DE10127494B4 - Hochtemperaturstabile anorganische Bornitridschichten - Google Patents

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Abstract

Hochtemperaturstabile anorganische Schicht auf metallischen, keramischen, emaillierten und/oder Glas-Substraten, hergestellt aus einem keramischen Versatz von Bornitrid mit einer Primärteilchengröße zwischen 50 nm und 50 μm, mindestens einem aus keramischen Nanoteilchen bestehenden anorganischen Bindersystem und mindestens einem Lösungsmittel.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Bornitrid-Schichten auf metallischen, keramischen, emaillierten und/oder Glas-Substraten unter Verwendung von kristallinem Bornitrid und einem anorganischen Bindersystem. So hergestellte Schichten eignen sich als Hochtemperatur-"Easy-to-clean"-Schichten sowie als tribologische Schichten. Als anorganisches Bindersystem werden keramische Nanoteilchen verwendet.
  • Die Veredlung von Oberflächen durch funktionale Schichten ist seit Jahrzehnten bekannt und industriell umgesetzt. So können über gängige Beschichtungsverfahren traditionelle Werkstoffe wie Glas, Keramik, Metall und Polymere mit neuen Oberflächeneigenschaften ausgerüstet werden. Beispiele hierzu wären z.B. Kratzfestbeschichtungen für Gläser, Korrosionsschutzschichten und tribologische Schichten für Metalle oder aber schmutzabweisende "Easy-to-clean"-Schichten für Gläser, Keramiken und Metalle.
  • Der "Easy-to clean-Effekt" beruht auf der Ausbildung einer Niederenergieoberfläche, auf der weder Wasser noch Öl anhaftet. Erreicht wird dies durch fluorierte Polymere (Teflon oder Ormocere), die die Oberflächenenergie eines Beschichtungssystems drastisch reduzieren. Erklären lässt sich dieses Phänomen dadurch, dass das elektronegativste Element Fluor das bindende Elektronenpaar der C-F-Bindung nahezu vollständig in Anspruch nimmt und somit innermolekular abgesättigt ist. Die noch nach außen wirkenden von der Waals Kräfte sind so gering, dass solche Oberflächen keine Tendenz mehr zeigen, über Komplexbildung chemische Verbindungen an der Oberfläche zu binden.
  • Aufgebracht werden Easy to clean Schichten entweder durch das Spritzen von Teflon (reines Fluorpolymer) oder über den Sol-Gel-Prozeß, bei dem Silane mit perfluorierten, organischen Seitenketten in anorganische-organische Komposite cokondensiert werden. Dabei haben die perfluorierten Seitenketten die Eigen schaft, sich während des Beschichtungsvorganges thermodynamisch kontrolliert an der Oberfläche anzureichern, so dass eine Verarmung an perfluorierten Silanen im unteren Teil der Schicht stattfindet. Dies wiederum garantiert eine Haftung an das jeweilige beschichtete Substrat, ein immenser Vorteil gegenüber den angesprochenen Teflonbeschichtungen die erst durch eine mechanische Verzahnung auf dem Substrat haften. In allen Fällen verlieren die Schichten bei der Anwendung hoher Temperaturen ihre Easy-to-clean-Eigenschaft, da der organische Träger der Beschichtung zerstört wird. Da z.B. im Bereich der Teflonbeschichtung oberhalb 400°C toxische, fluorierte Verbindungen entstehen, werden Temperaturen oberhalb 300°C industriell nicht überschritten.
  • Im Gegensatz zum Easy-to-clean-Effekt beruht der Lotus-Effekt nicht auf der Ausbildung einer Niederenergieoberfläche, sondern auf der Ausbildung einer Mikrostruktur, bei der ein Wassertropfen nicht aufspreiten kann. Da Wassertropfen an einer solchen Oberfläche abperlen mit Randwinkeln >120 Grad und dabei den Schmutz mit sich ziehen wirkt auch der Lotus-Effekt schmutzabweisend und darüber hergestellte Oberflächen als Easy-to-clean-Oberfläche. Die aus der Natur bekannten, ebenso wie die synthetischen Lotus-Oberflächen enthalten ein organisches Netzwerk, so dass diese Oberflächen ebenfalls nicht temperaturstabil sind. Es hat nicht an Versuchen gefehlt, die mikrostrukturierte Oberfläche einer Lotuspflanze mit Hilfe einer keramischen Mikrostruktur nachzubilden, doch bis heute ist dies nicht gelungen.
  • Aus JP 05051238A ist ein flüssiges Bindersystem (Metallalkoxide) bekannt, das aus einem Lösungsmittel und einer Zusammenlagerung von Molekülen, so genannten Molekülclustern, (z.B. SiO2, Al2O3, ITO, ZrO2, ZnO2, CeO2, TiO2 und Y2O3) besteht. Das bekannte Bindersystem stellt einen Binder auf der Basis einer „flüssigen Vorstufe" (Sol-Gel-Bindemittel) dar. Dieser Binder liegt in einer Zusammenlagerung von Molekülen in einer Gelstruktur vor.
  • Weiterhin ist aus JP 03038254A ein hitzebeständiger Film bekannt geworden, der einen glasartigen Binder mit organischen Bestandteilen aufweist. Der bekannte Film besteht aus einer „layer compound" (Quarzglas und Bornitrid), einer „solid oxide compound" (ZrO2, TiO2, SiO2, Al2O3), als Füllstoff, und Polyborosiloxane als Binder, wobei zumindest die Polyborosiloxane in flüssiger Form vorliegen müs sen, weil es sich nicht um eine Trockenmischung handelt. Glasartige Binder sind auch aus DE 197 14 949 A1 bekannt, die durch ihren amorphen Charakter geprägt sind und keine kristallinen Strukturen aufweisen. Weiterhin beschränken sich alle bekannten Beschichtungen auf eine Wärmebeständigkeit, die im bekannten maximalen Bereich von ca. T = 300°C liegt.
  • Zusammengefasst gibt es im Stand der Technik Beschichtungssysteme die entweder einer Niederenergieoberfläche oder eine Lotus-Oberfläche erzeugen können. Da aber alle Systeme ein organisches Grundgerüst besitzen sind diese Schichten alle nicht Hochtemperaturstabil und oberhalb 300°C nicht einsetzbar.
  • Um nun ein Hochtemperatur-Easy-to-clean Beschichtungssystem entwickeln zu können, muss man entweder eine anorganische, mikrostrukturierte Oberfläche erzeugen oder aber eine Niederenergieoberfläche die nicht auf Basis fluorierter Verbindungen, sondern auf Basis einer anorganischen Verbindung beruht entwickeln. Im zweiten Fall muss diese anorganische Verbindung mit Hilfe eines anorganischen Bindersystems verfestigt werden, um die Temperaturstabilität wahren zu können. Diese Forderungen gehen weit über den Stand der Technik hinaus.
    •
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung bestand darin, ein rein anorganisches Beschichtungssystem zu entwickeln, das unter Ausbildung einer Niederenergieoberfläche die Anhaftung von hydrophilen und hydrophoben Verbindungen insbesondere von Wasser verhindert. Der Kontaktwinkel einer so hergestellten Oberfläche soll gegenüber Wasser mindestens 90 Grad betragen, so dass Wasser an der Oberfläche nicht spreitet sondern abperlt und dabei Schmutz mit sich zieht.
  • Diese Aufgabe wurde in überraschender Weise durch einen keramischen Versatz gelöst, umfassend ein Bornitrid-Pulver mit einer Primärteilchengröße zwischen 50 nm und 50 μm, bevorzugt zwischen 500 nm und 5 μm, sowie einem anorganischen Bindersystem und mindestens einem Lösungsmittel.
  • Auf diese Weise gelingt es, Schichten auf Metall, Email, Glas und Keramik zu applizieren, die gegenüber Wasser einen Kontaktwinkel > 90 Grad aufweisen. Diese Schichten sind in allen Fällen hochtemperaturstabil, wobei die Schichten, die mit keramischen Nanoteilchen wie nanoskaligem Zirkoniumoxyd verfestigt werden, Temperaturen oberhalb 1000°C problemlos bewältigen. Die Easy-to-clean Eigenschaft der erfindungsgemäßen Schicht beruht auf der Anwesenheit von Bornitridpartikeln, die in der obersten Schicht der Beschichtung aufkonzentriert vorliegen. Alternativ hierzu kann auch zunächst das organische Bindersystem auf das Substrat aufgebracht werden. In einem zweiten Schritt wird das Bornitrid-Pulver auf die noch nicht verfestigte Binderschicht gegeben.
  • Als anorganisches Bindersystem dienen anorganische Nanoteilchen, insbesondere Al2O3, AlO(OH), ZrO2, Y-ZrO2, TiO2, Fe3O4 und SnO2.
  • Als Lösungsmittel können alle dem Fachmann bekannten Alkohole, bevorzugt aber Butoxyethanol, Ethanol und Wasser und besonders bevorzugt eine Kombination dieser Lösungsmittel genutzt werden.
  • In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung können die so hergestellten Schichten auch als tribologische Schichten eingesetzt werden. Bezüglich ihrer Gleiteigenschaften sind sie kommerziellen Teflonbeschichtungen weit überlegen.
    •

Claims (6)

  1. Hochtemperaturstabile anorganische Schicht auf metallischen, keramischen, emaillierten und/oder Glas-Substraten, hergestellt aus einem keramischen Versatz von Bornitrid mit einer Primärteilchengröße zwischen 50 nm und 50 μm, mindestens einem aus keramischen Nanoteilchen bestehenden anorganischen Bindersystem und mindestens einem Lösungsmittel.
  2. Hochtemperaturstabile anorganische Schicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bornitrid im keramischen Versatz in einer Primärteilchengröße zwischen 500 nm und 5 μm vorliegt.
  3. Hochtemperaturstabile anorganische Schicht nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanoteilchen des Bindersystems aus Al2O3, AlO(OH), ZrO2, Y-ZrO2, TiO2, Fe3O4 und SnO2 bestehen.
  4. Hochtemperaturstabile anorganische Schicht nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärteilchengröße der Nanoteilchen unter 100 nm, bevorzugt unter 50 nm, und besonders bevorzugt unter 20 nm liegt.
  5. Hochtemperaturstabile anorganische Schicht nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Lösungsmittel Butoxyethanol, Ethanol, 2-Butoxyethanol, 1-Propanol, 2-Propanol oder Wasser ist.
  6. Hochtemperaturstabile anorganische Schicht nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Lösungsmittel eine Kombination von 2-Butoxyethanol, Ethanol und Wasser ist.
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