eine Silangruppe, reagiert, und dabei die verankernde Gruppe gebildet wird. Bei der Reaktion entsteht ein LC-Seitenkettenpolymer.
Bei dem zweiten Verfahren wird ein Kettenmonomer eingesetzt. Unter einem "Kettenmonomer" wird in diesem Zusammenhang eine Verbindung wie sie oben beschrieben worden ist, verstanden, deren Ankergruppe bei einer Polymerisation als Baustein der Hauptkette eines Polymers eingebaut wird. Beispielsweise besteht die Ankergruppe aus einem zweiwertigen Rest, wie einer Ethylengruppe, an der als Seitenkette ein Molekülrest hängt, welcher die mesogene Gruppe und gegebenenfalls den Spacer und die Endgruppe enthält. Das Kettenmonomer bzw. die Ankergruppe wird thermisch unter Verwendung eines Katalysators, wie AIBN, oder durch Lichtstrahlung in Gegenwart eines Photoinitiators, wie Irgacure^® oder Darocur^® (beides sind unter diesen Handelsnamen von der Firma Ciba-Geigy, Basel, CH vertriebene Produkte), polymerisiert. Es entsteht dabei ein LC-Seitenkettenpolymer.
Das bei dem ersten Verfahren durch Umsetzung des Pfropfpolymers mit einem nicht angebundenen Polymermolekül erzeugte Produkt und das beim zweiten Verfahren erzeugte Produkt LC-Seitenkettenpolymer werden entweder über intermolekulare Kräfte oder chemisch durch Vernetzung mit dem Körper verbunden.
An der einschichtigen Beschichtung läßt sich zwar die Erzeugung der Beschichtung besonders gut veranschaulichen, ihre praktische Bedeutung ist aber (s.o.) gering. Zur Erzeugung von Beschichtungen, bei denen die mesogenen Gruppen in mehreren Schichten angeordnet sind, gibt es wiederum verschiedene Möglichkeiten.
Eine davon – deren Ergebnis durch die 5b illustriert wird – besteht darin, die Verbindung mit zwei oder mehreren aneinander gereihter mesogenen Gruppen auszustatten. Dazu werden mindestens eine mesogene Gruppen enthaltende Monomere mit reaktiven Gruppen an beiden Enden gegebenenfalls unter zwischenzeitlichem Einsatz von Schutzgruppen mit einander zur Reaktion gebracht, um Pfropfmonomere (die dann korrekt statt als -monomere als -oligomere oder – polymere zu bezeichnen wären) oder Kettenmonomere mit zwei oder mehr (oligomere) oder viele (Polymere) mesogenen Gruppen herzustellen. Die dabei erhaltenen Verbindungen werden dann wie die oben beschriebenen Pfropfmonomere und Kettenmonomere mit je einer mesogenen Gruppe ungesetzt. Alternativ kann man auch so vorgehen, daß man zunächst ein Pfropfmonomer oder ein Kettenmonomer mit je einer mesogenen Gruppe erzeugt, wie oben beschrieben umsetzt, und erst dann die Verlängerung der Seitenketten vornimmt.
Eine andere Möglichkeit – deren Ergebnis durch die 5a illustriert wird – Beschichtungen mit in mehr als einer Schicht angeordneten mesogenen Gruppen besteht darin, mindestens zwei Arten von Propfmonomeren oder Kettenmonomeren mit je einer mesogenen Gruppe aber unterschiedlich langen Spacern herzustellen und dann die mindestens zwei Arten von Verbindungen wie oben beschrieben mit einem Polymer bzw. miteinander umzusetzen. Auf diese Weise kann man erreichen, daß die mesogenen Gruppen von am Körper oder an einem Polymer verankerten Seitenketten zu unterschiedlichen Schichten gehören.
Als Alternative zu den in den vorangehenden Abschnitten beschriebenen zwei Möglichkeiten, Beschichtungen mit in mehr als einer Schicht angeordneten mesogenen Gruppen herzustellen, besteht darin, mindestens zwei Arten von Pfropfmonomeren oder Kettenmonomeren zu erzeugen welche sich in der Anzahl der mesogenen Gruppen und gegebenenfalls in der Länge der Spacer unterscheiden und dann die mindestens zwei Arten von Verbindungen wie oben beschrieben mit einem Polymer bzw. miteinander umzusetzen.
Um die mesogenen Gruppen in mehreren Schichten anzuordnen, kann man auch so vorgehen, daß erfindungsgemäß hergestellte Polymere in mehreren Schichten übereinander auf dem Körper aufgeschichtet werden. Diese Variante läßt sich mit allen Polymeren durchführen deren Herstellung über beschrieben worden ist, also auch mit denen, bei welchen die Seitenketten durch zwischenmolekulare Kräfte an den Hauptketten des Polymers befestigt sind. Benachbarte übereinander liegende Polymere können untereinander verbunden werden, indem ihre Hauptketten miteinander und gegebenenfalls die zweite Schicht mit einer benachbarten Hauptkette und mit der Körperoberfläche vernetzt werden (das Ergebnis wird durch die 6a uns 6b illustriert). Eine Verbindung ist auch möglich, indem die zu benachbarten übereinander liegenden Polymeren gehörenden Seitenketten wie die Borsten von zwei Bürsten ineinander gesteckt werden, damit sie durch zwischenmolekulare Kräfte aneinander haften. Dazu ist Voraussetzung (um der zu genügen, müssen die Komponenten der Hauptketten um die Kettenachse entsprechend frei drehbar sein), daß ab der zweiten Schicht die Polymere so eingebaut werden können, daß die Seitenketten nicht nur etwa in einer vom Körper wegstrebenden Richtung von der Hauptkette abstehen, sondern auch etwa in der entgegengesetzten (das Ergebnis wird durch die 7 illustriert).
Im folgenden wird die Erfindung anhand von zwei Ausführungsbeispielen noch detaillierter besprochen.
Beispiel 1
Ein Kettenmonomer mit der Strukturformel (I)
wobei die mit E, M, S und A bezeichneten Bereiche die Endgruppe, die mesogene Gruppe, den Spacer und die Ankergruppe markieren, wurde durch – bezogen auf das Gesamtgewicht von Monomer und Katalysator – 3 Mol-% AIBN thermisch oder einen Photoinitiator, wie Irgacure^®, polymerisiert. Es entstand dabei ein LC-Seitenkettenpolymer. Das erzeugte Polymer wurde mit seiner Hauptkette unter Anwendung an sich bekannter Verfahrensschritte durch Vernetzung oder über zwischenmolekulare Kräfte, wie Wasserstoffbrücken, an einen Körper, wie einen Wischergummi, gebunden. Die erhaltene Beschichtung war einschichtig.
Beispiel 2
Ein Pfropfmonomer mit der Strukturformel (III), wurde mit der Oberfläche eines Körper mit ungesättigten Bindungen, wie eines aus Polybutadien bestehenden Wischergummis (veranschaulicht durch die Struktur (IV)) unter Verwendung von H₂PtCl₆ (10^–6 Mol Pt/Mol der Verbindung) als Katalysator zur Reaktion gebracht:
Die Oberfläche wurde dabei mit oberflächlich gebundenen LC-Bausteinen versehen und es entstand die durch die Strukturformel (V) veranschaulichte Struktur. Die erhaltene Beschichtung war einschichtig.
Alternativ wurde mit demselben Verfahren das Pfropfmonomer mit einem nicht angebundenen Polymermolekül umgesetzt. Erhalten wurde ein LC-Seitenkettenpolymer, in dem das Pfropfpolymer die Seitenkette und das Polymer die Hauptkette bereitstellt. Dieses LC-Seitenkettenpolymer wurde dann, wie im Beispiel 1 beschrieben, mit der Oberfläche eines Körpers verbunden.

Claims

Beschichtung eines Körpers, die als Schmierstoff wirkt, wobei zum mindesten eine beschichtete Oberfläche des Körpers Polymere enthält und wobei die Beschichtung LC-Eigenschaften hat, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper ein Scheibenwischergummi ist und die Beschichtung durch chemische Bindung oder durch zwischenmolekulare Kräfte an die Körperoberfläche gebunden ist.
Beschichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass von der Körperoberfläche eine Vielzahl von Seitenketten abstehen, die je mindestens eine mesogene Gruppe enthalten.
Beschichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenketten an der Körperoberfläche befestigt sind.
Beschichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenketten an der Hauptkette eines Polymermoleküls befestigt sind, das seinerseits an der Körperoberfläche befestigt ist.
Beschichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenketten und gegebenenfalls das Polymermolekül durch chemische Bindung oder durch zwischenmolekulare Kräfte befestigt sind, wobei das Polymermolekül allenfalls dann mit zwischenmolekularen Kräften befestigt ist, wenn es auch die Seitenketten sind.
Beschichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenketten über eine verankernde Gruppe befestigt sind.
Beschichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass an dem von der Körperoberfläche abgewandten Ende der Seitenkette eine Endgruppe angehängt ist.
Beschichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Endgruppe unpolar ist.
Beschichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Endgruppe eine – gegebenenfalls fluorierte – Alkylgruppe ist.
Beschichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Endgruppe eine C₂H₅-, eine C₇H₁₅-, eine C₈H₁₇- oder eine CF₃- Gruppe ist.
Beschichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Endgruppe polar ist.
Beschichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Endgruppe eine CN-Gruppe ist.
Beschichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine mesogene Gruppe pro Seitenkette vorgesehen ist, und dass an dem der verankernden Gruppe zugewandten Ende der mesogenen Gruppe ein Spacer eingefügt ist.
Beschichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei von der verankernden Gruppe aus gesehen hintereinander angeordnete mesogene Gruppen pro Seitenkette vorgesehen sind, und dass zwischen der verankernden Gruppe und der ihr nächsten mesogenen Gruppe und gegebenenfalls auch zwischen mesogenen Gruppen Spacer vorgesehen sind.
Beschichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Spacer eine Alkylgruppe oder eine Siloxangruppe ist.
Beschichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenketten ein LC-Hauptkettenoligomer oder ein LC-Hauptkettenpolymer bilden.
Beschichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Ausbildungen der Seitenketten vorhanden sind, welche sich in der Anzahl der mesogenen Gruppen und gegebenenfalls in der Länge der Spacer unterscheiden.
Beschichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass als mesogene Gruppe ein Rest ausgewählt wird, welcher aus der Gruppe Biphenyl-, Hydrobenzoat-, Naphthalinderivat- und Triphenylenrest abgeleitet ist.
Beschichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Schichten aus ihr, die untereinander verbunden sind, auf dem Körper aufgebracht sind.
Beschichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass benachbarte Schichten untereinander verbunden sind, indem ihre Hauptketten miteinander und gegebenenfalls die zweite Schicht mit einer benachbarten Hauptkette und mit dem Körper vernetzt ist.
Beschichtung nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass ab der zweiten Schicht die Seitenketten nicht nur etwa in einer vom Körper wegstrebenden Richtung von der Hauptkette abstehen, sondern auch etwa in der entgegengesetzten.
Beschichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die zu benachbarten, übereinanderliegenden Schichten gehörenden Seitenketten wie die Borsten von zwei Bürsten ineinander gesteckt sind und durch zwischenmolekulare Kräfte aneinander haften.
Beschichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die mesogenen Gruppen eine nematische oder eine smektische LC-Phase bilden.
Beschichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die LC-Phase aus der Gruppe smektische s_A-Phase, smektische s_B- Phase, smektische s_C-Phase und smektische s_E-Phase ausgewählt ist.
Beschichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymer elastisch ist.
Verfahren zum Herstellen einer Beschichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verbindung, die mindestens eine mesogene Gruppe aufweist, mindestens bereichsweise an die Oberfläche eines Körpers direkt oder über die Hauptkette eines Polymers gebunden oder durch zwischenmolekulare Kräfte adhäsiert wird, wobei zum Mindesten der genannte Oberflächenbereich ein Polymer enthält.
Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Moleküle der Verbindung über eine in ihr enthaltene Ankergruppe gebunden oder durch zwischenmolekulare Kräfte adhäsiert werden.
Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass als Verbindung Pfropfmonomere erzeugt werden, welche mit der Ankergruppe auf ein Polymer aufgepfropft werden.
Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass beim Aufpfropfen die Ankergruppe über zwischenmolekulare Kräfte an dem Polymer adhäsiert wird oder mit einer reaktiven Gruppe an dem Polymer unter Bildung eines LC-Seitenkettenpolymers zur Reaktion gebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass als Verbindung Kettenmonomere mit einem zweiwertigen Rest als Ankergruppe erzeugt werden, und dass der zweiwertige Rest unter Bildung eines LC-Seitenkettenpolymers polymerisiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufpfropfen, sofern dabei eine chemische Reaktion stattfindet, und die Polymerisation eine radikalische oder strahlungsinitiierte Polymerisation, wobei die Ankergruppe bevorzugt eine
oder eine
ist, eine Polykondensation, wobei die Ankergruppe bevorzugt eine -NH₂-Gruppe oder eine -C-C-Gruppe ist, bzw. eine diesen Reaktionen entsprechende polymeranaloge Reaktion oder eine Vinyladdition ist, wobei die Ankergruppe bevorzugt eine >Si-H-Gruppe ist, und wobei bei Reaktionen mit einer Hauptkette die reaktive Gruppe an dieser bevorzugt eine >C=C<-Gruppe ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass das entstandene Polymer, sofern es nicht Teil der Körperoberfläche ist, mit der Körperoberfläche in der Weise umgesetzt wird, dass die Seitenketten von der Körperoberfläche abstehen.
Verfahren nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptkette des entstandenen Polymers mit dem Körper vernetzt wird oder an ihm über zwischenmolekulare Kräfte adhäsiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 27 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass an dem von der Ankergruppe abgewandten Ende der Verbindung mittels an sich bekannter Verfahren eine Endgruppe angehängt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 27 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass in die eine mesogene Gruppe aufweisenden Verbindung mittels an sich bekannter Verfahren an dem der Ankergruppe zugewandten Ende der mesogenen Gruppe oder diesem Ende benachbart ein Spacer eingebaut wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 27 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass in die Verbindung mindestens zwei von der Ankergruppe aus gesehen hintereinander angeordnete mesogene Gruppen eingebaut werden, und dass zwischen der verankernden Gruppe und der ihr nächsten mesogenen Gruppe und gegebenenfalls auch zwischen mesogenen Gruppen Spacer eingebaut werden.
Verfahren nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsmoleküle als LC-Hauptkettenoligomer oder LC-Hauptkettenpolymer ausgebildet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 35 bis 37, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Ausbildungen der Verbindungsmoleküle hergestellt werden, welche sich in der Anzahl der mesogenen Gruppen und gegebenenfalls in der Länge der Spacer unterscheiden, und gegebenenfalls unter Anwendung von Schutzgruppen statistisch oder regelmäßig verteilt mit der Oberfläche eines Körpers direkt oder über die Hauptkette eines Polymers verbunden werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 26 bis 38, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Schichten des erzeugten Polymers auf der Körperoberfläche übereinander aufgebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 39, dadurch gekennzeichnet, dass benachbarte Schichten untereinander verbunden werden, indem ihre Hauptketten miteinander und gegebenenfalls die zweite Schicht mit einer benachbarten Hauptkette und mit der Körperoberfläche vernetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 39 oder 40, dadurch gekennzeichnet, dass ab der zweiten Schicht die Polymere so eingebaut werden, dass die Seitenketten nicht nur etwa in einer vom Körper wegstrebenden Richtung von der Hauptkette abstehen, sondern auch etwa in der entgegengesetzten.
Verfahren nach Anspruch 41, dadurch gekennzeichnet, dass die zu benachbarten übereinanderliegenden Schichten gehörenden Seitenketten wie die Borsten von zwei Bürsten ineinander gesteckt werden, damit sie durch zwischenmolekulare Kräfte aneinander haften.