DE102006031576A1

DE102006031576A1 - Verfahren zur Bereitstellung nanostrukturierter Oberflächen auf Kunststoffgegenständen

Info

Publication number: DE102006031576A1
Application number: DE102006031576A
Authority: DE
Inventors: Andreas Dr. Fath
Original assignee: Hansgrohe SE
Current assignee: Hansgrohe SE
Priority date: 2006-06-30
Filing date: 2006-06-30
Publication date: 2008-01-03
Also published as: WO2008000406A3; WO2008000406A2

Abstract

Bei einem Verfahren zum Aufbringen einer nanostrukturierten Beschichtung auf Kunststoffgegenstände, insbesondere auf Sanitärgegenstände aus Kunststoff, werden nanoskalige Partikel beim Herstellungsprozeß der Gegenstände auf den erweichten oder aufgeschmolzenen Kunststoff aufgebracht, und die nanostrukturierte Beschichtung wird in einem sich anschließenden Abkühlungsschritt als geschlossene, festhaftende Struktur ausgebildet. Insbesondere erfolgt die Herstellung des Gegenstands durch Extrusion oder Extrusionsblasen, wobei die nanoskaligen Partikel direkt während des Extrusionsvorgangs auf den Kunststoff aufgebracht werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere zur Beschichtung der Innenflächen von Rohren oder Schläuchen, insbesondere Sanitärschläuchen, geeignet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbringen einer nanostrukturierten Beschichtung oder zum Erzeugen einer nanostrukturierten Oberfläche auf Kunststoffgegenständen, insbesondere auf Sanitärgegenständen aus Kunststoff.
Vorgänge, die sich auf den Oberflächen der unterschiedlichsten Kunststoffgegenstände abspielen, stellen für deren Funktionalität und Lebensdauer eine erhebliche Problematik dar. So „verschmutzen" derartige Gegenstände nicht nur im landläufigen Sinne, sondern sie Wechselwirken auch mit Stoffen, die in den sie umgebenden Medien, beispielsweise Luft oder Wasser, enthalten sind. In besonderem Maße gilt dies für Sanitärgegenstände, die ständig mit Wasser und insbesondere Trinkwasser in Berührung kommen. Auf solchen Sanitärgegenständen lagern sich dementsprechend nicht nur Schmutz und beispielsweise Kalk ab, sondern es entsteht Bakterienbewuchs, was in der bekannten sogenannten Biofilmbildung resultiert.
Dementsprechend stellt sich insbesondere in der Sanitärbranche die Aufgabe, Oberflächen von Sanitärgegenständen mit antibakteriellen, antifungiziden und anitviralen Eigenschaften auszustatten und auch die Ablagerung von Schmutz oder Kalk zu verhindern. Die entsprechenden Maßnahmen sollen dabei gewährleisten, daß sich die Oberfläche solcher Gegenstände entweder leicht reinigen lassen (easy-to-clean) oder daß sie im Idealfall sogar „selbstreinigend" sind. Dabei müssen natürlich die notwendigen mechanischen, physikalischen oder chemischen Eigenschaften der Oberflächen weiterhin ausreichend sein, also beispielsweise im Hinblick auf Kratzfestigkeit, Verschleißfreiheit, Chemikalienbeständigkeit und dergleichen.
Die geschilderte Problematik stellt sich insbesondere an denjenigen Oberflächen von Gegenständen, insbesondere Sanitärgegenständen, die über längere Zeiträume mit Wasser, insbesondere Trinkwasser, in Berührung kommen. Dabei handelt es sich vorzugsweise um wasserführende, insbesondere trinkwasserführende, Sanitärgegenstände wie Brausen und in erster Linie Rohre und Schläuche. Insbesondere bei diesen Gegenständen soll eine unerwünschte Ablagerung von Schmutz, Kalk, Biofilmen und dergleichen vermieden werden. Entsprechende Ablagerungen verringern nämlich nicht nur den Wasserdurchfluß und führen unter Umständen durch Ablösung der Ablagerungen zur Verstopfung von entsprechenden Austrittsöffnungen, sondern sie können auch zu gesundheitlichen Problemen führen, wenn sich im Inneren dieser Sanitärgegenstände Bakterien und dergleichen vermehren.
In diesem Zusammenhang gibt es auch bereits eine ganze Reihe gesetzlicher Vorschriften oder von Empfehlungen, die Mindeststandards für entsprechende Kunststoffgegenstände setzen. So schreibt beispielsweise die Deutsche Vereinigung des Gas- und Wasserfaches e. V. (DVGW) in ihrem Arbeitsblatt W270 vor, daß nur ein bestimmter bakterieller Bewuchs auf Kunststoffen, die im Trinkwasserbereich eingesetzt werden, tolerierbar ist. Es wird dabei geprüft, welche Menge an Biofilm sich auf einem Kunststoffsubstrat nach entsprechender Exposition im Trinkwasser gebildet hat. Eine volumetrische Messung muß einen Wert unterhalb des in der W270 vorgegebenen Grenzwertes ergeben, um ein entsprechendes Prüfzeichen zu erhalten.
Insbesondere bei flexiblen Kunststoffen, die eine bestimmte Menge an Weichmachern enthalten, kommt es jedoch verstärkt zur Biofilmausbildung. Dementsprechend sind die gewünschten Grenzwerte nicht oder nur schwer einzuhalten.
Aus dem Stand der Technik ist der sogenannte Lotus-Effekt bekannt, der von Prof. Barthlott 1975 entdeckt wurde. Darunter versteht man die Selbstreinigung hydrophober mikro- bis nanostrukturierter Oberflächen durch bewegtes Wasser. Bezüglich näherer Einzelheiten kann auf die dem Fachmann zu diesem Thema bekannte Literatur verwiesen werden. Allerdings ist der sogenannte Lotus-Effekt trotz intensiver Bemühungen bis heute nur in wenigen Fällen praktisch angewendet worden, beispielsweise bei Fassadenfarben und für Dachziegel. Grundsätzlich wäre es natürlich sehr interessant, eine entsprechende Struktur auch auf die oben genannten Sanitärgegenstände zu übertragen.
Dementsprechend stellt sich die Erfindung die Aufgabe, Kunststoffgegenstände, insbesondere Sanitärgegenstände aus Kunststoff, mit einer Beschichtung zu versehen, die die einleitend genannten Eigenschaften besitzt. Insbesondere soll dabei die Anlagerung von Schmutz und Kalk verhindert und damit die Funktionalität und Lebensdauer der Gegenstände verlängert werden. In gleicher Weise soll die Biofilmbildung und der Bakterienbewuchs reduziert oder vermieden werden, um eine gefahrlose Anwendung dieser Gegenstände für den Menschen zu ermöglichen. Besonderes Augenmerk soll dabei gerichtet werden auf die An wendung für innere Oberflächen von Sanitärgegenständen wie Rohren und Schläuchen, die wasserführend bzw. trinkwasserführend sind.
Diese Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, die Verwendung gemäß Anspruch 20 und den beschichteten Gegenstand gemäß Anspruch 21. Bevorzugte Ausführungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und des erfindungsgemäßen Gegenstands sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 19 bzw. 22 und 23 dargestellt. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird hiermit durch Bezugnahme zum Inhalt dieser Beschreibung gemacht.
Das eingangs dargestellte Verfahren ist erfindungsgemäß so modifiziert, daß nanoskalige Partikel beim Herstellungsprozeß der Gegenstände auf den Kunststoff, der sich im erweichten oder aufgeschmolzenen Zustand befindet, aufgebracht werden und die nanostrukturierte Beschichtung bzw. Oberfläche in einem sich anschließenden Abkühlungsschritt als geschlossene Struktur, die fest auf dem und/oder im Kunststoff haftet oder verankert ist, gebildet wird.
Dementsprechend ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren keine nachträgliche Beschichtung der Kunststoffoberfläche notwendig, sondern es wird die nanostrukturierte Oberfläche bereits (in situ) beim Herstellungsprozeß des Kunststoffgegenstands erzeugt. Dies vereinfacht das erfindungsgemäße Verfahren gegenüber anderen Verfahren, die zusätzliche Beschichtungen nach dem Herstellungsprozeß nachträglich erzeugen müssen. Außerdem gewährleistet das erfindungsgemäße Verfahren, daß die nanoskaligen Partikel gezielt nur auf oder in die Oberfläche des Kunststoffgegenstands eingebracht werden, um die entsprechende Oberflächenstruktur zu erzeugen. Die Einlagerung der nanoskaligen Partikel auf und/oder in die Kunststoffoberfläche wird durch den beim Abkühlen des Kunststoffs eintretenden Schrumpf unterstützt. Es ist dementsprechend nicht notwendig, die nanoskaligen Partikel mit dem gesamten Kunststoffmaterial zu vermischen.
Als Folge davon ist das erfindungsgemäße Verfahren in der Lage, Oberflächenstrukturen bereitzustellen, die den oben geschilderten sogenannten Lotus-Effekt aufweisen. Diese Oberflächen sind durch Aufbringen von Wasser selbstreinigend, was die oben ebenfalls genannten Probleme beseitigt. Es kann dabei bei der Erfindung dahingestellt bleiben, ob es sich bei der erzeugten Oberflächenstruktur um eine „Mikrostruktur" oder „Nanostruktur" handelt. Entscheidend ist die Tatsache, daß die selbstreinigende Funktion zuverlässig zur Verfügung gestellt werden kann. Dementsprechend ist der Ausdruck „nanostrukturiert" bei der Erfindung im weitesten Sinne so zu verstehen, daß eine Oberfläche mit entsprechender Funktion zur Verfügung gestellt wird, unabhängig davon, ob sich die Oberflächenstruktur im „Mikrometer"- oder „Nanometer"-Bereich ihrer Abmessungen und Oberflächenrauhigkeit befindet.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es bevorzugt, wenn die Herstellung des Gegenstands durch Extrusion oder Extrusionsblasen erfolgt. Dementsprechend werden in diesen Fällen die nanoskaligen Partikel während des Extrusionsvorgangs auf den Kunststoff aufgebracht. Bekanntlich werden bei der Extrusion Kunststoffe in einem kontinuierlichen Verfahren durch eine Düse gepreßt. Dazu wird der Kunststoff zunächst in einem Extruder durch Aufheizen erweicht bzw. aufgeschmolzen und gegebenenfalls homogenisiert. Weiterhin wird im Extruder der für das Durchfließen der Düse notwendige Druck aufgebaut. Durch die Düse wird der Kunststoff in gewünschter Weise ausgeformt oder zumindest vorgeformt, und bei der sich anschließenden sogenannten Kalibrierung wird der Kunststoff bei gleichzeitiger Abkühlung formstabil gehalten oder gegebenenfalls endgeformt. Die entsprechenden Extrusionsverfahren, insbesondere auch zur Herstellung von entsprechenden Hohlkörpern wie Schläuchen, sind dem Fachmann bekannt.
Wie eingangs bereits erläutert, ist das erfindungsgemäße Verfahren dann bevorzugt anwendbar, wenn es sich bei den Gegenständen, insbesondere bei den Sanitärgegenständen, um Körper handelt, die mindestens teilweise als Hohlkörper ausgebildet sind. Bevorzugt sind hier Rohre und Schläuche aller Art zu nennen, wobei vorzugsweise sogenannte Sanitärschläuche erfindungsgemäß hergestellt und beschichtet werden. Derartige Schläuche sind dem Fachmann ebenfalls bekannt. Sie bestehen häufig aus mehreren Schichten, wobei in der Regel ein Innenschlauch, Verstärkungselemente und/oder mindestens ein äußerer Schlauch vorgesehen sind. Der Innenschlauch besteht häufig aus PVC, insbesondere Weich-PVC.
Bei den zuletzt genannten Verfahrensvarianten ist es weiter bevorzugt, wenn die nanostrukturierte Beschichtung bzw. Oberfläche auf den inneren Oberflächen des Hohlkörpers gebildet wird, wobei dann vorzugsweise diese inneren Oberflächen mindestens teilweise, insbesondere vollständig, mit der nanostrukturierten Beschichtung bzw. Oberfläche versehen sind. Dabei ist es zweckmäßig und bevorzugt, gerade im Fall der genannten Rohre und Schläuche, wenn lediglich die inneren Oberflächen (und nicht die äußeren Oberflächen) die nanostrukturierte Beschichtung bzw. Oberfläche aufweisen. Wie später noch erläutert wird, ist das erfindungsgemäße Verfahren in besonderem Maße zur Innenbeschichtung entsprechender Hohlkörper wie Rohre und Schläuche geeignet.
Bei einer ersten Gruppe von Verfahrensvarianten werden die nanoskaligen Partikel als Pulver aufgebracht.
Bei einer zweiten Gruppe von Verfahrensvarianten werden die nanoskaligen Partikel als Suspension aufgebracht, d. h. sie werden in mindestens einem Lösungsmittel aufgenommen und darin verteilt. Hier kommen die unterschiedlichsten Lösungsmittel zum Einsatz, wobei die Verwendung von Alkoholen bevorzugt ist. Hier ist insbesondere Isopropanol als Lösungsmittel zu nennen. Je nach Menge des verwendeten Lösungsmittels können unterschiedliche Viskositäten der erhaltenen Suspension eingestellt werden, so daß einerseits vergleichsweise dünnflüssige und zum anderen auch pastenartige Suspensionen eingesetzt werden können.
Sofern die Kunststoffgegenstände bei der Erfindung durch Extrusion oder Extrusionsblasen hergestellt werden, ist es erfindungsgemäß bevorzugt, wenn die nanoskaligen Partikel im sogenannten Kalibrierungsschritt des Extrusionsvorgangs aufgebracht werden. In diesem Stadium des Herstellungsverfahrens befindet sich der Kunststoff noch im erweichten/aufgeschmolzenen Zustand, und seine Oberfläche ist dementsprechend noch weich. Es ist also in diesem Stadium vergleichweise leicht möglich, die nanoskaligen Partikel auf die Oberfläche bzw. in die Oberfläche des Kunststoffs, insbesondere in die Oberflächen, die die inneren Oberflächen des entsprechenden Gegenstandes bilden, auf- und einzubringen. Man kann hier auch von einer Art „Verklebung" des Kunststoffmaterials mit den nanoskaligen Partikeln sprechen.
Das Aufbringen der nanoskaligen Partikel während des Extrusionsvorgangs läßt sich erfindungsgemäß auf unterschiedliche Weise realisieren.
Bei einer ersten Möglichkeit ist es zunächst bevorzugt, daß der Kalibrierungsschritt mit Hilfe eines Gasstroms, insbesondere eines Luftstroms, erfolgt. Dies bedeutet, daß durch diesen Gas- bzw. Luftstrom die Formstabilität des extrudierten Gegenstands gewährleistet wird und/oder die endgültigen Abmessungen des extrudierten Gegenstands festgelegt werden.
In diesen zuletzt genannten und anderen Fällen ist es erfindungsgemäß bevorzugt, wenn die nanoskaligen Partikel in diesen Gas- bzw. Luftstrom eingebracht werden. Sie werden dann mit diesem Strom an die entsprechenden Abschnitte des Kunststoffmaterials heran- und daran vorbeigeführt. Dies werden hier dann in der Regel diejenigen Abschnitte des Kunststoffmaterials sein, die im fertiggestellten Zustand die inneren Oberflächen des entsprechenden Gegenstands bilden, also insbesondere die inneren Oberflächen des Schlauches.
Die nanoskaligen Partikel können dabei in den Gas- bzw. Luftstrom in Form einer Suspension eingebracht werden. Es ist jedoch zweckmäßig und bevorzugt, die nanoskaligen Partikel in diesen Strom in Form eines Pulvers einzubringen.
Bei allen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens und insbesondere bei den zuletzt genannten Ausführungsformen ist es erfindungsgemäß von Vorteil, wenn die nanoskaligen Partikel auf den erweichten oder aufgeschmolzenen Kunststoff aufgeschleudert oder aufgesprüht werden. Dies kann in den zuletzt genannten Fällen bereits durch das Einbringen der nanoskaligen Partikel in den Gas- bzw. Luftstrom erfolgen. In diesen Fällen ist es jedoch weiter bevorzugt, die nanoskaligen Partikel in Richtung auf die Oberfläche des extrudierten Kunststoffs „umzuleiten", wobei dazu vorzugsweise eine rotierende Einrichtung vorgesehen ist. Diese rotierende Einrichtung ist dazu vorgesehen, die mit dem Gasstrom einströmenden Partikel radial abzulenken und gegebenenfalls auf die Kunststoffoberfläche (vorzugsweise Schlauchinnenband) hin zu beschleunigen. Dadurch werden die nanoskaligen Partikel in den Kunststoff (vorzugsweise Innenwand) „hineingeschossen". Die Eindringtiefe der Partikel kann dabei, abhängig von der Partikelmasse, mit Hilfe der Rotationsgeschwindigkeit der rotierenden Einrichtung, der Partikelgeschwindigkeit und dem Auftreffwinkel der Partikel auf den Kunststoff gesteuert werden.
Vorzugsweise handelt es sich bei der rotierenden Einrichtung um einen Rotor oder Propeller. Dieser kann beispielsweise an der Austrittsdüse des Extruders in geeigneter Weise gelagert sein.
Bei den zuletzt genannten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die rotierende Einrichtung in unterschiedlicher Weise angetrieben werden. So kann beispielsweise ein separater Antrieb vorgesehen sein. Genauso ist es möglich, die rotierende Einrichtung mit Hilfe des Gasstroms/Luftstroms anzutreiben, der zur Kalibrierung verwendet wird. Eine weitere Möglichkeit ist ein magnetischer Antrieb, wobei in diesen Fällen die Einrichtung, beispielsweise der Rotor oder Propeller, aus einem (weich-)magnetischen Material gefertigt ist und dann berührungslos über ein äußeres Magnetfeld elektromagnetisch angetrieben wird.
Bei einer zweiten Möglichkeit zur Aufbringung der nanoskaligen Partikel beim Extrusionsvorgang, vorzugsweise im Kalibrierungsschritt, werden die nanoskaligen Partikel auf den erweichten oder aufgeschmolzenen Kunststoff aufgepreßt. Das heißt, es werden die nanoskaligen Partikel mit einem Druck beaufschlagt und auf/in die Oberfläche des Kunststoffs eingebracht. Grundsätzlich kann hier ebenfalls direkt ein Pulver der nanoskaligen Partikel verwendet werden. Es bietet sich jedoch an, hier mit einer pastenförmigen Suspension zu arbeiten.
Insbesondere können zu diesen Zweck im Extrusionswerkzeug, insbesondere in dessen Düse (Pinole), Öffnungen oder Kanäle vorgesehen sein, aus denen die nanoskaligen Partikel unter Druck austreten und mit der Oberfläche des Kunststoffs in Berührung kommen können. Wird beispielsweise erfindungsgemäß ein Kunststoffschlauch beschichtet, so sind am Extrusionswerkzeug vorzugsweise kreisförmig umlaufende Kanäle vorgesehen, um auf diese Weise die gesamte Umfangsfläche des Kunststoffs mit den nanoskaligen Partikeln unter Druck zu beaufschlagen und die entsprechende innige Verbindung zwischen Partikeln und Kunststoff herzustellen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren können grundsätzlich Gegenstände aus den unterschiedlichsten Kunststoffmaterialien hergestellt und beschichtet werden. Wie eingangs erwähnt, handelt es sich vorzugsweise um Kunststoffe, die für Rohre und Schläuche auf dem Sanitärgebiet Verwendung finden. Hierbei ist insbesondere PVC (Polyvinylchlorid), vorzugsweise Weich-PVC, hervorzuheben.
Als nanoskalige Partikel können grundsätzlich die verschiedensten Materialien bei der Erfindung Verwendung finden. Insbesondere handelt es sich um solche Materialien, die eine hohe Chemikalienbeständigkeit und mechanische Festigkeit besitzen. Hierbei ist in erster Linie an Oxide, insbesondere an Aluminiumoxid, Titanoxid und dergleichen, zu denken. Vorzugsweise wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren pyrogene Kieselsäure (SiO₂) als nanoskaliges Material eingesetzt. Ein bevorzugtes Material ist hier das Produkt AEROXIDE^®LE1, das von der Firma Degussa vertrieben wird. Hierbei handelt es sich um ein Produkt mit hydrophoben Eigenschaften, wobei ganz allgemein nanoskalige Partikel mit hydrophoben Eigenschaften für das erfindungsgemäße Verfahren besonders bevorzugt sind. Dies ergibt sich aus den eingangs gemachten Erläuterungen zum sogenannten Lotus-Effekt.
Die nanoskaligen Partikel besitzen erfindungsgemäß vorzugsweise eine Größe < 100 nm, insbesondere < 50 mm, wobei Teilchengrößen < 10 nm noch weiter bevorzugt sind.
Neben dem erfindungsgemäßen Verfahren umfaßt die Erfindung auch die Verwendung hydrophober nanoskaliger Partikel zur Beschichtung von Oberflächen von Sanitärgegenständen. Dabei ist insbesondere die Verwendung zur Beschichtung von inneren Oberflächen von Rohren oder Schläuchen, insbesondere Sanitärschläuchen, hervorzuheben.
Schließlich umfaßt die Erfindung auch noch die beschichteten Gegenstände aus Kunststoff mit nanostrukturierten Oberflächen, wie sie gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt oder herstellbar sind. Derartige beschichtete Gegenstände weisen insbesondere hydro phobe Oberflächen auf. Bei dem beschichteten Gegenstand nach der Erfindung handelt es sich insbesondere um einen Sanitärschlauch, dessen innere Oberflächen vollständig mit der geschilderten nanostrukturierten Beschichtung versehen sind.
Die Erfindung führt insbesondere zu einer ganzen Reihe von Vorteilen, die aus den bisherigen Schilderungen bereits hervorgehen. Besonders hervorzuheben sind die selbstreinigenden Eigenschaften der erhaltenen beschichteten Gegenstände, insbesondere der innen beschichteten Schläuche und Rohre, die eine Anlagerung von Schmutz und Kalk weitgehend verhindern und auch den Bakterienbewuchs und die Biofilmbildung deutlich reduzieren.
Ein entscheidender Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, daß es einstufig ausgebildet ist. Dies bedeutet, daß die Ausbildung der entsprechenden Oberflächenstruktur bereits bei der Herstellung des entsprechenden Gegenstands/Sanitärgegenstands erfolgt und keine weiteren Verfahrensschritte nach der eigentlichen Herstellung notwendig sind. Dies zeichnet das erfindungsgemäße Verfahren gegenüber allen bekannten Verfahren aus dem Stand der Technik aus, bei denen es immer notwendig ist, weitere Schutzschichten auf den bereits fertig hergestellten Gegenstand aufzubringen.
Die genannten und weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den nun folgenden Beispielen im Zusammenhang mit den Figuren und in Verbindung mit den Unteransprüchen. Dabei können die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder in Kombination miteinander verwirklicht sein. Die im folgenden beschriebenen Beispiele dienen lediglich der Erläuterung und zum besseren Verständnis und sind in keiner Weise einschränkend zu verstehen.
In den Zeichnungen zeigen
1a eine schematische Teildarstellung einer Extrusionsdüse mit zugeordnetem Rotor zur Durchführung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens,
1b eine schematische Darstellung einer Frontansicht der Extrusionsdüse gemäß 1a, und
2 eine schematische Teilansicht einer weiteren Extrusionsdüse zur Durchführung einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Beispiel 1
Zum Nachweis der grundsätzlichen Durchführbarkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zunächst ein Kunststoffmaterial aus Weich-PVC bereitgestellt, wie es zum Extrudieren des inneren Schlauchs (inliner) eines handelsüblichen Brauseschlauchs verwendet wird. Auf dieses Material soll eine Schicht des hydrophoben Materials AEROXIDE^®LE1 der Degussa AG aufgebracht werden. Bei diesem Material handelt es sich um eine pyrogene Kieselsäure (SiO₂) mit einer spezifischen Oberfläche (BET) von 160 ± 30 m²/g.
Wird das Kunststoffmaterial erweicht und das nanoskalige Produkt AEROXIDE^®LE1 als Pulver auf das Kunststoffmaterial aufgepreßt, so werden die nanoskaligen Partikel in die Kunststoffoberfläche irreversibel eingelagert. Vergleicht man nun in einem Tauchversuch in jeweils einem Becherglas mit Leitungswasser das so beschichtete Weich-PVC mit einer unbeschichteten Referenzprobe, so zeigt sich über einen Zeitraum von mehreren Wochen, daß sich lediglich auf der unbeschichteten Referenzprobe eine schleimige Oberfläche (Biofilm) gebildet hat. Im Gegen satz zur unbeschichteten Referenzprobe ließ sich die beschichtete Probe nicht mit Wasser benetzen. Nach dem Entfernen aus dem Becherglas war die Oberfläche der beschichteten Probe trocken. Dies zeigt eindeutig die Erzeugung bakteriophober Eigenschaften auf einer Weich-PVC-Matrix durch Einbringung (incorporation) hydrophober Nanopartikel.
Beispiel 2
Anhand der in den 1a und 1b dargestellten Vorrichtung ist die prinzipielle Durchführung einer ersten Gruppe von Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt.
So zeigt 1a in schematischer Darstellung eine übliche Extrusionsdüse 1, wie sie standardmäßig bei der Herstellung von sanitären Schläuchen verwendet wird. Dabei wird der erweichte und aufgeschmolzene Kunststoff über die nicht näher bezeichnete Außenfläche der Düse geführt und durch das Innere der Düse ein Luftstrom geleitet, der die Form des extrudierten Schlauches stabilisiert unter gleichzeitiger Abkühlung.
Im vorliegenden Fall ist dieses Standardverfahren erfindungsgemäß so abgewandelt, daß durch das Innere der Düse ein Luftstrom geführt wird, in den nanoskalige Partikel eingebracht sind. Die Strömungsrichtung des Luft-/Partikel-Gemisches ist dabei durch den rechts angeordneten Pfeil verdeutlicht.
Auf der Austrittseite der Düse ist für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Rotor 2 angeordnet, der in 1a ebenfalls nur schematisch dargestellt ist. Das Luft-/Partikel-Gemisch trifft auf den Rotor 2, der auf unterschiedliche Weise, beispielsweise auch durch den Luft-/Partikel-Strom selbst, angetrieben werden kann. Dadurch werden die nanoskaligen Partikel abgelenkt und radial in Richtung auf das von der Düse 1 geformte Kunststoffmaterial geschleudert. Die nanoskaligen Partikel werden also direkt bei der Herstellung des Kunststoffschlauchs im Extrusionsvorgang auf das Kunststoffmaterial, hier die Innenflächen des Schlauches, aufgebracht.
Das der 1a zugrundeliegende Prinzip ist in 1b schematisch näher erläutert. In der 1b dargestellten Frontansicht ist der Rotor 2 zu erkennen, wobei seine Drehrichtung durch einen entsprechenden Pfeil angedeutet ist.
Weiter zeigt 1b den vorgeformten Schlauch 3, in dessen Innerem sich der Rotor 2 befindet. Die in 1b nicht dargestellten nanoskaligen Partikel, die über den senkrecht zur Zeichenebene von unten einfallenden Luftstrom zugeleitet werden, werden durch die entsprechend ausgestalteten Blätter des Rotors 2 radial in Richtung auf die Innenwandung des vorgeformten Schlauchs 3 umgelenkt und gegebenenfalls noch beschleunigt. Dadurch können die nanoskaligen Partikel in das noch erweichte/aufgeschmolzene Kunststoffmaterial an dessen Oberfläche eingelagert werden.
Wie bereits erläutert, kann der Rotor 2 durch einen entsprechenden Antrieb oder auch durch den einfallenden Luft-/Partikel-Strom selbst angetrieben sein. Im vorliegenden Fall sind äußere Antriebsmittel 4 dargestellt, die insbesondere einen Magnetantrieb repräsentieren. Zu diesem Zweck ist der Rotor 2 aus einem weichmagnetischen Material, z. B. Permalloy gefertigt. Es handelt sich hier also um einen berührungslosen Antrieb über ein äußeres Magnetfeld.
Beispiel 3
Eine weitere Möglichkeit zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt sich aus 2. Dort ist eine modifizierte Extrusionsdüse 11 dargestellt, die von einer handelsüblichen Extrusionsdüse abgeleitet ist. Auch hier ist im Inneren der Düse ein Luftstrom zur Kalibrierung vorgesehen, der das über die Düse extrudierte Kunststoffmaterial in entsprechender Weise stabilisiert.
Zur Beschichtung der (inneren) Kunststoffoberfläche des so gebildeten Schlauches sind in der Düse 11 Öffnungen 12 dargestellt, durch die nanoskalige Partikel, insbesondere in Form einer pastenförmigen Suspension, über entsprechende Zuleitungen 13 austreten können. Bei den Öffnungen 12 handelt es sich um am Außenumfang der Düse 11 umlaufende Öffnungen/Kanäle, so daß der gesamte Innenumfang des gebildeten Schlauchs mit den nanoskaligen Partikeln beaufschlagt werden kann.
Die Fließrichtung der pastenförmigen Suspension der nanoskaligen Partikel ist dabei durch die in 2 eingezeichneten Pfeile verdeutlicht. Die nanoskaligen Partikel treten in die Zuleitungen 13 ein (Pfeile rechts) und durch die Öffnungen 12 (Pfeile oben, unten) wieder aus.

Claims

Verfahren zum Aufbringen einer nanostrukturierten Beschichtung oder zum Erzeugen einer nanostrukturierten Oberfläche auf Gegenständen aus Kunststoff, insbesondere auf Sanitärgegenständen aus Kunststoff, wobei beim Herstellungsprozeß der Gegenstände nanoskalige Partikel auf den erweichten oder aufgeschmolzenen Kunststoff aufgebracht werden und die nanostrukturierte Beschichtung bzw. Oberfläche in einem sich anschließenden Abkühlungsschritt als geschlossene, fest auf dem und/oder im Kunststoff haftende Struktur gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Herstellung des Gegenstands durch Extrusion oder Extrusionsblasen erfolgt und die nanoskaligen Partikel während dieses Extrusionsvorgangs auf den Kunststoff aufgebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den Gegenständen mindestens teilweise um Hohlkörper, insbesondere um Rohre oder Schläuche, vorzugsweise um sanitäre Schläuche, handelt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die nanostrukturierte Beschichtung bzw. Oberfläche auf den inneren Oberflächen des Hohlkörpers gebildet wird, wobei vorzugsweise diese inneren Oberflächen mindestens teilweise, vorzugsweise vollständig, mit der nanostrukturierten Beschichtung bzw. Oberfläche versehen sind.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß nur die inneren Oberflächen des Hohlkörpers und nicht dessen äußere Oberflächen mit der nanostrukturierten Beschichtung bzw. Oberfläche versehen sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die nanoskaligen Partikel als Pulver aufgebracht werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die nanoskaligen Partikel als Suspension aufgebracht werden, wobei vorzugsweise als Lösungsmittel mindestens ein Alkohol, insbesondere Isopropanol, vorgesehen ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die nanoskaligen Partikel im sogenannten Kalibrierungsschritt des Extrusionsvorgangs aufgebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kalibrierungsschritt mit Hilfe eines Gas-, insbesondere Luftstroms erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 8 oder Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die nanoskaligen Partikel in den Gas- bzw. Luft-Strom eingebracht werden, vorzugsweise in Form eines Pulvers.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die nanoskaligen Partikel auf den erweichten oder aufgeschmolzenen Kunststoff aufgeschleudert oder aufgesprüht werden.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufbringen der nanoskaligen Partikel mit Hilfe einer rotierenden Einrichtung, vorzugsweise eines Rotors oder Propellers, erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 12, daß die rotierende Einrichtung magnetisch angetrieben ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die nanoskaligen Partikel auf den erweichten oder aufgeschmolzenen Kunststoff aufgepreßt werden, vorzugsweise in Form einer insbesondere pastenförmigen Suspension.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufbringen der nanoskaligen Partikel mit Hilfe von im Extrusionswerkzeug vorgesehenen Öffnungen oder Kanälen erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Kunststoff um PVC (Polyvinylchlorid), insbesondere um sogenanntes Weich-PVC, handelt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den nanoskaligen Partikeln um Oxide, insbesondere um Aluminiumoxid, Titandioxid oder vorzugsweise um pyrogene Kieselsäure (SiO₂) handelt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die nanoskaligen Partikel eine Größe < 100 nm, vorzugsweise < 50 nm, insbesondere < 10 nm, besitzen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den nanoskaligen Partikeln um hydrophobe nanoskalige Partikel handelt.
Verwendung hydrophober nanoskaliger Partikel zur Beschichtung von Oberflächen von Sanitärgegenständen, insbesondere zur Be schichtung von inneren Oberflächen von Rohren oder Schläuchen.
Beschichteter Gegenstand aus Kunststoff mit einer nanostrukturierten Oberfläche, insbesondere Sanitärgegenstand aus Kunststoff mit einer nanostrukturierten Oberfläche, hergestellt oder herstellbar nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19.
Beschichteter Gegenstand nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß er eine hydrophobe Oberfläche aufweist.
Beschichteter Gegenstand nach Anspruch 21 oder Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß es sich um einen Sanitärschlauch handelt, dessen innere Oberflächen vollständig mit der nanostrukturierten Beschichtung versehen sind.