DE102005052404A1

DE102005052404A1 - Verfahren zur Herstellung von ablösbaren biostatischen flächigen Beschichtungen

Info

Publication number: DE102005052404A1
Application number: DE102005052404A
Authority: DE
Inventors: Felix Dr. Müller; Volker Dr. Schlicht; Patrick Winter
Original assignee: Goldschmidt GmbH
Current assignee: Evonik Operations GmbH
Priority date: 2005-10-31
Filing date: 2005-10-31
Publication date: 2007-05-03
Also published as: WO2007051516A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung von biostatischen flächigen Beschichtungen auf Gegenständen, wobei bei der Beschichtung hydrophobe Partikel auf die Oberfläche der Gegenstände aufgebracht werden und so eine Oberflächenstruktur mit Erhebungen auf der Oberfläche der Gegenstände erzeugt wird, die biostatische Eigenschaften aufweist, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass die hydrophoben Partikel in einem leicht flüchtigen Siloxan, welches gegebenenfalls ein darin gelöstes Silikonwachs enthält, suspendiert werden und diese Suspension auf zumindest eine Oberfläche eines Gegenstandes aufgebracht und das leicht flüchtige Siloxan anschließend entfernt wird.

Description

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von biostatischen flächigen Beschichtungen auf Gegenständen, wobei bei der Beschichtung hydrophobe Partikel auf die Oberfläche der Gegenstände aufgebracht werden und so eine Oberflächenstruktur mit Erhebungen auf der Oberfläche der Gegenstände erzeugt wird, die biostatische Eigenschaften aufweist.
Das Prinzip von selbstreinigenden Beschichtungen ist allgemein bekannt. Zum Erzielen einer guten Selbstreinigung einer Oberfläche muss die Oberfläche neben einer sehr hydrophoben Oberfläche auch eine gewisse Rauhigkeit aufweisen. Eine geeignete Kombination aus Struktur und Hydrophobie macht es möglich, dass schon geringe Mengen bewegten Wassers auf der Oberfläche haftende Schmutzpartikel mitnehmen und die Oberfläche reinigen (WO-A-96/04123; US-A-3 354 022).
Stand der Technik ist gemäß EP-A-0 933 388, dass für solche selbstreinigenden Oberflächen ein Aspektverhältnis von > 1 und eine Oberflächenenergie von weniger als 20 mN/m erforderlich ist. Das Aspektverhältnis ist hierbei definiert als der Quotient von Höhe zur Breite der Struktur. Vorgenannte Kriterien sind in der Natur, beispielsweise im Lotusblatt, realisiert. Die aus einem hydrophoben wachsartigen Material gebildete Oberfläche der Pflanze weist Erhebungen auf, die einige μm voneinander entfernt sind. Wassertropfen kommen im Wesentlichen nur mit den Spitzen der Erhebungen in Berührung. Solche wasserabstoßenden Oberflächen werden in der Literatur vielfach beschrieben.
CH-B-268 258 beschreibt ein Verfahren, bei dem durch Aufbringen von Pulvern wie Kaolin, Talkum, Ton oder Silicagel strukturierte Oberflächen erzeugt werden. Die Pulver werden durch Öle und Harze auf Basis von Organosiliziumverbindungen auf der Oberfläche fixiert (Beispiele 1 bis 6).
EP-A-0 909 747 lehrt ein Verfahren zur Erzeugung einer selbstreinigenden Oberfläche. Die Oberfläche weist hydrophobe Erhebungen mit einer Höhe von 5 bis 200 μm auf. Hergestellt wird eine derartige Oberfläche durch Aufbringen einer Dispersion von Pulverpartikeln und einem inerten Material in einer Siloxan-Lösung und anschließendem Aushärten. Die strukturbildenden Partikel werden also durch ein Hilfsmedium am Substrat fixiert.
WO-A-00/58410 kommt zu dem Ergebnis, dass es technisch möglich ist, Oberflächen von Gegenständen künstlich selbstreinigend zu machen. Die hierfür nötigen Oberflächenstrukturen aus Erhebungen und Vertiefungen haben einen Abstand zwischen den Erhebungen der Oberflächenstrukturen im Bereich von 0,1 bis 200 μm und eine Höhe der Erhebung im Bereich 0,1 bis 100 μm. Die hierfür verwendeten Materialien müssen aus hydrophoben Polymeren oder dauerhaft hydrophobiertem Material bestehen. Ein Lösen der Teilchen aus der Trägermatrix muss verhindert werden.
Der Einsatz von hydrophoben Materialien, wie perfluorierten Polymeren, zur Herstellung von hydrophoben Oberflächen ist bekannt. Eine Weiterentwicklung dieser Oberflächen besteht darin, die Oberflächen im μm-Bereich bis nm-Bereich zu strukturieren. US-A-5 599 489 offenbart ein Verfahren, bei dem eine Oberfläche durch Beschuss mit Partikeln einer entsprechenden Größe und anschließender Perfluorierung besonders abweisend ausgestattet werden kann. Ein anderes Verfahren beschreibt H. Saito et al. in "Service Coatings International", 4, 1997, 5.168 ff. Hier werden Partikel aus Fluorpolymeren auf Metalloberflächen aufge bracht, wobei eine stark erniedrigte Benetzbarkeit der so erzeugten Oberflächen gegenüber Wasser mit einer erheblich reduzierten Vereisungsneigung dargestellt wurde.
Das Prinzip ist der Natur entlehnt. Kleine Kontaktflächen erniedrigen die Van-der Waal's Wechselwirkung, die für die Haftung an ebenen Oberflächen mit niedriger Oberflächenenergie verantwortlich ist. Beispielsweise sind die Blätter der Lotuspflanze mit Erhebungen aus einem Wachs versehen, die die Kontaktfläche zu Wasser herabsetzen.
Verfahren zur Herstellung dieser strukturierten Oberflächen sind ebenfalls bekannt. Neben der detailgetreuen Abformung dieser Strukturen durch eine Masterstruktur im Spritzguss oder Prägeverfahren sind auch Verfahren bekannt, die das Aufbringen von Partikeln auf eine Oberfläche nutzen (US-A-5 599 489).
All diese Beschichtungen haben den Nachteil, dass sie permanent auf die Gegenstände aufgebracht sind und damit bei einem Verkratzen, einer Verfärbung oder einer andersartigen Beschädigung der Oberfläche bzw. Oberflächenstruktur diese nicht einfach entfernt und wieder neu aufgebracht werden kann. Bei einer solchen Beschädigung muss der Gegenstand entweder erneut behandelt, aufwendig von der Oberflächenstruktur befreit oder entsorgt werden.
WO-A-00/58410 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von ablösbaren Beschichtungen mit schmutz- und wasserabweisenden Eigenschaften, wobei die selbigen durch Aufsprühen von hydrophoben Alkoholen, wie Nonacosan-10-ol oder Alkandiolen, wie Nonacosan-5,10-diol oder Wachsen hergestellt werden. Diese Beschichtungen sind durch starke mechanische Kräfte wie z.B. Kratzen, Bürsten oder Hochdruckbehandlung mit Wasser oder durch eine Behandlung mit Wasser, welches Detergenzien enthält, die einen Teil der Strukturbildner auflösen, von den Gegenständen zu entfernen. Nachteilig hieran sind die starken Kräfte die notwendig sind, um die Beschichtung mechanisch wieder zu entfernen, so dass immer die Gefahr besteht, dass beim Entfernen der Beschichtung auch der Gegenstand selbst beschädigt wird. Eine Behandlung mit Wasser, welches Detergenzien enthält, kann ebenfalls je nach Beschaffenheit des Gegenstandes zur Beschädigung desselben führen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es deshalb, ein Verfahren zur Herstellung von biostatischen flächigen Beschichtungen auf Gegenständen bereitzustellen, bei welchem auch Gegenstände aus empfindlichen Materialien mit einer relativ stabilen aber mit einfachen Mitteln abzulösenden Beschichtung ausgerüstet werden können.

Biostatisch bedeutet in diesem Zusammenhang, dass Verkeimung an der Oberfläche durch pathogene Keime wie Bakterien oder Pilze und ihre Sporen vermieden wird, ohne dass eine Desinfektion durch handelsübliche biocide Verbindungen erforderlich ist.

Überraschenderweise wurde gefunden, dass durch Aufbringen von Suspensionen, die hydrophobe Partikel in einem leicht flüchtigen Siloxan enthalten, auf zumindest eine Oberfläche eines Gegenstandes und anschließendes Entfernen des leicht flüchtigen Siloxans Beschichtungen mit biostatischen Eigenschaften erhalten werden können, die relativ stabil sind, aber auch mit einfachen Mitteln wieder entfernt werden können.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist deshalb ein Verfahren zur Herstellung von ablösbaren biostatischen flächigen Beschichtungen auf Gegenständen, wobei bei der Beschichtung hydrophobe Partikel auf die Oberfläche der Gegenstände aufgebracht werden und so eine Oberflächenstruktur mit Erhebungen auf der Oberfläche der Gegenstände erzeugt wird, die wasserabweisende Eigenschaften aufweist, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass die hydrophoben Partikel in einem leicht flüchtigen Siloxan suspendiert werden und diese Suspension auf zumindest eine Oberfläche eines Gegenstandes aufgebracht und das leicht flüchtige Siloxan anschließend entfernt wird.

Ebenso sind Gegenstand der vorliegenden Erfindung Gegenstände, die auf zumindest einer Oberfläche mit einer biostatischen Beschichtung, hergestellt nach einem Verfahren gemäß zumindest einem der Ansprüche 1 bis 7, ausgerüstet sind.

Im Übrigen ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung die Verwendung des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Beschichtung von Gegenständen, die hohen Belastungen durch Verkeimungen ausgesetzt sind, so Wände und Einrichtungsgegenstände in Krankenhäusern, Schwimmbädern oder lebensmittelverarbeitenden Betrieben.

Die vorliegende Erfindung beschreibt ein Verfahren, mit dem ablösbare, schmutz-, keim- und wasserabweisende Beschichtungen hergestellt werden können.

Die Erfindung hat den Vorteil, dass auf einfache Art und Weise Gegenstände aller Art mit einer biostatischen, physiologisch unbedenklichen nicht permanenten Schicht ausgerüstet werden können.

Im Gegensatz zu Verfahren gemäß dem Stand der Technik ist die erfindungsgemäße Beschichtung mit einer ablösbaren schmutz- und keimabweisenden Schicht relativ schonend, da keine bedenklichen oder aggressiven Lösungsmittel eingesetzt werden und da das Ablösen der Beschichtung beispielsweise mechanisch, wie durch Reiben, erfolgen kann.

Die mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellte Beschichtung ist nicht permanent und eignet sich deshalb besonders gut als Schutzbeschichtung von neuen Gegenständen vor Verschmutzung, z.B. beim Transport oder in den Verkaufsräumen.

Das Verfahren zur Herstellung von ablösbaren biostatischen flächigen Beschichtungen auf Gegenständen, wobei bei der Beschichtung hydrophobe Partikel auf die Oberfläche der Gegenstände aufgebracht werden und so eine Oberflächenstruktur mit Erhebungen auf der Oberfläche der Gegenstände erzeugt wird, die biostatische Eigenschaften aufweist, zeichnet sich dadurch aus, dass hydrophobe Partikel in einem leicht flüchtigen Silikon, welches gegebenenfalls ein darin gelöstes Silikonwachs enthält, suspendiert werden und diese Suspension auf zumindest eine Oberfläche eines Gegenstandes aufgebracht und das leicht flüchtige Silikon anschließend entfernt wird.

Als leicht flüchtige Silikone sind alle bei Raumtemperatur flüssigen linearen Verbindungen der allgemeinen Formel (I) und/oder cyclische Verbindungen der allgemeinen Formel (Ia) geeignet,

worin n eine Zahl von 2 bis 10 bedeutet, vorzugsweise für die linearen Verbindungen 2 bis 5 und vorzugsweise für die cyclischen Verbindungen > 4, besonders 5 (wie D5 = Decamethylpentacyclosiloxan) und/oder ≥6 bis ca. 8, ist. Cyclische und lineare Siloxane können in Mischung untereinander, vorzugsweise aber in Mischung miteinander verwendet werden.

Als Siliconwachse sind alle bei Raumtemperatur flüssigen Verbindungen einsetzbar, d.h. Verbindungen, die einen Rekristallisationspunkt unterhalb Raumtemperatur von ca. 20 °C, vorzugsweise < 15 °C, insbesondere < 5 °C haben, insbesondere solche der allgemeinen Formel (II)

worin
R ein Kohlenwasserstoffrest, vorzugsweise mit 10 bis 20 C-Atomen,
n 2 bis 85,
m 2 bis 60 sind.

Das Aufbringen der Suspension auf zumindest eine Oberfläche eines Gegenstandes kann auf eine dem Fachmann bekannte Weise erfolgen. Vorzugsweise erfolgt das Aufbringen der Suspension durch Tauchen des Gegenstandes in die Suspension und anschließendes Abtropfen oder durch Aufsprühen der Suspension auf den Gegenstand. Überraschenderweise können insbesondere durch das Aufbringen der Suspension durch Aufsprühen besonders haltbare Beschichtungen, die eine geringere Kratz- und Abriebempfindlichkeit aufweisen, insbesondere auf Polymeroberflächen, erzeugt werden.

Beim Sprühvorgang lagern sich die Teilchen aufgrund ihrer kinetischen Energie noch fester in die vorhandenen Oberflächenrauhigkeiten der Polymermatrix ein. Vorzugsweise erfolgt das Aufsprühen der Suspension mittels einer Sprühvorrichtung, die eine Düse mit einem Durchmesser von 0,05 bis 2 mm, bevorzugt mit einem Durchmesser von 0,1 bis 0,9 mm, aufweist. Das Versprühen der Suspension erfolgt bevorzugt mit einem Druck von 1 bis 5 bar.

Das Entfernen des flüchtigen Silikons erfolgt durch Verdampfung bzw. Verflüchtigung, wobei das Verdampfen bzw. Verflüchtigen durch den Einsatz erhöhter Temperaturen oder durch den Einsatz von Unterdruck bzw. Vakuum beschleunigt werden kann.

Als Partikel können solche eingesetzt werden, die zumindest ein Material, ausgewählt aus Silikaten, Mineralien, Metalloxiden, Metallpulvern, Kieselsäuren, Pigmenten oder Polymeren aufweisen. Besonders bevorzugt können die Partikel Silikate, dotierte Silikate, Mineralien, Metalloxide, Aluminiumoxid, Kieselsäuren oder pyrogene Silikate, Aerosile oder pulverförmige Polymere, wie z.B. sprühgetrocknete und agglomerierte Emulsionen oder cryogemahlenes PTFE (Teflon) sein. Besonders bevorzugt werden als hydrophobe Partikel hydrophob beschichtete Kieselsäuren eingesetzt.

Die hydrophoben Eigenschaften der Partikel können durch das verwendete Material der Partikel inhärent vorhanden sein, wie beispielsweise beim Polytetrafluorethylen (PTFE). Es können aber auch hydrophobe Partikel eingesetzt werden, die nach einer geeigneten Behandlung hydrophobe Eigenschaften aufweisen, wie z.B. mit zumindest einer Verbindung aus der Gruppe der Alkylsilane, der Fluoralkylsilane oder der Disilazane behandelte Partikel. Als Partikel eignen sich im Besonderen hydrophobierte pyrogene Kieselsäuren, sogenannte Aerosile. Beispiel für hydrophobe Partikel sind z.B. das Aerosil^® R 8125 oder Aerosil^® R 8200.

Die erfindungsgemäßen Beschichtungen lassen sich auf einfache Weise durch mechanische Bearbeitung z.B. Reiben, Polieren oder Hochdruckreiniger (Wasser) wieder von dem beschichteten Gegen stand ablösen, haften jedoch so fest auf den Untergründen, dass ihre erfindungsgemäßen Gebrauchseigenschaften über einen praxisgerechten Zeitraum gegeben sind.

Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens können Gegenstände, die auf zumindest einer Oberfläche mit einer biostatischen Beschichtung ausgerüstet sind, hergestellt werden. Die Gegenstände bzw. die zu beschichtende Oberflächen können aus den unterschiedlichsten Stoffen, wie z.B. Metall, Kunststoff, Polymer, Holz, Keramik oder Glas bestehen.

Das erfindungsgemäße Verfahren sowie seine Verwendung wird im Folgenden beispielhaft beschrieben, ohne dass die Erfindung darauf beschränkt sein soll.

Testverfahren

Beschichtung der Oberflächen

Die Beschichtung der Oberflächen geschieht durch Aufsprühen der Suspensionen mit einer Vollkegelspritzdüse, z.B. vom Typ GSC-1 von der Firma Spraying-Systems GmbH. Dazu wird eine Menge von 1,5 g der Suspension in ein Reagenzglas eingewogen und diese mittels Gummischlauch von der Düse angesogen und auf die Oberfläche gesprüht.

Bestimmung des Bakteriostase

Testoberflächen aus Edelstahl, Polypropylen und Keramik werden durch Besprühen behandelt und visuell und mit Abklatschversuch bewertet: Handelsübliche Rodac-Platten werden geöffnet, 10 s mit der Fläche in Kontakt gebracht und wieder verschlossen. 48 h wird bei 30 °C bebrütet und die kolonie-bildenden Einheiten (KBE) ausgezählt.

Durchführung

Beispiel 1:

In 98,0 g Decamethylcyclopentasiloxan (D5) dispergierte man unter intensivem Rühren 2,0 g einer handelsüblichen, hydrophobierten pyrogenen Kieselsäure mit einer BET-Oberfläche von 220 m²/g, (Aerosil^® R 812 S).

Beispiel 2:

0,5 g Siloxanwachs (Tegopren^® 6814) mit einem Molekulargewicht von 13000 g/Mol und einem Rekristallisationspunkt von < 5 °C wurden in 97,5 g Decamethylcyclopentasiloxan (D5) gelöst. In diese Lösung dispergierte man unter intensivem Rühren 2,0 g einer handelsüblichen, hydrophobierten pyrogenen Kieselsäure mit einer BET-Oberfläche von 220 m²/g, (Aerosil^® R 812 S).

+: < 1000 KBE
-: > 1000 KBE

Visuelle Unterschiede konnten nicht beobachtet werden, während die mikrobielle Verunreinigung bereits vorhanden war. Das zeigt, dass die Prävention möglich ist, auch wo das Auge täuschen kann, so dass für betriebliche und institutionelle Hygiene eine wesentliche Verbesserung der Sicherheit möglich ist.

Claims

Verfahren zur Herstellung von ablösbaren biostatischen flächigen Beschichtungen auf Gegenständen, wobei bei der Beschichtung hydrophobe Partikel auf die Oberfläche der Gegenstände aufgebracht werden und so eine Oberflächenstruktur mit Erhebungen auf der Oberfläche der Gegenstände erzeugt wird, die biostatische Eigenschaften aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die hydrophoben Partikel in einem leicht flüchtigen Siloxan, welches gegebenenfalls ein darin gelöstes Silikonwachs enthält, suspendiert werden und diese Suspension auf zumindest eine Oberfläche eines Gegenstandes aufgebracht und das leicht flüchtige Siloxan anschließend entfernt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als leicht flüchtiges Siloxan mindestens eine Verbindung der allgemeinen Formel (I) und/oder cyclische Verbindungen der allgemeinen Formel (Ia)
worin n eine Zahl von 2 bis 10 bedeutet, vorzugsweise für die linearen Verbindungen 2 bis 5 und vorzugsweise für die cyclischen Verbindungen ≥4 bis 8, eingesetzt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Silikonwachs mindestens eine Verbindung der allgemeinen Formel (II)
eingesetzt wird, worin R ein Kohlenwasserstoffrest, vorzugsweise mit 10 bis 20 C-Atomen, n = 2 bis 85, m = 2 bis 60 sind und deren Rekristallisationspunkt unterhalb ca. 20 °C liegt.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen der Suspension auf zumindest eine Oberfläche eines Gegenstandes durch Aufsprühen der Suspension auf den Gegenstand erfolgt.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Partikel, die eine Feinstruktur im Nanometerbereich auf ihrer Oberfläche aufweisen, eingesetzt werden.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Partikel, die einen mittleren Partikeldurchmesser von 0,02 bis 100 um aufweisen, eingesetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass Partikel, ausgewählt aus hydrophobierten Kieselsäuren, Zinkoxid und/oder Titandioxid eingesetzt werden.
Verwendung von hydrophoben, in einem leicht flüchtigen Siloxan suspendierten Partikeln, zur mikrobiostatischen Ausrüstung von Oberflächen.