DE102006038543A1

DE102006038543A1 - Antifouling-Lacke und Beschichtungen

Info

Publication number: DE102006038543A1
Application number: DE200610038543
Authority: DE
Inventors: Karsten Dr. Löhr
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2006-08-17
Filing date: 2006-08-17
Publication date: 2008-02-21

Abstract

Wärmetauscher, insbesondere Kondensator-Kühler von Klimaanlagen, mit Antifouling-Beschichtungen, wobei der Wärmetauscher Oberflächenbereiche mit einer Antifouling-Beschichtung mit Tetraetherlipiden oder Tetraetherlipid-Derivaten aufweist, sowie Antifouling-Lack für die Beschichtung von technischen Anlagen, wobei der Lack Tetraetherlipide oder Tetraetherlipid-Derivate und Bindemittel enthält.

Description

Die Erfindung betrifft Wärmetauscher mit Antifouling-Beschichtungen, insbesondere als Bestandteil von Klimaanlagen gemäß Anspruch 1 und Antifouling-Lacke gemäß Anspruch 8.
Unter Fouling ist allgemein die unerwünschte Anlagerung von Feststoffen biologischen Ursprungs an Oberflächen in feuchtem Milieu zu verstehen. Im Schiffsbau ist das Fouling weit verbreitet und beschreibt den auch Anwuchs und die Besiedelung von Schiffsrümpfen oder anderen, in Wasser eingetauchten Strukturen durch Meeresorganismen.
Zur Verhinderung des Foulings in humiden Lebensräumen kommt es darauf an, die Oberflächen vor der Bildung von klebrigen Biopolymeren zu schützen, die einen Foulingprozess erst einleiten.
Spezielle Antifouling-Beschichtungen, sind bekannt für Schiffsrümpfe, Seewasserkonstruktionen, wie Ölplattformen, Hafenanlagen und Rohre. Bekannte Antifouling-Beschichtungen beruhen sowohl auf Formen der mechanischen Reinigung als auch auf dem Entlassen von toxischen Bioziden aus Matrix-Beschichtungen oder auf Kombinationen von beidem. Es sind unlösliche und lösliche Beschichtungen bekannt. Die unlöslichen Antifouling-Beschichtungen weisen eine hohe Abriebfestigkeit auf, lösliche Antifouling-Beschichtungen sind selbsterodierend und werden von strömendem Wasser langsam abgetragen.
Neuerdings sind Tetraetherlipide als potentiell für die Verringerung des biologischen Bewuchses geeignete Verbindungen bekannt geworden. Tetraetherlipide sind bipolare Amphiphile, die ursprünglich aus biogenen Quellen (Archaebakterien) isoliert wurden (Guliketal., in J. Mol. Biol. 1985 182 p.131-149). Diese Tetraetherlipide besitzen eine hohe chemische und biologische Stabilität. Sie sind in der Lage an Oberflächen monomolekulare Schichten auszubilden. Die bisher insbesondere in der Biologie oder Pharmazie,, beispielsweise der chromatographischen Trennungen oder Beschichtung von Human-Implantaten, genutzten Lipide, leiten sich chemisch meist vom natürlichen Hauptlipid von Thermoplasma acidophilum, dem Main-Phospho-Lipid (MPL) ab, dessen Kopfgruppen ein -Gulosidderivat bzw. ein Phosphatidylglycerolderivat sind.
Aus der DE 102 28 857 A1 sind Verfahren bekannt, den chemischen Aufbau der natürlichen Tetraetherlipide zu modifizieren, so dass stabile und zugleich reaktionsfähige Tetraetherlipide gebildet werden. Unbehandelte biogene Tetraetherlipide bestehen aus einem 72-gliedrigen Makroetherzyklus, in dem die Kohlenstoffatome der Phytanylketten zweier Diethermoleküle kovalent miteinander verbunden sind. Die beiden hydrophilen Kopfgruppen bestehen aus verschiedenen asymmetrisch angeordneten chemischen Gruppierungen.
Die Modifizierung der Tetraetherlipide findet bei den Kopfgruppen statt, wo unterschiedliche Reste R, R₁ mit reaktiven Endgruppen, wie beispielsweise -OH, -SH, -NH₂, -CH=CH₂, -COOH oder -CH₂-N=C=O angebunden werden.
Aus der DE 10 2004 033 667 A1 ist die Herstellung von Kompositmaterialien mit Tetraetherlipiden bekannt. Dabei werden kovalent angekoppelte monomolekulare Schichten von Tetraetherlipiden mit kleinen Kopfgruppen an Oberflächen von Substraten gebildet. Die Substratmaterialien werden in der Regel chemisch voraktiviert, um mit entsprechend geeigneten chemisch reaktiven Gruppen in den Kopfgruppen der Tetraetherlipide reagieren zu können. Der Einsatz der entwickelten Methoden gestattet die Bildung stabiler, monomolekularer Tetraetherlipid-Filme auf unterschiedlichen Basismaterialien – insbesondere Metallen und Metalloxiden, Kohlenstoff, Silizium, Gallium und deren Verbindungen, Keramiken und Gläsern, sowie Polymeren – und eröffnet zudem die Möglichkeit, nachträglich an der reaktiven Außenseite (bio)relevante Strukturen anzukoppeln.
Fouling tritt auch als Verschmutzung von wärmeübertragenden Anlagenteilen der Kühltechnik auf. Hier können Inhaltsstoffe des benutzten Kühlwassers zu Fouling in den Kühlwasserleitungen führen. Die abgelagerten Stoffe verunreinigen die wärmeübertragenden Flächen der Kühler und Wärmetauscher und verschlechtern ihren zugehörigen Wärmeübergangskoeffizienten.
Ein weiterer Bereich, in welchem Fouling zum Problem werden kann, ist bei Klimaanlagen zu finden. Hier ist insbesondere auf die Erhaltung der Wärmeübertragungskapazität und die Vermeidung von Gerüchen in Klimaanlagen zu achten. Die Geruchsbildung ist dabei sowohl bei den Luftleitungen der Klimaanlage, welche die zu kühlende bzw. die gekühlte Luft weiterleiten, als auch im Bereich der Klimaanlagen-Kühler (Kondensator-Kühler) von Bedeutung. Durch auskondensierende Luftfeuchtigkeit in den Luftleitungen können die für Fouling anfälligen humiden Bedingungen entstehen. Im Bereich der Kühler, insbesondere bei Kraftfahrzeugen können humide Bedingungen durch Zutritt von Regen- oder Spritzwasser sowie durch feuchtwarme klimatische Bedingungen auftreten. Keime und biologisches Material können in Kraftfahrzeugen vergleichsweise ungehindert über den Kühlergrill auf die Oberfläche des Kühlers gelangen.
Die Oberflächen von wärmeübertragenden Anlagenteilen sind zum Teil sehr rauen Bedingungen und wechselnder thermischer Belastung ausgesetzt. Die bekannten Beschichtungen sind häufig nur von unzureichende Temperatur- oder Verschleißbeständigkeit.
Es ist Aufgabe der Erfindung eine Antifouling-Beschichtung für Wärmetauscher, insbesondere Kühler und Luftleitungen von Klimaanlagen, bereit zu stellen, die hochwirksam ist sowie eine verbesserte thermische und mechanische Stabilität aufweist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch Wärmetauscher, insbesondere in Klimaanlagen, mit Antifouling-Beschichtungen mit Tetraetherlipiden oder Tetraetherlipid-Derivaten, mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und Antifouling-Lacken für die Beschichtung von technischen Anlagen, mit den Merkmalen des Anspruchs 8.
Dabei sind unter den Tetraetherlipiden die im Wesentlichen unbehandelten biogenen Stoffe zu verstehen, wie sie sich aus entsprechenden Mikroorganismen, gewinnen lassen.
Unter den Tetraetherlipd-Derivaten sind Tetraetherlipide zu verstehen, bei denen eine Modifizierung der Kopfgruppen durchgeführt wurde. Insbesondere weisen diese Tetraetherlipid-Derivate nicht mehr die natürlichen – Gulcosidderivate oder Phosphatidylglycerolderivat auf. Diese sind bevorzugt durch reaktive Gruppen enthaltende organische Reste substituiert.
Zu den erfindungsgemäßen Tetraetherlipid-Derivaten in Antifouling-Beschichtungen für Wärmetauscher, gehören insbesondere auch die in der DE 10 2004 033667 A1 offenbarten Tetraetherlipide mit kleinen Kopfgruppen. Die Substituenten R an den Kopfgruppen tragen bevorzugt ethylenisch ungesättigte, -OH, -SH, -NH₂, -CH=CH₂, -COOH und/oder -CH₂-N=C=O Gruppen. Die Kopfgruppe kann auch durch eine einfache Ethylen-Einheit (-CH₂-CH₂-) gebildet sein.
Die erfindungsgemäßen Antifouling-Beschichtungen mit Tetraetherlipiden oder Tetraetherlipid-Derivaten haben den Vorteil einer hohen thermischen Stabilität.
Die Beschichtung hat den weiteren Vorteil, dass sie auf den unterschiedlichen Oberflächen eines Wärmetauschers fest haftet.
Auch die chemische und Langzeit-Beständigkeit ist vergleichsweise gut.
Vorteilhaft ist auch die gute Umweltverträglichkeit der Beschichtungen. Insbesondere weist die Beschichtung keine toxischen Biozide auf, welche aus der Beschichtung in die Umwelt abgegeben werden.
Die Bildung von Biofilmen und/oder Schmutzkrusten auf Oberflächen von Wärmetauschern wird durch die erfindungemäße Beschichtung wirksam unterbunden.
Die Beschichtung findet in der Regel auf den Oberflächenbereichen des Wärmetauschers statt, wo wässrige Kühlflüssigkeiten entlang geleitet werden oder wo im Außenbereich humide Bedingungen zu befürchten sind. Typischerweise werden Kühlwasserrohre auf deren Innenseite mit der erfindungsgemäßen Beschichtung versehen.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht die Antifouling-Beschichtungen mit Tetraetherlipiden oder Tetraetherlipid-Derivaten bei Wärmetauschern von Klimaanlagen vor. Eine Klimaanlage zur Beheizung oder Kühlung eines Innenraumzuluftstroms eines Kraftfahrzeugs weist typischerweise einen Kältemittelkreislauf mit Hoch- und Tiefdruckdruckseite auf. Eine derartige Klimaanlage zur Beheizung oder Kühlung eines Innenraumzuluftstroms eines Kraftfahrzeugs weist einen Kältemittelkreislauf auf, der einen Kältemittelverdichter oder Kondensator zur Verdichtung von im wesentlichen gasförmigem Kältemittel auf ein hohes Druck- und Temperaturniveau und einen dem Kältemittelverdichter nachgeschalteten ersten Wärmetauscher zur Wärmeabfuhr aus dem Kältemittel auf. Hierauf folgt eine Drosselventileinheit, die das Kältemittel entspannen kann und ein Innenraumwärmetauscher, wo der Energieaustausch zwischen Kältemittel und Innenraumluft stattfinden kann. Der erste Wärmetauscher ist als Kondensator-Kühler ausgebildet und in der Regel zwischen Kühlergrill und dem Motorkühler des Kraftfahrzeugs angebracht.
Dabei sind erfindungsgemäß insbesondere die äußere Oberfläche des Kondensator-Kühlers, sowie die Innenflächen der Luftleitungen für die Innenraumluft als Fouling-anfällige Flächen von Bedeutung und zumindest teilweise mit einer entsprechenden Antifouling-Beschichtung versehen. Diese Beschichtungen weisen erfindungsgemäß natürliche Tetraetherlipide oder Tetraetherlipid-Derivate auf.
Je nach Untergrund kann es zweckmäßig sein, die Oberflächen mit einem Haftlack zu beschichten.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Antifouling-Beschichtung unmittelbar ohne eine Zwischenbeschichtung auf die metallische oder polymere Oberfläche des Wärmetauschers aufgetragen.
Ein weiterer Aspekt ist ein Antifouling-Lack für die Beschichtung von technischen Anlagen, wobei der Lack als Antifouling-Wirkstoffe Tetraetherlipide oder Tetraetherlipid-Derivate enthält. Als weitere wesentliche Komponente des Lacks treten Bindemittel auf. Als Nebenbestandteile können die bekannten unterschiedlichen Wirkstoffe zur Einstellung der Lackeigenschaften, insbesondere Thixotropie, Elastizität, Festigkeit und dergleichen enthalten sein.
Die Tetraetherlipide oder Tetraetherlipid-Derivate sind dabei im Wesentlichen für die Anti-Fouling-Wirkung verantwortlich. Gegebenenfalls können geringe Mengen weiterer biozider Wirkstoffe zugesetzt werden, um die Wirkung der Tetraetherlipide oder Tetraetherlipid-Derivate zu unterstützen beziehungsweise zu verstärken.
Der Anteil der Tetraetherlipide oder Tetraetherlipid-Derivate im Lack liegt bevorzugt bei 35 bis 95 Gew.%. Besonders bevorzugt liegt der Anteil bei 60 bis 80 Gew.%.
Die Tetraetherlipide oder Tetraetherlipid-Derivate liegen im Lack gelöst vor und werden beim Trocknen beziehungsweise Aushärten des Lacks fest in die Beschichtung eingebunden.
Bevorzugt werde die Tetraetherlipid-Derivate chemisch an die Bindemittel gebunden, beziehungsweise beim Aushärten der Bindemittel einpolymerisiert. Die Bindung der Tetraetherlipid-Derivate erfolgt dabei über Substituenten R an den Kopfgruppen, die reaktive Gruppen tragen. Die reaktiven Gruppen sind auf die Bindemittelkomponenten des Lacks abgestimmt, so dass sie chemisch an das Bindemittel des Lacks bindbar sind. An den beiden Kopfgruppen können auch unterschiedliche Substituenten gebunden sein.
Bevorzugt tragen die Substituenten R der Kopfgruppen ethylenisch ungesättigte, -OH, -SH, -NH₂, -CH=CH₂, -COOH und/oder -CH₂-N=C=O Gruppen. Besonders bevorzugt sind die Substituenten R Methylengrupen (-CH2-) mit einer dieser reaktiven Gruppen.
Der Lack kann in einer weiteren Ausgestaltung so eingestellt werden, dass Einpolymerisierte und nicht einpolymerisierte Tetraetherlipide oder Tetraetherlipid-Derivate im ausgehärteten Lack beziehungsweise in der Beschichtung verbleiben. Hierdurch wird erreicht, dass die nicht chemisch gebundenen Tetraetherlipide oder deren Derivate an die Oberfläche der Beschichtung gelangen und auch abgegeben werden können. Der Anteil nicht chemisch gebundener Tetraetherlipide oder deren Derivate liegt bei diesen Beschichtungen bevorzugt unterhalb 10 Gew.% der gesamten Menge an Tetraetherlipiden oder deren Derivaten.
Aufgrund der hohen chemischen und thermischen Stabilität der Tetraetherlipide bzw. deren Derivate kann eine breite Palette bereits bekannter Bindersysteme eingesetzt werden.
Als Bindemittel werden Epoxidharze, Acrylatharze, Methacrylatharze, Silanharze, Polyurethanharze, Silikonharze und/oder Phenolharze bevorzugt verwendet.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Lacks werden Lichtbeziehungsweise UV-härtende Bindersysteme mit ethylenisch ungesättigten Gruppen tragenden Tetraetherlipid-Derivaten kombiniert. Hierdurch lässt sich bei der UV-Härtung ein sehr gleichmäßiges Einpolymerisieren des Tetraetherlipids und eine vergleichsweise feste Beschichtung erreichen.
Als Nebenbestandteil des Lacks können leitfähige Pigmente, insbesondere aus Silber, Ruß und/oder Graphit enthalten sein, welche die Wärmeleitfähigkeit der Beschichtung verbessern. Silber hat dabei den Vorteil, dass es zugleich geringe Mengen biozide Silberionen abgeben kann und hierdurch die Antifouling-Wirkung unterstützen kann. Der Anteil liegt bei 2 bis 10 Gew.%.

Claims

Wärmetauscher, insbesondere Kondensator-Kühler von Klimaanlagen, mit Antifouling-Beschichtungen, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher Oberflächenbereiche mit einer Antifouling-Beschichtung mit Tetraetherlipiden oder Tetraetherlipid-Derivaten aufweist.
Wärmetauscher nach einem der voran gegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Tetraetherlipide oder Tetraetherlipid-Derivate durch natürliche Tetraetherlipide oder durch Tetraetherlipide mit kleinen Kopfgruppen gebildet sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Oberfläche des Wärmetauscher-Kühlers zumindest teilweise die Antifouling-Beschichtung trägt.
Wärmetauscher nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher Bestandteil einer Klimaanlage von Kraftfahrzeugen ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 3 oder 4 dadurch gekennzeichnet, dass der Kühler im Frontbereich eines Kraftfahrzeugs angeordnet ist.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Oberfläche der Luftleitungen der Klimaanlage zumindest teilweise die Antifouling-Beschichtung trägt.
Wärmetauscher nach einem der voran gegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antifouling-Beschichtung unmittelbar auf die metallische oder polymere Oberfläche des Wärmetauschers aufgetragene Tetraetherlipide oder Tetraetherlipid-Derivate enthält.
Antifouling-Lack für die Beschichtung von technischen Anlagen, dadurch gekennzeichnet, dass der Lack Tetraetherlipide oder Tetraetherlipid-Derivate und Bindemittel enthält.
Antifouling-Lack nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil der Tetraetherlipide oder Tetraetherlipid-Derivate im Lack bei 35 bis 95 Gew.% liegt.
Antifouling-Lack nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Tetraetherlipid-Derivate reaktive Substituenten R an den Kopfgruppen tragen und mit diesen chemisch an Bindemittel des Lacks bindbar sind.
Antifouling-Lack nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Substituenten R an den Kopfgruppen ethylenisch ungesättigte, -OH, -SH, -NH₂, -CH=CH₂, -COOH und/oder -CH₂-N=C=O Gruppen tragen.
Antifouling-Lack nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die ethylenisch ungesättigten Gruppen Acrylat-, Methacrylat- oder Vinylgruppen sind.
Antifouling-Lack nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Bindemittel des Lacks durch Epoxidharze, Acrylatharze, Methacrylatharze, Silanharze, Polyurethanharze, Silikonharze und/oder Phenolharze gebildet sind.
Antifouling-Lack nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Lack leitfähige Pigmente, insbesondere aus Silber, Ruß und/oder Graphit enthält.
Verwendung von Tetraetherlipiden zur Bildung einer Antifouling-Beschichtung auf der Oberfläche von Wärmetauschern oder Wärmeüberträgern in Kraftfahrzeugen.