DE10122718A1 - Streulichtschicht und Verfahren zur Herstellung einer solchen - Google Patents

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Erzeugung einer Streulichtschicht auf einem transparenten Körper (12), insbesondere aus Glas oder Glaskeramik, angegeben, bei dem optisch streuende Partikel mit einer Schichtdicke von höchstens 100 mum durch thermisches Spritzen auf den Körper (12) aufgetragen werden (Fig. 1).

Description

Die Erfindung betrifft eine Streulichtschicht auf einem trans­ parenten Körper, insbesondere aus Glas oder Glaskeramik, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen.

Es ist bekannt, auf Glaskeramik-Kochflächen organische Farben aufzubringen, die auf einer genoppten Unterseite der Glaskera­ mik-Kochfläche aufgedruckt werden. Diese Beschichtung soll ei­ nen seitlichen Lichtaustritt insbesondere bei Verwendung von Halogen-Strahlungsheizkörpern verhindern. Hierzu wird üblicher­ weise eine schwarze Farbe verwendet, die lediglich eine Tempe­ raturbeständigkeit von maximal etwa 250°C (Dauerbeständigkeit) bzw. von maximal etwa 350°C (Kurzzeitbeständigkeit) besitzt. Daher ist es notwendig, den Heißbereich über den Heizelementen auf jeden Fall bei der Beschichtung auszusparen.

Keramische Farben, wie sie üblicherweise zur Dekoration der Oberseite von Glaskeramik-Kochflächen verwendet werden, schei­ den auf der Unterseite eines Glaskeramik-Kochfeldes aus, da sie nach dem Einbrennen die mechanische Festigkeit derart reduzie­ ren, daß eine ausreichende Stoßfestigkeit nicht mehr gegeben ist. Die Stoßfestigkeit sinkt hierbei meist auf Werte unterhalb von 0,5 Newtonmeter ab.

Aus der US 6 037 572 ist es grundsätzlich bekannt, Keramikpar­ tikel durch thermisches Spritzen auf eine Oberfläche aus Glas­ keramik aufzutragen.

Jedoch ist diese so hergestellte Keramikschicht lediglich als Isolierschicht bei Glaskeramik-Kochfeldern vorgesehen, die mit einer Kontaktheizung auf der Unterseite der Glaskeramikplatte versehen sind. Eine solche Isolierschicht ist bei Kontaktbehei­ zung erforderlich, da der elektrische Widerstand von Glaskera­ mik mit zunehmender Temperatur abnimmt (NTC-Verhalten). Eine solchermaßen hergestellte Isolierschicht weist somit eine hohe Schichtdicke in der Größenordnung von einigen Hundert Mikrome­ tern auf und ist bezüglich der Isoliereigenschaften optimiert. Ferner ergibt sich beim Auftragen von Keramikpartikeln durch thermisches Spritzen auf eine Glas- oder Glaskeramikoberfläche ein Haftungsproblem. Es hat sich nämlich gezeigt, daß die sonst übliche Vorbehandlung der zu beschichtenden Oberfläche durch Aufrauhstrahlen nicht möglich ist, da hierdurch die mechanische Stabilität der Glas- bzw. Glaskeramikoberfläche beeinträchtigt wird.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen transpa­ renten Werkstoff, insbesondere aus Glas oder Glaskeramik, mit mindestens einer Streulichtschicht anzugeben, die die Nachteile des Standes der Technik vermeidet und insbesondere eine gute mechanische und thermische Stabilität aufweist. Des weiteren soll die Streulichtschicht auf möglichst einfache und kosten­ günstige Weise erzeugbar sein und in ihren optischen Eigen­ schaften möglichst im Hinblick auf verschiedene Anforderungen anpaßbar sein. Ferner soll ein geeignetes Herstellverfahren zur Herstellung eines solchen Werkstoffes bzw. einer solchen Streu­ lichtschicht angegeben werden.

Diese Aufgabe wird durch einen transparenten Werkstoff, insbe­ sondere aus Glas oder Glaskeramik, mit mindestens einer Streu­ lichtschicht gelöst, bei dem die Streulichtschicht aus optisch streuenden Partikeln aufgebaut ist, die linsenartig flach ver­ formt sind und unter Ausbildung von kleinen Hohlräumen dicht übereinander liegen.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren gemäß der eingangs ge­ nannten Art ferner dadurch gelöst, daß der Körper aus Glas oder Glaskeramik zunächst vorgeheizt wird, und daß optisch streuende Partikel aus Glas, Glaskeramik oder Keramik mit einer Schicht­ dicke von höchstens 100 µm durch thermisches Spritzen auf den vorgeheizten Körper aufgetragen werden.

Die Aufgabe der Erfindung wird auf diese Weise vollkommen ge­ löst.

Es hat sich nämlich gezeigt, daß ein derartiger Schichtaufbau eine gute Haftung der Streulichtschicht auf dem darunter lie­ genden Werkstoff aufweist, auf einfache Weise insbesondere durch thermisches Spritzen herstellbar ist und in weiten Gren­ zen an die jeweiligen Anforderungen anpaßbare Eigenschaften aufweist.

Durch die Begrenzung der Schichtdicke auf maximal etwa 100 µm werden ferner gleichermaßen Haftungsprobleme vermieden und ei­ ner möglichen Delamination der Schicht entgegengewirkt.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung läßt sich durch ein Vorheizen des zu beschichtenden Körpers eine besonders gute Haftung der Partikel auf einer Oberfläche aus Glas oder Glaske­ ramik erreichen, ohne daß die Oberfläche zuvor durch Sandstrah­ len aufgerauht werden muß.

Im Unterschied zu den durch thermisches Spritzen aufgetragenen Keramikschichten, die als Isolierschichten bei der Herstellung von direkt beheizten Keramik-Kochfeldern dienen, kann ein wei­ ter Bereich von Materialien zur Erzeugung der Streulichtschicht verwendet werden, wobei lediglich versucht werden muß, durch eine gewisse Anpassung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten an das Ausdehnungsverhalten des beschichteten Körpers (thermischer Ausdehnungskoeffizient von Glaskeramik nahe bei Null) zu erreichen.

Es kommt somit ein breiter Bereich von Keramikmaterialien in Frage, wozu unter anderem Aluminiumoxid, Titanoxid, Bornitrid, Zirkonoxid, Siliziumnitrid oder Mischungen hiervon gehören.

Insbesondere mit Aluminiumoxid und Titanoxid ergibt sich eine besonders gute Haftung der aufgebrachten Streulichtschicht auf der Oberfläche des beschichteten Körpers. Während Titanoxid insbesondere zur Erzeugung von opaken Schichten geeignet ist, da Titanoxid eine weiße Färbung besitzt, eignet sich Aluminiu­ moxid sowohl zur Herstellung von transluzenten Streulicht­ schichten, sofern eine geringere Schichtdicke gewählt wird, als auch zur Herstellung von opaken Schichten, wenn eine größere Schichtdicke gewählt wird.

Zur Herstellung einer opaken Streulichtschicht eignen sich Schichtdicken von mindestens etwa 20 µm vorzugsweise eine Schichtdicke von etwa 30 bis 60, insbesondere eine Schichtdicke von etwa 40 bis 50 µm.

Soll dagegen eine transluzente Streulichtschicht erzeugt wer­ den, so sollte die Schichtdicke vorzugsweise weniger als 20 µm betragen.

Je nach der gewünschten Färbung und den sonstigen optischen Ei­ genschaften der Streulichtschicht können zu deren Herstellung auch farbige Partikel verwendet werden, wie etwa Eisenoxid- Partikel, oder es können Farbpartikel lediglich beigemischt werden. So können beispielsweise zu Aluminiumoxid oder Ti­ tanoxid, das eine besonders gute Haftung auf einer Glas oder Glaskeramikoberfläche aufweist, Farbpigmente zugemischt werden.

Ferner kann den Partikeln Pulver aus gemahlenem Glas oder ge­ mahlener Glaskeramik zugesetzt werden, soweit die so erhaltene Mischung noch thermisch spritzbar ist. Vorzugsweise kann hier­ bei das Pulver auch Recyclingmaterial hergestellt sein.

Um eine gute Haftung der Streulichtschicht auf der Oberfläche des beschichteten Körpers zu erreichen, wird dieser vor der Be­ schichtung auf eine Temperatur von mindestens 100°C, vorzugs­ weise auf eine Temperatur von mindestens 200°C, insbesondere auf eine Temperatur von etwa 200 bis 450°C aufgeheizt, bevor die Partikel aufgespritzt werden. Insbesondere bei Glaskerami­ ken, wie etwa Ceran® von Schott, läßt sich in diesem Tempera­ turbereich durch eine besonders gute Haftung der aufgespritzten Keramikschicht gewährleisten.

Vorzugsweise wird der Körper auf eine Temperatur unterhalb der Glastemperatur des Körpers vorgewärmt, da darüber die Formsta­ bilität beeinträchtigt wird.

Zur Vorheizung des zu beschichtenden Körpers vor dem Aufsprit­ zen der Partikel kann ein vorgeschalteter Glühprozeß genutzt werden, der während der Herstellung des Körpers ohnehin an­ fällt.

Auf diese Weise wird ein besonders energiesparender Prozeß er­ reicht.

So kann sich beispielsweise das Aufspritzen der Partikel unmit­ telbar an eine Wärmebehandlung im Kristallisationsofen bei der Herstellung einer Glaskeramik anschließen oder an einen Glüh­ prozeß im Vorspannofen bei der Herstellung von vorgespanntem Flachglas. Ferner ist es denkbar, zur Vorheizung den Prozeß der Heißformgebung bei der Herstellung von GK-Grünglas zu nutzen, oder aber den Floatprozeß (z. B. Borofloat) bei der Flachglas­ herstellung. Die Austrittstemperaturen liegen dabei üblicher­ weise im Bereich zwischen 450 und 700°C.

Soweit nur Teile der Oberfläche mit der Streuschicht versehen werden sollen, können andere, nicht zu beschichtende Teile, durch ein Maskierverfahren abgedeckt werden, bevor die Kerami­ kartikel aufgespritzt werden.

Zum thermischen Spritzen wird bevorzugt ein Plasmaspritzverfah­ ren oder ggf. ein Flammspritzverfahren verwendet.

Je nach Verfahrensführung und den verwendeten Spritzparametern lassen sich die Eigenschaften der so hergestellten Streulicht­ schicht beeinflussen. Beim Auftreffen werden die Partikel in­ folge der hohen kinetischen Energie zu linsenförmigen Blättchen (Splats) verformt. Die Partikelgröße ergibt sich meist in einem Bereich zwischen etwa 5 und 30 µm, wobei die mittlere Partikel­ größe meist im Bereich zwischen 1 und 20 µm liegt. Jedoch läßt sich die Partikelgröße zusätzlich durch die gewählten Betriebs­ parameter während dieses Beschichtungsprozesses beeinflussen.

Geringe Schichtdicken in der Größenordnung von bis zu etwa 10 µm können während eines einzigen Spritzvorgangs erzielt werden. Darüber hinausgehende Schichtdicken werden in der Regel nach­ einander in mehreren Schichten aufgetragen.

Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nachste­ hend noch zu erläuternden Merkmale der Erfindung nicht nur in den jeweils angegebenen Kombinationen sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung zu verwenden sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung.

In Fig. 1 ist ein Ausschnitt aus einem plattenförmigen Körper 12, der aus der Glaskeramik Ceran®, der von der Firma Schott hergestellt wird, im Querschnitt dargestellt. Dieser Körper 12 ist an einer seiner Oberflächen 14 mit einer dünnen plas­ magespritzten Schicht 16 aus Al₂O₃ versehen. Der so hergestellte Körper ist insgesamt mit der Ziffer 10 bezeichnet.

Es versteht sich, daß die Darstellung gemäß Fig. 1 rein bei­ spielhafter Natur ist und insbesondere nicht maßstabsgerecht ist.

Während die Dicke des plattenförmigen Körpers 12 in der Regel mindestens mehrere Millimeter (typischerweise etwa 4 bis 6 Mil­ limeter) oder mehr beträgt, beträgt die Dicke der durch thermi­ sches Spritzen aufgetragenen Schicht 16 in der Regel weniger als 100 µm.

Die Schicht 16 besteht aus Keramikmaterial, beispielsweise aus Aluminiumoxid, Titanoxid, Bornitrid, Zirkonoxid, Siliziumnitrid oder Mischungen hiervon. Soweit gewünscht, können diesen Mate­ rialien zusätzlich noch Farbpigmente, z. B. Fe₂O₃-Partikel zuge­ setzt sein.

Durch die hohe kinetische Energie während des Beschichtungspro­ zesses werden die aufgetragenen Partikel linsenartig verformt, so daß sich sogenannte Splats ergeben.

Da die Schicht 16 somit aus einer Vielzahl von Einzelpartikeln besteht, wirkt diese Schicht als Streulichtschicht. Die Parti­ kelgrößen liegen in der Regel in einem Bereich von etwa 1 bis 20 µm, wobei sich typischerweise meist ein Median von etwa 5 µm ergibt, wobei 90% der Partikel einen Durchmesser von kleiner 30 µm aufweisen können.

Je nach verwendetem Ausgangsmaterial und je nach Wahl der Pro­ zeßparameter während des thermischen Spritzvorgangs können die­ se Partikelgrößen jedoch beeinflußt werden.

Sofern die Streulichtschicht 16 opak sein soll, wird diese mit einer Schichtdicke von mehr als 20 µm, typischerweise mit einer Schichtdicke von etwa 40 bis 50 µm aufgetragen. Ist dagegen ei­ ne transluzente Streulichtschicht 16 erwünscht, so wird eine Schichtdicke von weniger als 20 µm, beispielsweise etwa 10 bis 15 µm bevorzugt. Die Opakizität bzw. die Transluzenz der Schicht 16 wird natürlich zusätzlich von der Art des verwende­ ten Schichtmaterials beeinflußt.

Während eine Schicht aus Aluminumoxid auch bei relativ geringen Schichtdicken transluzent ist, weist beispielsweise eine Schicht aus Titanoxid eine stärkere Opakizität auf, da Ti­ tanoxid von Natur aus eine weißliche Farbe besitzt.

Eine gute Haftung der Streulichtschicht 16 auf der Oberfläche 14 des Körpers 12 wird durch mehrere Maßnahmen gewährleistet.

Zum Einen sollten sich die thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Materials, aus dem die Streulichtschicht 16 besteht, und des Materials, aus dem der Körper 12 besteht, nicht allzusehr unterscheiden, um thermisch bedingte Spannungen möglichst ge­ ring zu halten.

Insbesondere, wenn der Körper 12 aus Glaskeramik besteht, die einen Ausdehnungskoeffizienten von nahe null besitzt, sollte somit die Streulichtschicht 16 aus einem Material hergestellt sein, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient relativ gering ist.

Es hat sich gezeigt, daß insbesondere Aluminiumoxid und Ti­ tanoxid von ihrem thermischen Ausdehnungskoeffizienten her ge­ eignet sind und auch aufgrund ihrer chemischen Eigenschaften eine gute Haftung auf der Oberfläche von Gläsern und Glaskera­ miken besitzen.

Des weiteren wird die Haftung der Streulichtschicht 16 und die Langzeitstabilität auch bei thermischer Wechselbelastung da­ durch erheblich verbessert, in dem der Körper 12 vor der Be­ schichtung vorgeheizt wird, wobei sich bei der Beschichtung von Glaskeramik insbesondere Temperaturen im Bereich von etwa 200 bis 450°C als besonders vorteilhaft erwiesen haben.

Schließlich trägt die geringe Streulichtdicke der Streulicht­ schicht 16 zu der guten Haftung bei, während sich bei größeren Schichtdicken thermisch bedingte Spannungen infolge von Unter­ schieden zwischen den thermischen Ausdehnungkoeffizienten er­ heblich stärker auswirken und insbesondere Rißbildungen auftre­ ten können oder Delaminationen im Randbereich der Beschichtung.

Vorzugsweise schließt sich der Beschichtungsprozeß unmittelbar an einen vorangehenden Glühprozeß während der Herstellung des Körpers 12 an, um so einen möglichst energiesparenden Betrieb zu gewährleisten. Wie in Fig. 2 schematisch dargestellt, könn­ te sich somit beispielsweise die Beschichtung einer Glaskera­ mikplatte aus Ceran® in einem Plasmabrenner 20 unmittelbar an die Wärmebehandlung des Körpers 12 in einem Kristallisati­ onsofen 18 anschließen, in dem die Teilkristallisation des Lithium-Basisglases bei der Herstellung der Glaskeramik er­ reicht wird.

Es versteht sich, daß die Wärmebehandlungsschritte der ver­ schiedenartigsten Herstellungsprozesse energiesparend genutzt werden können, um unmittelbar im Anschluß hieran den Beschich­ tungsprozeß durchführen zu können.

Es ergeben sich die verschiedenartigsten Anwendungsbereiche, beispielsweise als transparente, nicht eingefärbte Glaskeramik- Kochflächen mit einer Streulichtschicht auf der Unterseite, die weiß oder farbig erscheint, oder transparente, eingefärbte Glaskeramik-Kochflächen aus Ceran® mit Streulichtschicht auf der Unterseite, vorgespanntes Kalknatronglas, das beispielswei­ se für Bedienpanel, Backofenscheiben mit Bereichen verringerter Durchsicht eingesetzt werden kann, Kaminsichtscheiben aus Glas­ keramik mit Bereichen verminderter Durchsicht, oder Herdsicht­ scheiben aus Glaskeramik.

Sofern dies gewünscht ist, kann die Beschichtung auch lediglich auf Teilbereichen erzeugt werden, wozu vor der Aufbringung der Beschichtung, die hiervon auszusparenden Bereiche in einem Mas­ kierverfahren mit einer Abdeckschicht beschichtet werden, die nach dem thermischen Spritzen wieder entfernt wird.

Claims (23)

1. Verfahren zur Erzeugung einer Streulichtschicht auf einem transparenten Körper (12), insbesondere aus Glas oder Glaskeramik, bei dem optisch streuende Partikel auf eine Oberfläche (14) des Körpers (12) aufgebracht werden, da­ durch gekennzeichnet, daß die Partikel aus Keramik, Glas oder Glaskeramik bestehen und mit einer Schichtdicke von höchstens 100 µm durch thermisches Spritzen auf den Körper (12) aufgetragen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (12) zunächst vorgeheizt wird, bevor die Streu­ lichtschicht aufgetragen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikel zur Erzeugung einer opaken Streulichtschicht mit einer Schichtdicke von mindestens 20 µm, vorzugsweise mit einer Schichtdicke von etwa 30 bis 60, insbesondere mit einer Schichtdicke von etwa 40 bis 50 µm aufgetragen wer­ den.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikel zur Erzeugung einer transluzenten Streulicht­ schicht (16) mit einer Schichtdicke von weniger als 20 µm aufgetragen werden.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Partikel Aluminiumoxid, Titanoxid, Bornitrid, Zirkonoxid, Siliziumnitrid oder Mischungen hiervon verwendet werden.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß den Partikeln Farbpigmente zugesetzt werden.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß den Partikeln Pulver aus gemahlenem Glas oder gemahlener Glaskeramik zugesetzt werden.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikel aus gemahlenem Glas oder aus gemahlener Glaskeramik bestehen.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Pulver aus Recyclingmaterial hergestellt wird.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (12) auf eine Temperatur von mindestens 100°C, vorzugsweise auf eine Temperatur von mindestens 200°C, vorzugsweise auf eine Temperatur von etwa 200 bis 450°C aufgeheizt wird, bevor die Parti­ kel aufgespritzt werden.

11. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (12) auf eine Temperatur unterhalb der Glastempera­ tur des Körpers (12) vorgewärmt wird.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Aufspritzen der Partikel an einen vorgeschalteten Glühprozeß des Körpers (12) an­ schließt.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Aufspritzen der Partikel an einen Wärmebehand­ lungsschritt zur Kristallisation bei der Herstellung von Glaskeramik, an einen Glühprozeß bei der Herstellung von vorgespanntem Flachglas, an eine Heißformgebung bei der Herstellung von GK-Grünglas oder an einen Floatprozeß bei der Herstellung von Floatglas anschließt.

14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Teile der Oberfläche (14) durch ein Maskierverfahren abgedeckt werden, bevor die Partikel auf­ gespritzt werden.

15. Transparenter Werkstoff, insbesondere aus Glas oder Glas­ keramik, mit mindestens einer Streulichtschicht, dadurch gekennzeichnet, daß die Streulichtschicht aus optisch streuenden Partikeln aufgebaut ist, die linsenartig flach verformt sind und unter Ausbildung von kleinen Hohlräumen dicht übereinander liegen.

16. Werkstoff nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Streulichtschicht durch thermisches Spritzen auf den darunter liegenden Werkstoff aufgetragen ist.

17. Werkstoff nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeich­ net, daß die Streulichtschicht eine Schichtdicke zwischen 20 und 100 µm aufweist.

18. Werkstoff nach Anspruch 15, 16 oder 17, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die mittlere Partikelgröße der Partikel zwi­ schen etwa 5 und 30 µm beträgt.

19. Werkstoff nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Partikel aus Glas, Glaskeramik oder Keramik bestehen.

20. Werkstoff nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Partikel aus Aluminiumoxid bestehen.

21. Werkstoff nach einem der Ansprüche 15 bis 20, dadurch ge­ kennzeichnet, daß den Partikeln Farbpigmente zugesetzt sind.

22. Werkstoff nach einem der Ansprüche 15 bis 21, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der transparente Werkstoff eine Glaske­ ramik-Kochfläche ist.

23. Werkstoff nach einem der Ansprüche 15 bis 22, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der transparente Werkstoff eine Float­ glasscheibe, insbesondere aus Kalknatronglas, Borosilikat­ glas oder Aluminosilikatglas ist.