DE10159288A1 - Beschichtung zum Aufbringen auf ein Substrat - Google Patents

Beschichtung zum Aufbringen auf ein Substrat

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Beschichtung, ein Verfahren zum Herstellen der Beschichtung und Verwendungen der Beschichtung. DOLLAR A Um eine dauerhafte hitzebeständige Beschichtung, die sowohl chemikalienbeständig als auch eine hohe Abriebbeständigkeit aufweist, zu schaffen, wird im Rahmen der Erfindung vorgeschlagen, daß die Beschichtung aus einer anorganischen oder anorganisch-organischen Matrix besteht, die mit fluorierten Partikeln gefüllt ist. DOLLAR A Weiterhin werden die Herstellung der Beschichtung sowie Verwendungen der Beschichtung beschrieben.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Beschichtung zum Aufbringen auf ein Substrat, ein Verfahren zum Herstellen der Beschichtung und Verwendungen der Beschichtung.
  • Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Beschichtungen zum Aufbringen auf ein Substrat bekannt, welche entweder als Bulk oder als Beschichtungswerkstoff eingesetzt werden, um beispielsweise die Reinigungsfähigkeit von Oberflächen zu verbessern.
  • Hierzu gehören teflonartige Beschichtungen, also Fluorcarbonharze und Derivate hiervon, die ein sehr gutes Antihaftverhalten aufweisen, jedoch auch schlecht an den Substraten haften und zudem eine geringe Abriebfestigkeit aufweisen. Die tribologischen Eigenschaften dieser Fluorcarbonharze sind ebenfalls herausragend.
  • Weiterhin sind gefüllte Fluorcarbonharze, beispielsweise aus der EP 109 171 B1 bekannt, bei denen die weichen Fluorpolymere, um eine höhere Abriebfestigkeit zu erhalten, mit Metall oder Oxidfüllern im µm-Bereich gefüllt werden, so daß sich die mechanische Verschleißresistenz wesentlich verbessert. Nachteil dieser Technik ist es, daß der organische Fluorcarbonbinder in der Hitze, wie sie z. B. bei Bratpfannenbeschichtungen auftritt, weich, bzw. flüssig wird und damit die Abriebbeständigkeit wesentlich verschlechtert wird, so daß beim Gebrauch die oxidischen Füller aus der Matrix ausgetragen werden.
  • Fluorierte Silane, die auf Oberflächen aufgesintert werden, zeigen besonders im keramischen Bereich hohe Abriebfestigkeiten, werden aber beim Gebrauch von Säuren und Laugen sehr schnell chemisch von den Oberflächen abgekoppelt, so daß eine Anwendbarkeit im Küchenbereich bisher nicht bekannt ist.
  • Sol-Gel-Gradientenmaterialien, wie sie aus der US 5,274,159, der EP 587 667 B1, der DE 196 49 954 A1 und der DE 196 49 955 A1 bekannt sind, zeigen zwar hohe Abriebbeständigkeiten, doch wird auch hier aufgrund der Gradientenstruktur ein chemischer Abtrag festgestellt.
  • Zusammenfassend läßt sich also feststellen, daß gemäß dem Stand der Technik entweder die Matrix weich und der Füller hart ist, wobei der Füller sich aus der Matrix ablöst bzw. enthaftet oder aber die Matrix hart ist und es der Beschichtung an chemischer Beständigkeit bzw. an fluorierter Masse fehlt.
  • Aufgabe der Erfindung ist somit die Schaffung einer dauerhaften hitzebeständigen Beschichtung, die sowohl chemikalienbeständig als auch eine hohe Abriebbeständigkeit aufweist.
  • Im Rahmen der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß die Beschichtung aus einer anorganischen oder anorganisch-organischen Matrix besteht, die mit fluorierten Partikeln gefüllt ist.
  • Im Rahmen der Erfindung hat sich überraschend gezeigt, daß durch die Verwendung von anorganischen oder organischen Beschichtungen, die mit fluorierten Partikeln gefüllt sind, eine dauerhafte, hitzebeständige, chemikalienbeständige, auf dem Substrat fest haftende Beschichtung erreicht werden kann. Es handelt sich also um weiche Füller in einer relativ harten Matrix, bei der kein Auslösen oder Aufweichen der Beschichtung bei hoher Temperatur zu beobachten ist und die dennoch sehr abriebbeständig ist.
  • Der Kontaktwinkel dieser Beschichtungen gegen Wasser beträgt mehr als 60° (>60°), vorzugsweise mehr als 90° (>90°). Die beschriebenen Beschichtungen lassen sich mattieren, füllen oder strukturieren. Im Falle von Oberflächenstrukturierungen im Nano- oder Mikrobereich zeigen diese hydrophoben Schichten Kontaktwinkel gegen Wasser von mehr als 140° und selbstreinigende Eigenschaften.
  • Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß die Matrix aus anorganischen oder anorganischorganischen Verbindungen besteht, die durch Hydrolyse und Kondensation eines Silans und/oder eines oder mehrerer Alkoxide oder Metallsalze (insbesondere Silber- und Kupfersalze) aus den Hauptgruppen III bis V oder den Nebengruppen II bis IV, insbesondere Al, B, Ga, Ge, Hf, Nb, Si, Sn, Zn, Ti, V oder Zr erhalten werden.
  • Weitere Ausführungsformen der Erfindung bestehen darin, daß das Silan organisch modifiziert ist, reaktive Gruppen trägt oder Fluorgruppen aufweist.
  • Als organisch modifizierte Silane seien z. B. Alkylsilane genannt, die reaktiven Gruppen können beispielsweise Vinyl-, Epoxy-, Methacryl- oder Aminogruppen sein.
  • Eine Ausbildung der Erfindung besteht darin, daß die Matrix Silane, insbesondere Glycidyloxypropyltriethoxysilan, Methacryloxypropyltrimethoxysilan, Methyltriethoxysilan, Tetraethoxysilan, 1H,1H,2H,2H-Perfluorooctyltriethoxysilan, 1H,1H,2H,2H-Perfluordecyltriethoxysilan, Propyltriethoxysilan, Octyltriethoxysilan oder Aminosilane, Mercaptosilane, Acrylsilane oder Vinylsilane enthält.
  • Es liegt im Rahmen der Erfindung, daß die Matrix neben den fluorierten Partikeln 0 bis 40 Gew.-%, vorzugsweise 0-20 Gew.-% Partikel enthält, wobei diese Partikel insbesondere Oxide, Sulfide, Phosphate oder Sulfate von Metallen oder Oxide bzw. Sulfide von Halbmetallen sind.
  • Es ist zweckmäßig, daß die fluorierten Partikel Fluorkohlenstoffverbindungen oder Seitenketten-fluorierte nanoskalige Partikel sind.
  • Hierbei ist vorgesehen, daß die Beschichtung 5 bis 75 Gew.-%, vorzugsweise 5 bis 60 Gew.-% fluorierte Partikel mit einer Partikelgröße von 5 nm bis 10 µm, vorzugsweise von 10 nm bis 1 µm, enthält. Für transparente Anwendungen werden Partikelgrößen zwischen 10 und 200 nm bevorzugt.
  • Im Rahmen der Erfindung liegt auch ein Verfahren zum Aufbringen einer Beschichtung auf ein Substrat, wobei eine erfindungsgemäße Beschichtung auf ein Substrat aufgebracht und ausgehärtet wird.
  • Hierbei ist es zweckmäßig, daß das Aufbringen der Beschichtung durch Schütten, Fluten, Tauchen, Walzen, Schleudern oder Sprühen erfolgt.
  • Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß Schichtdicken von 100 nm bis 50 µm, bevorzugt von 1 µm bis 15 µm aufgebracht werden.
  • Eine Ausbildung des Verfahrens besteht darin, daß die Aushärtung der Beschichtung bei Temperaturen zwischen Raumtemperatur und 400°C, bevorzugt zwischen 130 und 300°C erfolgt.
  • Möglich ist weiterhin, daß die Aushärtung über Strahlenhärtung oder durch Kombination von thermischer und Strahlenhärtung erfolgt.
  • Unter Strahlenhärtung versteht man in diesem Zusammenhang die UV-, IR-, Elektronenstrahl- oder Mikrowellenhärtung.
  • Schließlich liegt auch die Verwendung der erfindungsgemäßen Beschichtung als leicht zu reinigende bzw. verschmutzungsresistente Oberfläche, als Antigraffitisystem, Textil- oder Papierimprägnierung, Holzschutzmittel, Antifingerprintsystem, als leicht zu reinigende oder haftungsarme Oberfläche im Rahmen der Erfindung.
  • Somit bieten sich viele Anwendungen als sogenannte "easy-to-clean"-Oberflächen, "Antifingerprint"-Oberflächen oder Antihaft-Oberflächen an. Auch eine Verwendung der Beschichtung als Entformungshilfe ("Nonstick"-Oberfläche) ist möglich. Somit bietet sich ein extrem breites Anwendungsspektrum, wobei die folgenden Anwendungen nur beispielhaft und zur Darstellung der Breite des Spektrums genannt werden:
    • 1. Die Beschichtung kann auf den Substraten Glas, Keramik, Kunststoff, Naturstoffen, wie Leder, Textil, Fasern, Papier, Pappe und Holz, Metall (Eisen, Edelstahl, Aluminium, Kupfer, Messing, Zink, Chrom, Magnesium (auch Legierungen dieser Metalle)), Lack, Gummi, Beton, technischen Fasern und zahlreichen anderen Substraten aufgebracht werden.
    • 2. Konkrete Anwendungsbeispiele sind: Druckwalzen, Industriewalzen, Metallformen für Kunststoff, Siegelstempel, Spritz- und Gußformen, Küchen- und Haushaltsgeräte, und -möbel (Backblechen, Pfannen, Töpfen, Herden, Geschirrspülern, Kühlschränken, Küchenzeilen, Fernsehern, etc.), Preß- und Stanzwerkzeuge, Automobilteile, medizinische Geräte und Räume, Sanitärarmaturen, Satellitenanlagen, als Schutz von Oberflächen gegen Graffitis, Bekleben mit Postern und Plakaten oder Fingerabdrücke, gegen Bemoosung oder Vergrauung von Betonwänden, als Textil- und Papierimprägnierung, als Holzschutzmittel, zum Erleichtern des Reinigens von Oberflächen, etc.
  • Weiterhin möglich ist auch eine Verwendung einer erfindungsgemäßen Beschichtung mit einer Matrix mit Silbersalzzusatz als antibakterielle Oberfläche.
  • Schließlich ist auch eine Verwendung einer erfindungsgemäßen Beschichtung mit einer Matrix mit Kupfersalzzusatz mit fungizide oder vermoosungsresistente Oberfläche möglich.
  • Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
    • Ausführunsgbeispiel 1
  • Zu 55,6 g (0,2 mol) Glyciddoxypropyltriethoxysilan (Fa. Degussa-Hüls) werden 20,6 g 0,01 N HCl zugesetzt und 4 h gerührt. Zu der klaren Lösung werden 10,0 g Algoflon RN101 (Fa. Ausimont) gegeben und 30 min im Ultraturax (20.000 U/min) dispergiert. Anschließend werden 4,4 g (0,02 mol) Aminopropyltriethoxysilan (Fa. Degussa-Hüls) zugesetzt und weitere 30 min gerührt und anschließend mit 160 g Ethanol verdünnt.
  • Die Lösung wird auf alkalisch gereinigte (Alsa 25/7, Alsar-Chemie) Edelstahlsubstrate gesprüht und anschließend eine Stunde bei 130°C getrocknet. Die Schicht zeigt eine hohe Abriebfestigkeit, gute hydro- und oleophobe Eigenschaften sowie gute Antifingerprinteigenschaften, d. h. Fingerabdrücke hinterlassen keine Anlaufspuren auf der Oberfläche, werden optisch fast nicht wahrgenommen und lassen sich leicht mit einem trockenen Baumwolltuch entfernen.
    • Ausführun sg beispiel 2
  • Zu 55,6 g (0,2 mol) Glycidoxypropyltriethoxysilan (Fa. Degussa-Hüls) werden 20,6 g 0,01 N HCl zugesetzt und 4 h gerührt. Zu der klaren Lösung werden 15,0 g 20%ige Zirkonacetatlösung gegeben und 2 min gerührt. Anschließend werden 10,0 g Algoflon RN101 (Fa. Ausimont) zugegeben und 30 min im Ultraturax (20.000 U/min) dispergiert. Der Dispersion werden 4,4 g (0,02 mol) Aminopropyltriethoxysilan (Fa. Degussa-Hüls) zugesetzt und weitere 30 min gerührt. Die Lösung wird mit 160 g Ethanol verdünnt.
  • Die Lösung wird auf Aluminium gesprüht und anschließend einen Tag bei Raumtemperatur getrocknet. Die Schicht zeigt gute hydro- und oleophobe Eigenschaften sowie gute Antifingerprinteigenschaften.
    • Ausführungsbeispiel 3
  • Zu 55,6 g (0,2 mol) Glycidoxypropyltriethoxysilan (GPTES) und 10,4 g (0,05 mol) Tetraethoxysilan (Fa. Degussa-Hüls) werden 21,6 g 0,1 N HCl gegeben und 16 h gerührt. Zu der klaren Lösung werden 10,0 g Algoflon RN101 (Fa. Ausimont) gegeben und 30 min im Ultraturax (20.000 U/min) dispergiert. Anschließend werden 4,4 g (0,02 Mol) Aminopropyltriethoxysilan (Fa. Degussa-Hüls) und 2 g F 8800 (Fa. Degussa-Hüls) zugesetzt und weitere 30 min gerührt und anschließend mit 160 g Ethanol verdünnt.
  • Die Lösung wird auf alkalisch gereinigte (Alsa 25/7, Alsar-Chemie) Edelstahlsubstrate gesprüht und anschließend eine Stunde bei 130°C getrocknet. Die Schicht zeigt eine hohe Abriebfestigkeit, gute hydro- und oleophobe Eigenschaften sowie gute Antifingerprinteigenschaften.
    • Ausführungsbeispiel 4
  • Zu 24,8 g Methacryloxypropyltrimethoxysilan (Fa. Degussa-Hüls) werden 10,0 g 10%ige Ameisensäure gegeben und 3 h gerührt. Nach Zugabe von 0,32 g Aluminium sec-butoxid (Fa. Fluka) wird weitere 2 h bei Raumtemperatur gerührt. Anschließend werden 170 g Isopropanol und 0,8 g des Photoinitiators Irgacure 500 (Fa. Ciba) zugesetzt und 15 min gerührt. Zu der klaren Lösung werden 11,2 g Algoflon 9207 (Fa. Ausimont) gegeben und 30 min im Ultraturax (20.000 U/min) dispergiert.
  • Die Lösung wird auf PMMA geflutet und nach fünfminütigem Ablüften mit einem Quecksilberhochdruckstrahler unter einem UV-Trockner im Durchlauf mit einer Strahlungsleistung von 2 J/cm2 getrocknet. Man erhält eine kratzfeste Oberfläche, die gute hydro- und oleophobe Resistenz gegenüber Stahlwolle zeigt.
    • Ausführungsbeispiel 5
  • Zu 17,8 g (0,1 Mol) Methyltriethoxysilan (Fa. Degussa-Hüls) werden 10,0 g 10%ige Ameisensäure zugegeben und 2 h bei Raumtemperatur gerührt. Hiernach werden 4,0 g Fluorsilan Dynasilan F8800 (Fa. Degussa-Hüls) unter Rühren dazu gegeben und 5 min nachgerührt. Anschließend werden 10,0 g Algoflon RN101 (Ausimont) 30 min im Turrax (20.000 U/min) eindispergiert und anschließend mit 144,0 g Isopropanol verdünnt.
  • Die Lösung wird auf alkalisch gereinigte (Alsa 25/7, Alsar-Chemie) Edelstahlsubstrate gesprüht, 5 min abgelüftet und anschließend mit 1 K/min auf 270°C aufgeheizt, 1 h bei dieser Temperatur gehalten und langsam abkühlen gelassen. Die Schicht zeigt gute Antihafteigenschaften (selbst unter thermischer Belastung bis 400°C) und gute hydro- und oleophobe Eigenschaften (Wasser- und Ölabweisung).
    • Ausführungsbeispiel 6
  • Zu 55,6 (0,2 mol) Glycidoxypropyltriethoxysilan (Fa. Degussa-Hüls) werden 20,6 g 0,01 N HCl zugesetzt und 4 h gerührt. Zu der klaren Lösung werden 15,0 g 20%ige Zirkonacetatlösung gegeben und 2 min gerührt. Anschließend werden 15,0 g Algoflon RN101 (Fa. Ausimont) zugegeben und 30 min im Ultraturax (20.000 U/min) dispergiert. Der Dispersion werden 4,4 g (0,02 mol) Aminopropyltriethoxysilan (Fa. Degussa-Hüls) zugesetzt und weitere 30 min gerührt. Die Lösung wird mit 160 g Wasser verdünnt.
  • Die Lösung wird auf Baumwollfasern gesprüht und anschließend bei 140°C in einem Umluftofen getrocknet. Die Schicht zeigt gute hydro- und oleophobe Eigenschaften, eine Ölnote von 6 und sehr gute Langzeitbeständigkeit in der Waschmaschine.
    • Ausführungsbeispiel 7
  • Zu 55,6 (0,2 mol) Glycidoxypropyltriethoxysilan (GPTES) (Fa. Degussa-Hüls) werden 21,6 g 0,1 N HCl zugesetzt und 16 h gerührt. Zu der transparenten Lösung werden 27,8 g (25 Gew.-%) Polytetrafluorethylen-Pulver vom Typ Algoflon RN 101 zugegeben und anschließend mit einem Ultraturax (Fa. IKA) 20 min bei 20.000 U/min homogenisiert. Daran anschließend wird die Suspension mit Wasser im Verhältnis 1 : 1 verdünnt und direkt zur Imprägnierung eines Polyestergewebes weiterverarbeitet. Dazu wird das Gewebe in die Lösung eingetaucht. Das überschüssige Material wird danach mit einer Handrakel abgequetscht. Zur Trocknung und Fixierung wird das Gewebe in einem Umlufttrockenschrank bei 150°C für 1 h getrocknet. Man erhält ein Gewebe mit hydro- und oleophober Ausrüstung. Zur Prüfung wurde mittels Tropfpipette ein Tropfen Wasser bzw. n-Tetradecan auf das Gewebe aufgebracht und 30 s lang beobachtet. Im Vergleich zum Referenzmaterial ohne Imprägnierung ist nach 30 s kein Eindringen bzw. Benetzen der Probe festzustellen.
    • Ausführungsbeispiel 8
  • Analog Beispiel 7 wird die Lösung durch Sprühen auf ein saugfähiges Papier aufgetragen und anschließend bei 130°C für 2 h im Umlufttrockenschrank getrocknet. Man erhält eine Papieroberfläche mit schmutzabweisenden Eigenschaften. Zur Prüfung wird eine 2%ige Rußlösung auf die Oberfläche aufgetropft und 10 min lang auf der Oberfläche beobachtet. Danach wird der Tropfen mit einem Wasserstrahl abgespült. Nach dem Spülvorgang sind keine Rußrückstände auf der Oberfläche zu sehen. Mit dem unbehandelten Papier wird nach dem Aufbringen der Rußlösung ein sofortiges Eindringen beobachtet. Der Fleck ist mit Wasser nicht entfernbar.

Claims (15)

1. Beschichtung zum Aufbringen auf ein Substrat, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung aus einer anorganischen oder anorganisch-organischen Matrix besteht, die mit fluorierten Partikeln gefüllt ist.
2. Beschichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix aus anorganischen oder anorganisch-organischen Verbindungen besteht, die durch Hydrolyse und Kondensation eines Silans und/oder eines oder mehrerer Alkoxide oder Metallsalze aus den Hauptgruppen III bis V oder den Nebengruppen II bis IV, insbesondere Al, B, Ga, Ge, Hf, Nb, Si, Sn, Zn, Ti, V oder Zr erhalten werden.
3. Beschichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Silan organisch modifiziert ist, reaktive Gruppen trägt oder Fluorgruppen aufweist.
4. Beschichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix Silane, insbesondere Glycidyloxypropyltriethoxysilan, Methacryloxypropyltrimethoxysilan, Methyltriethoxysilan, Tetraethoxysilan, 1H,1H,2H,2H-Perfluorooctyltriethoxysilan, 1H,1H,2H,2H-Perfluordecyltriethoxysilan, Propyltriethoxysilan, Octyltriethoxysilan oder Aminosilane, Mercaptosilane, Acrylsilane oder Vinylsilane enthält.
5. Beschichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix neben den fluorierten Partikeln 0 bis 40 Gew.-%, vorzugsweise 0-20 Gew.-% Partikel enthält, wobei diese Partikel insbesondere Oxide, Sulfide, Phosphate oder Sulfate von Metallen oder Oxide bzw. Sulfide von Halbmetallen sind.
6. Beschichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die fluorierten Partikel Fluorkohlenstoffverbindungen oder Seitenketten-fluorierte nanoskalige Partikel sind.
7. Beschichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung 5 bis 75 Gew.-%, vorzugsweise 5 bis 60 Gew.-% fluorierte Partikel mit einer Partikelgröße von 5 nm bis 10 µm, vorzugsweise von 10 nm bis 1 µm, enthält.
8. Verfahren zum Aufbringen einer Beschichtung auf ein Substrat, dadurch gekennzeichnet, daß eine Beschichtung gemäß der Ansprüche 1 bis 7 auf ein Substrat aufgebracht und ausgehärtet wird.
9. Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufbringen der Beschichtung durch Schütten, Fluten, Tauchen, Walzen, Schleudern oder Sprühen erfolgt.
10. Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung in Schichtdicken von 100 nm bis 50 µm, vorzugsweise von 1 µm bis 15 µm aufgebracht werden.
11. Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Aushärtung der Beschichtung bei Temperaturen zwischen Raumtemperatur und 400°C, bevorzugt zwischen 130 und 300°C erfolgt.
12. Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Aushärtung über Strahlenhärtung oder durch Kombination von thermischer und Strahlenhärtung erfolgt.
13. Verwendung der Beschichtung gemäß den Ansprüchen 1 bis 7 als leicht zu reinigende bzw. verschmutzungsresistente Oberfläche, als Antigraffitisystem, Textil- oder Papierimprägnierung, Holzschutzmittel, Antifingerprintsystem, als leicht zu reinigende oder haftungsarme Oberfläche.
14. Verwendung der Beschichtung gemäß den Ansprüchen 1 bis 8 mit einer Matrix mit Silbersalzzusatz als antibakterielle Oberfläche.
15. Verwendung der Beschichtung gemäß den Ansprüchen 1 bis 8 mit einer Matrix mit Kupfersalzzusatz mit fungizide oder vermoosungsresistente Oberfläche.
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