DE102006052303A1 - Schutz von erosionsbelasteten Luftfahrtstrukturen durch nanopartikelverstärkte anorganisch-organische Hybridbeschichtungen - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine nanopartikelverstärkte, anorganisch-organische Hybridbeschichtung, die durch einen Sol-Gel-Prozess aus Alkoxysilanverbindungen herstellbar ist, und sich auf Grund ihrer hohen Erosionsbeständigkeit gegenüber Wasser und Sand insbesondere als Beschichtung für erosionsbelastete Strukuren von Flugzeugen eignet. Die erfindungsgemäße Beschichtung zeichnet sich durch eine Kombination aus Härte und Flexibilität aus, verbunden mit einer ausgezeichneten Substrathaftung.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine nanopartikelverstärkte, anorganisch-organische Hybridbeschichtung, die durch einen Sol-Gel-Prozess aus Alkoxysilanverbindungen erhältlich ist, und sich auf Grund ihrer hohen Erosionsbeständigkeit gegenüber Wasser und Sand insbesondere als Beschichtung für erosionsbelastete Strukturen von Flugzeugen eignet.
  • Luftfahrtstrukturen wie Rotorblattvorderkanten, Flügelvorderkanten, Vorderkanten des Seitenleitwerks und Höhenleitwerks, Radom und Fenster sind starker Erosion durch Regen und Sand in der Luft ausgesetzt. Es ist daher üblich diese Strukturen mit einer Schutzschicht zu versehen um die Lebensdauer und damit die Reparaturintervalle zu verlängern. Als Schutzsysteme gegen Regen- und Sanderosion werden üblicherweise Streifen aus metallischen Werkstoffen oder Beschichtungen auf Polymerbasis verwendet. Polymerbeschichtungen weisen zwar im Vergleich zu duktilen Metallen eine geringere Widerstandsfähigkeit gegenüber Erosion auf, sind jedoch einfacher zu erneuern und kostengünstiger.
  • Beschichtungen aus Polyurethan sind in US 4,594,762 , US 4,966,527 und US 4,990,205 beschrieben. Diese Schichten weisen gute Widerstandsfähigkeit gegenüber Erosion auf, haben aber eine geringe Lebensdauer und können sich vorzeitig von dem Substrat ablösen, wenn sie von auf die Oberfläche einschlagenden, ungewöhnlich langen oder scharfen Partikeln durchdrungen werden.
  • In WO 96/00842 ist eine Tragflächenbeschichtung aus einem mit harten Partikeln verstärkten Epoxyfilm mit verbesserter Erosionsbeständigkeit beschrieben sowie ein Verfahren zur Applikation solcher Schichten.
  • Aus der US 6,341,747 ist eine Nanoverbundbeschichtung bekannt, die auf die Anströmkante einer Tragfläche aufgebracht werden kann und aus einer durch Nanopartikel verstärkten Elastomermatrix besteht, die die Stoßenergie der auftreffenden Wasser- und Sandteilchen wesentlich besser absorbiert als eine reine Elastomerschicht.
  • Als Alternative zu Beschichtungen auf Polymerbasis offenbart US 5,542,820 einen keramischen Verbundstoff bestehend aus fünf Schichten. Diese Technik hat jedoch den Nachteil, dass der Austausch der Schutzschicht mit hohem Zeit- und Kostenaufwand verbunden ist.
  • Eine weitere Alternative sind kratzfeste Sol-Gel-Beschichtungen wie in DE 4303570 beschrieben, wobei keine Angaben über die Widerstandsfähigkeit gegenüber Erosion gemacht werden.
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin eine Beschichtung zur Verfügung zu stellen, die eine hohe Beständigkeit gegenüber Erosion ermöglicht.
  • Eine weitere Aufgabe besteht in der Bereitstellung einer erosionsbeständigen Beschichtung mit geringer Schichtdicke.
  • Eine erfindungsgemäße Lösung besteht in einer anorganisch-organischen Hybridbeschichtung, die durch einen Sol-Gel-Prozess herstellbar und durch Nanopartikel verstärkt ist bzw. Nanopartikel enthält. Diese Beschichtung zeigt z.B. eine hohe Beständigkeit gegen Regen- und Sanderosion. Wesentliche Eigenschaft von Sol-Gel-Beschichtungen als Erosionsschutz ist die Kombination aus Härte und Flexibilität (Viskoelastizität) verbunden mit einer ausgezeichneten Haftung auf dem Substrat. Die Erfindung erlaubt es diese Eigenschaften maßzuschneidern und so je nach Anforderungen zu variieren.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung entsprechender Beschichtungen sowie deren Verwendung zum Erosionsschutz von Luftfahrtstrukturen bereitgestellt.
  • Die erfindungsgemäße Beschichtung kann beispielsweise als Schutzschicht auf erosionsbelasteten Strukturen von Flugzeugen, Hubschraubern oder Teilen davon wie Rotorblattvorderkanten, Flügelvorderkanten, Vorderkanten des Seitenleitwerks und Höhenleitwerks, Radom und Fenster appliziert werden und kann im Vergleich zum Stand der Technik die Lebensdauer dieser Strukturen um das bis zu 40-fache erhöhen. Dies kann signifikant die Reparaturintervalle verlängern und so zur Senkung von Wartungskosten beitragen.
  • Zudem ermöglicht die erfindungsgemäße Schutzschicht eine deutliche Gewichtseinsparung durch Reduktion der Schichtdicke auf 1-10 μm im Vergleich zum Stand der Technik, der oftmals Schichtdicken zwischen 80-1000 μm erfordert.
  • Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass durch die reduzierte Schichtdicke Beschichtungsmaterial eingespart und die Zahl der Spritzgänge verringert werden kann.
  • Noch ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass die erosionsbeständige, nanopartikelverstärkte, anorganisch-organische Hybridbeschichtung üblicherweise transparent sein kann, und so beispielsweise eine freie Farbauswahl der Schutzschicht durch einen Mehrschichtaufbau aus der Beschichtung auf einer farbigen Grundierung ermöglicht. Dies war im bisherigen Stand der Technik meist nicht möglich, da die bekannten erosionsbeständigen Beschichtungen selbst eine graue oder schwarze Farbe hatten.
  • Kurze Beschreibung der Figuren
  • 1 ist eine schematische Skizze der einzelnen Komponenten einer Sol-Gelbasierten Erosionsschutzschicht;
  • 2 zeigt einen Schichtaufbau bestehend aus Substrat, Oberflächenvorbehandlung, Primer und farbgebendem Basecoat;
  • 3 zeigt Lichtmikroskopaufnahmen zweier Beschichtungsoberflächen nach identischer Regenerosionsbelastung.
  • 4 zeigt die Regenerosionsbeständigkeit verschiedener Beschichtungsoberflächen.
  • Erfindungsgemäß wird die erosionsbeständige, nanopartikelverstärkte, anorganisch-organische Hybridbeschichtung bereitgestellt, die durch einen Sol-Gel-Prozess herstellbar ist.
  • Der Sol-Gel-Prozess ist eine geeignete Technik um harte und weiche Anteile in einer Schicht zu kombinieren und ermöglicht so ein hoch vernetztes Netzwerk auszubilden, welches organische und anorganische Gruppen enthält. Dieser hohe Vernetzungsgrad im nanoskaligen Bereich verleiht den mittels Sol-Gel-Technik herstellbaren Beschichtungen bzw. Schutzschichten hervorragende Erosionsbeständigkeit. Sol-Gel-Systeme sind siliziumbasiert und werden üblicherweise mittels Hydrolyse von tetrafunktionalen Alkoxidmonomeren unter Verwendung von einer Säure (z.B. HCl) oder einer Base (z.B. NH3) als Katalysator synthetisiert. Ein typischer Sol-Gel-Prozess wird durch die folgenden drei verallgemeinerten Reaktionsschemen beschrieben: (1) Hydrolyse
    Figure 00050001
    (2) Kondensation
    Figure 00050002
    wobei R üblicherweise für eine Alkylgruppe (CnH2n +1) oder dergleichen steht.
  • Während der Hydrolysereaktion werden die Alkoxygruppen (-OR) durch Hydroxylgruppen (-OH) ersetzt. Daran schließt sich die Kondensationsreaktion an, in der die Silanole zu Siloxanen (Si-O-Si) kondensieren und als Nebenprodukt Alkohol (ROH) oder Wasser (H2O) entsteht.
  • Eine schematische Skizze der einzelnen Komponenten der erfindungsgemäßen anorganisch-organischen Hybridbeschichtung ist in 1 gezeigt. Das Metallalkoxidnetzwerk basiert typischerweise auf Silizium (M1). Die Härte der siliziumbasierten Beschichtung kann durch Zugabe von Nicht-Silikaten gesteigert werden, die im Vergleich zu Silizium eine höhere chemische Reaktivität aufweisen, die auf niedrigere Elektronegativität des Metalls (M2) zurückzuführen ist. Zusätzlich kann die Härte und Erosionsbeständigkeit des Systems durch die Verstärkung der Schichtmatrix mit harten Nanopartikeln (np) auf Grund deren rissablenkender Wirkung gesteigert werden. Der Vernetzungsgrad beeinflusst ebenfalls die Härte sowie die mechanische Stabilität der Beschichtung. Die mechanische Stabilität ist vor allem wichtig um z.B. erste Mikrorisse durch den Hochgeschwindigkeitstropfenaufschlag zu vermeiden. Die benötigte mechanische Stabilität des Netzwerkes kann gegebenenfalls über organofunktionelle Silane (R1, R2) weiter eingestellt werden, die in der Lage sind ein organisches Netzwerk zusätzlich zum anorganischen Netzwerk auszubilden. Nicht vernetzende funktionelle Gruppen wie z.B. Alkyl- oder Phenylgruppen können in derartigen Netzwerken als organische Platzhalter dienen, die die Flexibilität des Systems erhöhen.
  • Erosionsschutzbeschichtungen müssen im allgemeinen eine ausgezeichnete Haftung zum Substrat aufweisen. So kann z.B. durch Ausbildung von Bindungen zwischen dem Sol-Gel-Netzwerk und den funktionellen Gruppen der darunter liegenden Grundschicht die Haftung am Substrat erhöht werden. Diese Bindungen können beispielsweise über Kondensationsreaktionen zwischen den Hydroxyl- oder organofunktionellen Gruppen (R1, R2) erzeugt werden.
  • Als Sol-Gel-formende Komponenten werden vernetzbare Alkoxysilanverbindungen der folgenden allgemeinen Formel I verwendet R2 xSi(OR1)( 4-x ) (I),wobei x = 0, 1, 2 oder 3 ist. Die Reste R1 können gleich oder verschieden sein und können Wasserstoff, Alkyl und Acyl umfassen. Die Substituenten R2 können gleich oder verschieden sein und folgende Reste umfassen: Alkyl, Alkenyl, Alkinyl, Aryl, Arylalkyl, Alkylaryl, Arylalkenyl, Alkenylaryl, Arylalkinyl und Alkinylaryl. Die Reste R2 können durch O- oder S-Atome oder die Gruppe NR3 unterbrochen sein, wobei R3 Wasserstoff oder Alkyl ist.
  • Alkylreste umfassen gegebenenfalls substituierte, geradkettige, verzweigte oder zyklische Reste mit 1 bis 20 Kohlenstoffatomen, vorzugsweise 1 bis 10 Kohlenstoffatomen und insbesondere niedrige Alkylreste mit 1 bis 6, vorzugsweise 1 bis 4 Kohlenstoffatomen. Spezielle Beispiele sind Methyl, Ethyl, n-Propyl, Isopropyl, n-Butyl, sek.-Butyl, tert.-Butyl, Isobutyl, n-Pentyl, n-Hexyl, Dodecyl, Octadecyl und Cyclohexyl. Die Alkylreste können einen oder mehrere Substituenten aus der Gruppe der Halogene wie F, Cl und Br oder Acryloxy-, Amino-, Amid-, Aldehyd-, Alkoxy-, Alkoxycarbonyl-, Alkylcarbonyl-, Carboxy-, Cyano-, Epoxy-, Hydroxy-, Keto-, Methacryloxy-, Mercapto-, Phosphorsäure-, Sulfonsäure- oder Vinylgruppen tragen.
  • Alkenyl- und Alkinylreste können gegebenenfalls substituierte, geradkettige oder verzweigte Reste mit 1 bis 20 Kohlenstoffatomen, vorzugsweise 1 bis 10 Kohlenstoffatomen und insbesondere niedrige Alkylreste mit 1 bis 6, vorzugsweise 1 bis 4 Kohlenstoffatomen umfassen. Spezielle Beispiele für Alkenylreste sind Allyl, 1-Methylprop-2-en-1-yl, 2-Methyl-prop-2-en-1-yl, But-2-en-1-yl, But-3-en-1-yl, 1-Methyl-but-3-en-1-yl und 1-Methyl-but-2-en-1-yl. Spezielle Beispiele für Alkinylreste sind Propinyl, But-2-in-1-yl, But-3-in-1-yl und 1-Methyl-but-3-in-1-yl.
  • Acylreste können gegebenenfalls substituierte Reste organischer Säuren, die formal durch Abspaltung einer OH-Gruppe aus der organischen Säure entstehen umfassen, beispielsweise Reste einer Carbonsäure oder Reste davon abgeleiteter Säuren wie der Thiocarbonsäure, gegebenenfalls N-substituierten Iminocarbonsäuren oder die Reste von Kohlensäuremonoestern, gegebenenfalls N-substituierter Carbaminsäuren, Sulfonsäuren, Sulfinsäuren, Phosphonsäuren, Phosphinsäuren. Die Acylreste können einen oder mehrere Substituenten aus der Gruppe der Halogene wie F, Cl und Br oder Acryloxy-, Amino-, Amid-, Aldehyd-, Alkoxy-, Alkoxycarbonyl-, Alkylcarbonyl-, Carboxy-, Cyano-, Epoxy-, Hydroxy-, Ke to-, Methacryloxy-, Mercapto-, Phosphorsäure-, Sulfonsäure- oder Vinylgruppen tragen.
  • Arylreste können gegebenenfalls substituierte mono-, bi- oder polycyclisches aromatische Systeme umfassen, beispielsweise Phenyl, Naphthyl, Tetrahydronaphthyl, Indenyl, Indanyl, Pentalenyl, Fluorenyl und ähnliches, vorzugsweise Phenyl. Die Arylreste können einen oder mehrere Substituenten aus der Gruppe der Halogene wie F, Cl und Br oder Acryloxy-, Amino-, Amid-, Aldehyd-, Alkoxy-, Alkoxycarbonyl-, Alkylcarbonyl-, Carboxy-, Cyano-, Epoxy-, Hydroxy-, Keto-, Methacryloxy-, Mercapto-, Phosphorsäure-, Sulfonsäure- oder Vinylgruppen tragen.
  • Vorzugsweise werden die Sol-Gel-formenden Komponenten der allgemeinen Formel I ausgewählt aus der Gruppe umfassend Tetraalkoxysilane, Aryltrialkoxysilane, Alkenylalkoxysilane, Glycidoxyalkyltrialkoxysilane, Aminoalkyltrialkoxysilane und (Meth)acryltrialkoxysilane sowie Mischungen davon. Besonders bevorzugt sind Glycidoxypropyltrimethoxysilan, Tetraethylorthosilicat, Aminopropyltriethoxysilan und Phenyltrimethoxysilan sowie Mischungen davon.
  • Die Hydrolyse der Sol-Gel-formenden Komponenten kann durch Zugabe von Wasser erfolgen.
  • Die Härte der siliziumbasierten Schichtmatrix kann durch Zugabe von Metallverbindungen der allgemeinen Formel II Me(OR4)y (II)gesteigert werden. Die Reste R4 können gleich oder verschieden sein und umfassen geradkettige oder verzweigte Alkylreste mit 1 bis 20 Kohlenstoffatomen, vorzugsweise Methyl, Ethyl, Propyl und Butyl. Der Wert von y entspricht der Valenz des Metalls. Das Metall kann ein Übergangsmetall oder ein Element der Bor- oder Kohlenstoffgruppe sein, vorzugsweise Ti, V, Zr, Al, B oder Sn. Vorzugsweise werden die Metallverbindungen der allgemeinen Formel II ausgewählt aus der Gruppe umfassend Ti(OR4)4, Sn(OR4)4, Zr(OR4)4 und Al(OR4)3. Bevorzugte Beispiele sind Titantetraisopropylat, Aluminiumtriisopropylat, Aluminiumtri-sec-butylat, Zirkoniumtetrabutylat und Zirconiumtetrapropylat.
  • Bevorzugt werden die Metallverbindungen der allgemeinen Formel II vor der hydrolytischen Kondensation mit einem gängigen Chelatliganden im Molverhältnis 1:0,5 bis 1:2 chelatisiert, bevorzugt ist das Molverhältnis 1:1. Als Chelatliganden können alle gängigen Chelatliganden verwendet werden, bevorzugt ist Acetessigsäureethylester.
  • Das Sol kann zusätzlich mit harten Nanopartikeln versetzt werden, so dass die Beschichtung Nanopartikel enthält bzw. durch Nanopartikel verstärkt ist. Die Nanopartikel können mindestens eines aus Metalloxiden, Metallcarbiden und Metallnitriden umfassen, wobei das Metall aus Silizium, einem Übergangsmetall oder einem Element der Borgruppe ausgewählt ist. Bevorzugte Beispiele sind SiC, Si3N4, Al2O3, ZrO2, TiO2, SiO2, CeO2 und B4C. Daneben können auch Si, SiAlOn, B, Fe, Ni, C, Ag, ZnO2, ZnS, WC, WS2, MoS2, WCCo, sogenannte „Carbon Nano Tubes", Fullerene, Whiskers, Fe2O3, MoSi2, ZrC, MgO, MgAlO4, BN, SiOC, TiB, Teflon, Graphit, Diamant, TiN, ZnO, SrO, CaO, TiC, TaC, Mo2C, ZrC, Be2C, HfC, VC, NbC, MoC, V2C, B2O3, TiB2, ZrB2, ThB2, CeB2, Mo2B, MoB, WB, ZrN, AlN, Mo2Si und WSi2 verwendet werden. Die Nanopartikel können eine mittlere Partikelgröße (d50) zwischen 5 nm und 100 nm, vorzugsweise 10 nm, aufweisen und können in einer Konzentration zwischen 0,1 Gew.-% und 50 Gew.-% bezogen auf die feste, ausgehärtete Beschichtung, vorzugsweise 1 Gew.-% bezogen auf die feste, ausgehärtete Beschichtung, eingesetzt werden.
  • Die Verarbeitungseigenschaften des Sol-Gels können über Lösungsmittel sowie Additive eingestellt werden. Geeignet als Lösungsmittel sind z.B. Isopropanol, 1-Butanol, Buthoxyethanol und Glykol. Die Additive können beispielsweise Verlaufsmittel, Dispergierhilfen, UV-Stabilisatoren und Silikone sowie Kondensationskatalysatoren wie z.B. Säuren oder Basen umfassen. Zur Steigerung der Flexibilität kann das fertige Sol kann zudem mit einem Epoxidharz versehen werden.
  • In bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird mittels eines Sol-Gel-Prozesses aus Mischungen von Glycidoxypropyltrimethoxysilan, Tetraethylorthosilikat, Wasser und Nanopartikeln aus Al2O3, SiO2 oder ZrO2 die erfindungsgemäße erosionsbeständige Beschichtung hergestellt. Besonders bevorzugt werden die Nanopartikel hierbei in einer Konzentration von etwa 1 Gew.-% bezogen auf die feste, ausgehärtete Beschichtung eingesetzt. Vorzugsweise wird das Molverhältnis von Glycidoxypropyltrimethoxysilan zu Tetraethylorthosilikat zwischen 0,5 : 1 und 1 : 0,5, besonders bevorzugt bei etwa 1 : 1 eingestellt.
  • Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die erfindungsgemäße erosionsbeständige Hybridbeschichtung mittels eines Sol-Gel-Prozesses aus Glycidoxypropyltrimethoxysilan, Aminopropyltriethoxysilan, Phenyltrimethoxysilan unter Zusatz von Aluminium-sec-butylat hergestellt. Das bevorzugte Molverhältnis dieser Komponenten liegt bei etwa 6,5 : 0,4 : 1 : 2. Als Nanopartikel werden vorzugsweise ZrO2, SiO2 oder Al2O3 in Mengen von 1 bis 5 Gew.-%, bezogen auf die feste, ausgehärtete Beschichtung, zugesetzt. Besonders bevorzugt wird das Aluminium-sec-butylat im Mengenverhältnis von etwa 1 : 1 (Molverhältnis) mit Acetessigsäureethylester vor dessen Zugabe zu den Silankomponenten versetzt.
  • Das Sol kann mittels üblicher Applikationsverfahren wie Tauchen, Schleudern, Fluten, Pinseln oder Sprühen appliziert werden. Die Beschichtung kann thermisch, z.B. bei einer Temperatur zwischen 60°C und 180°C, ausgehärtet werden, vor zugsweise bei etwa 120°C. Die Beschichtung kann alternativ oder zusätzlich auch durch Bestrahlung, z.B. mit UV-Licht, Infrarot oder dergleichen ausgehärtet werden. Gegebenenfalls kann, sofern erforderlich, hierzu ein geeigneter Radikalstarter, z.B. Bu3SnH, zugesetzt werden.
  • Die Beschichtung wird vorzugsweise auf eine Schichtdicke zwischen 100 nm und 30 μm eingestellt, vorzugsweise beträgt die Schichtdicke etwa 10 μm. Durch Mehrfachbeschichtung können Schichtdicke und Erosionsbeständigkeit gegebenenfalls weiter erhöht werden.
  • Die erosionsbeständige, nanopartikelverstärkte, anorganisch-organische Hybridbeschichtung kann direkt auf dem Substrat oder auf ein vorbeschichtetes Substrat appliziert werden, wobei das Substrat aus Metall, Kunststoff, Keramik, Faserverbundwerkstoff oder Folie bestehen kann.
  • In bevorzugten Ausführungsformen ist das Substrat, auf welches die erfindungsgemäße Beschichtung aufgebracht wird, ausgewählt aus erosionsbelasteten Strukturen von Flugzeugen oder Hubschraubern, wie beispielsweise Flügelvorderkanten, Seitenleitwerke, Höhenleitwerke, Fenster, Radom, Rotorblatt und dergleichen.
  • 2 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, bei der die erosionsbeständige, nanopartikelverstärkte, anorganisch-organische Hybridbeschichtung auf einen Schichtaufbau bestehend aus Substrat, Oberflächenvorbehandlung, Primer und farbgebendem Basecoat appliziert und als Schutzschicht für erosionsbelastete Luftfahrtstrukturen verwendet wird. Vorzugsweise beträgt hierbei die Schichtdicke der Oberflächenvorbehandlung etwa 3 μm, die des Primer etwa 10 bis 30 μm, die des farbgebenden Basecoats etwa 10 bis 30 μm und die der erfindungsgemäßen Hybridbeschichtung etwa 5 bis 20 μm.
  • Lichtmikroskopaufnahmen zweier Beschichtungsoberflächen nach identischer Regenerosionsbelastung (Aufprallgeschwindigkeit 335 m/s) sind in 3 gezeigt. Während das kommerzielle Produkt auf organischer Polymerbasis in 3(a) bereits vollständig abgetragen ist, weist die erfindungsgemäße Sol-Gel-Beschichtung in 3(b) lediglich geringe Erosionsspuren auf.
  • 4 zeigt die Regenerosionsbeständigkeit verschiedener Beschichtungsoberflächen, die anhand der maximalen Anzahl an Überfahrten mit einem Hochgeschwindigkeitströpfchenstrahl (223 m/s) bis zur ersten Schädigung bestimmt wurde. Die erfindungsgemäße Sol-Gel-Beschichtung A zeigt im Vergleich zu den Beschichtungen B bis D, die aus kommerziellen Produkten auf organischer Polymerbasis hergestellt wurden, eine vielfach höhere Erosionsbeständigkeit.
  • Ausführungsbeispiele
  • Die in dieser Beschreibung, den Ansprüchen und den nachfolgenden Beispielen angegebenen Gew.-%-Angaben beziehen sich auf fest in fest, d.h. die Gewichtsprozent fester Partikel in der festen ausgehärteten Schicht. Der Quotient rw beschreibt das Molverhältnis der zugegebenen Wassermenge zu der für eine vollständige Hydrolyse aller beteiligten Sol-Gel-Komponenten theoretisch benötigten Wassermenge. AITM 1-0027 ist eine Testmethode zur Charakterisierung der Regenerosionsbeständigkeit von Beschichtungen und Grundmaterialien, wobei die Abkürzung AITM für „Airbus Industries Test Method" steht.
  • Beispiel 1
  • Glycidoxypropyltrimethoxysilan und Tetraethylorthosilicat wurden im Molverhältnis 0,5:1 vorgelegt. Nach Abschluss der Hydrolyse durch Zugabe von Wasser (rw=1) wurden 1 Gew.-% Al2O3 (fest in fest) Partikel in der Größe von d50=20 nm zugegeben. Das Sol wurde über einen Tauchprozess (Tauchgeschwindigkeit 30 cm/min) auf ein Testsubstrat appliziert und bei 120°C für eine Stunde in einem Umluftofen ausgehärtet.
  • Beispiel 2
  • Glycidoxypropyltrimethoxysilan und Tetraethylorthosilicat wurden im Molverhältnis 1:1 vorgelegt. Nach Abschluss der Hydrolyse durch Zugabe von Wasser (rw=1) wurden 1 Gew.-% Al2O3 (fest in fest) Partikel in der Größe von d50=20 nm zugegeben. Das Sol wurde über einen Tauchprozess (Tauchgeschwindigkeit 30 cm/min) auf ein Testsubstrat appliziert und bei 120°C für eine Stunde in einem Umluftofen ausgehärtet.
  • Beispiel 3
  • Glycidoxypropyltrimethoxysilan und Tetraethylorthosilicat wurden im Molverhältnis 1:0,5 vorgelegt. Nach Abschluss der Hydrolyse durch Zugabe von Wasser (rw=1) wurden 1 Gew.-% Al2O3 (fest in fest) Partikel in der Größe von d50=20 nm zugegeben. Das Sol wurde über einen Tauchprozess (Tauchgeschwindigkeit 30 cm/min) auf ein Testsubstrat appliziert und bei 120°C für eine Stunde in einem Umluftofen ausgehärtet.
  • Beispiel 4
  • Glycidoxypropyltrimethoxysilan und Tetraethylorthosilicat wurden im Molverhältnis 0,5:1 vorgelegt. Nach Abschluss der Hydrolyse durch Zugabe von Wasser (rw=1) wurden 1 Gew.-% SiO2 (fest in fest) Partikel in der Größe von d50=20 nm zugegeben. Das Sol wurde über einen Tauchprozess (Tauchgeschwindigkeit 30 cm/min) auf ein Testsubstrat appliziert und bei 120°C für eine Stunde in einem Umluftofen ausgehärtet.
  • Beispiel 5
  • Glycidoxypropyltrimethoxysilan und Tetraethylorthosilicat wurden im Molverhältnis 1:1 vorgelegt. Nach Abschluss der Hydrolyse durch Zugabe von Wasser (rw=1) wurden 1 Gew.-% SiO2 (fest in fest) Partikel in der Größe von d50=20 nm zugegeben. Das Sol wurde über einen Tauchprozess (Tauchgeschwindigkeit 30 cm/min) auf ein Testsubstrat appliziert und bei 120°C für eine Stunde in einem Umluftofen ausgehärtet.
  • Beispiel 6
  • Glycidoxypropyltrimethoxysilan und Tetraethylorthosilicat wurden im Molverhältnis 1:0,5 vorgelegt. Nach Abschluss der Hydrolyse durch Zugabe von Wasser (rw=1) wurden 1 Gew.-% SiO2 (fest in fest) Partikel in der Größe von d50=20 nm zugegeben. Das Sol wurde über einen Tauchprozess (Tauchgeschwindigkeit 30 cm/min) auf ein Testsubstrat appliziert und bei 120°C für eine Stunde in einem Umluftofen ausgehärtet.
  • Beispiel 7
  • Glycidoxypropyltrimethoxysilan und Tetraethylorthosilicat wurden im Molverhältnis 0,5:1 vorgelegt. Nach Abschluss der Hydrolyse durch Zugabe von Wasser (rw=1) wurden 1 Gew.-% ZrO2 (fest in fest) Partikel in der Größe von d50=10 nm zugegeben. Das Sol wurde über einen Tauchprozess (Tauchgeschwindigkeit 30 cm/min) auf ein Testsubstrat appliziert und bei 120°C für eine Stunde in einem Umluftofen ausgehärtet.
  • Beispiel 8
  • Glycidoxypropyltrimethoxysilan und Tetraethylorthosilicat wurden im Molverhältnis 1:1 vorgelegt. Nach Abschluss der Hydrolyse durch Zugabe von Wasser (rw=1) wurden 1 Gew.-% ZrO2 (fest in fest) Partikel in der Größe von d50=10 nm zugegeben. Das Sol wurde über einen Tauchprozess (Tauchgeschwindigkeit 30 cm/min) auf ein Testsubstrat appliziert und bei 120°C für eine Stunde in einem Umluftofen ausgehärtet.
  • Beispiel 9
  • Glycidoxypropyltrimethoxysilan und Tetraethylorthosilicat wurden im Molverhältnis 1:0,5 vorgelegt. Nach Abschluss der Hydrolyse durch Zugabe von Wasser (rw=1) wurden 1 Gew.-% ZrO2 (fest in fest) Partikel in der Größe von d50=10 nm zugegeben. Das Sol wurde über einen Tauchprozess (Tauchgeschwindigkeit 30 cm/min) auf ein Testsubstrat appliziert und bei 120°C für eine Stunde in einem Umluftofen ausgehärtet.
  • Beispiel 10
  • Glycidoxypropyltrimethoxysilan, Aminopropyltriethoxysilan, Phenyltrimethoxysilan und Aluminium-sec-butylat wurden im Molverhältnis 6,5:0,4:1:2 unter Eiskühlung vorgelegt. Aluminium-sec-butylat wurde vor der Zugabe mit Acetessigsäureethylester im Molverhältnis 1:1 versetzt. Nach Abschluss der Hydrolyse durch Zugabe von Wasser (rw=1,14) wurden 1 Gew.-% ZrO2 (fest in fest) Partikel in der Größe von d50=10 nm zugege. Das Sol wurde über einen Tauchprozess (Tauchgeschwindigkeit 30 cm/min) auf ein Testsubstrat appliziert und bei 120°C für eine Stunde in einem Umluftofen ausgehärtet.
  • Beispiel 11
  • Glycidoxypropyltrimethoxysilan, Aminopropyltriethoxysilan, Phenyltrimethoxysilan und Aluminium-sec-butylat wurden im Molverhältnis 6,5:0,4:1:2 unter Eiskühlung vorgelegt. Aluminium-sec-butylat wurde vor der Zugabe mit Acetessigsäureethylester im Molverhältnis 1:1 versetzt. Nach Abschluss der Hydrolyse durch Zugabe von Wasser (rw=1,14) wurden 2 Gew.-% ZrO2 (fest in fest) Partikel in der Größe von d50=10 nm zugegeben. Das Sol wurde über einen Tauchprozess (Tauchge schwindigkeit 30 cm/min) auf ein Testsubstrat appliziert und bei 120°C für eine Stunde in einem Umluftofen ausgehärtet.
  • Beispiel 12
  • Glycidoxypropyltrimethoxysilan, Aminopropyltriethoxysilan, Phenyltrimethoxysilan und Aluminium-sec-butylat wurden im Molverhältnis 6,5:0,4:1:2 unter Eiskühlung vorgelegt. Aluminium-sec-butylat wurde vor der Zugabe mit Acetessigsäureethylester im Molverhältnis 1:1 versetzt. Nach Abschluss der Hydrolyse durch Zugabe von Wasser (rw=1,14) wurden 5 Gew.-% ZrO2 (fest in fest) Partikel in der Größe von d50=10 nm zugegeben. Das Sol wurde über einen Tauchprozess (Tauchgeschwindigkeit 30 cm/min) auf ein Testsubstrat appliziert und bei 120°C für eine Stunde in einem Umluftofen ausgehärtet.
  • Beispiel 13
  • Glycidoxypropyltrimethoxysilan, Aminopropyltriethoxysilan, Phenyltrimethoxysilan und Aluminium-sec-butylat wurden im Molverhältnis 6,5:0,4:1:2 unter Eiskühlung vorgelegt. Aluminium-sec-butylat wurde vor der Zugabe mit Acetessigsäureethylester im Molverhältnis 1:1 versetzt. Nach Abschluss der Hydrolyse durch Zugabe von Wasser (rw=1,14) wurde 1 Gew.-% SiO2 (fest in fest) Partikel in der Größe von d50=20 nm zugegeben. Das Sol wurde über einen Tauchprozess (Tauchgeschwindigkeit 30 cm/min) auf ein Testsubstrat appliziert und bei 120°C für eine Stunde in einem Umluftofen ausgehärtet.
  • Beispiel 14
  • Glycidoxypropyltrimethoxysilan, Aminopropyltriethoxysilan, Phenyltrimethoxysilan und Aluminium-sec-butylat wurden im Molverhältnis 6,5:0,4:1:2 unter Eiskühlung vorgelegt. Aluminium-sec-butylat wurde vor der Zugabe mit Acetessigsäureethylester im Molverhältnis 1:1 versetzt. Nach Abschluss der Hydrolyse durch Zugabe von Wasser (rw=1,14) wurden 2 Gew.-% SiO2 (fest in fest) Partikel in der Größe von d50=20 nm zugegeben. Das Sol wurde über einen Tauchprozess (Tauchgeschwindigkeit 30 cm/min) auf ein Testsubstrat appliziert und bei 120°C für eine Stunde in einem Umluftofen ausgehärtet.
  • Beispiel 15
  • Glycidoxypropyltrimethoxysilan, Aminopropyltriethoxysilan, Phenyltrimethoxysilan und Aluminium-sec-butylat wurden im Molverhältnis 6,5:0,4:1:2 unter Eiskühlung vorgelegt. Aluminium-sec-butylat wurde vor der Zugabe mit Acetessigsäureethylester im Molverhältnis 1:1 versetzt. Nach Abschluss der Hydrolyse durch Zugabe von Wasser (rw=1,14) wurden 5 Gew.-% SiO2 (fest in fest) Partikel in der Größe von d50=20 nm zugegeben. Das Sol wurde über einen Tauchprozess (Tauchgeschwindigkeit 30 cm/min) auf ein Testsubstrat appliziert und bei 120°C für eine Stunde in einem Umluftofen ausgehärtet.
  • Beispiel 16
  • Glycidoxypropyltrimethoxysilan, Aminopropyltriethoxysilan, Phenyltrimethoxysilan und Aluminium-sec-butylat wurden im Molverhältnis 6,5:0,4:1:2 unter Eiskühlung vorgelegt. Aluminium-sec-butylat wurde vor der Zugabe mit Acetessigsäureethylester im Molverhältnis 1:1 versetzt. Nach Abschluss der Hydrolyse durch Zugabe von Wasser (rw=1,14) wurden 1 Gew.-% Al2O3 (fest in fest) Partikel in der Größe von d50=20 nm zugegeben. Das Sol wurde über einen Tauchprozess (Tauchgeschwindigkeit 30 cm/min) auf ein Testsubstrat appliziert und bei 120°C für eine Stunde in einem Umluftofen ausgehärtet.
  • Beispiel 17
  • Glycidoxypropyltrimethoxysilan, Aminopropyltriethoxysilan, Phenyltrimethoxysilan und Aluminium-sec-butylat wurden im Molverhältnis 6,5:0,4:1:2 unter Eiskühlung vorgelegt. Aluminium-sec-butylat wurde vor der Zugabe mit Acetessigsäureethy lester im Molverhältnis 1:1 versetzt. Nach Abschluss der Hydrolyse durch Zugabe von Wasser (rw=1,14) wurden 2 Gew.-% Al2O3 (fest in fest) Partikel in der Größe von d50=20 nm zugegeben. Das Sol wurde über einen Tauchprozess (Tauchgeschwindigkeit 30 cm/min) auf ein Testsubstrat appliziert und bei 120°C für eine Stunde in einem Umluftofen ausgehärtet.
  • Beispiel 18
  • Glycidoxypropyltrimethoxysilan, Aminopropyltriethoxysilan, Phenyltrimethoxysilan und Aluminium-sec-butylat wurden im Molverhältnis 6,5:0,4:1:2 unter Eiskühlung vorgelegt. Aluminium-sec-butylat wurde vor der Zugabe mit Acetessigsäureethylester im Molverhältnis 1:1 versetzt. Nach Abschluss der Hydrolyse durch Zugabe von Wasser (rw=1,14) wurden 5 Gew.-% Al2O3 (fest in fest) Partikel in der Größe von d50=20 nm zugegeben. Das Sol wurde über einen Tauchprozess (Tauchgeschwindigkeit 30 cm/min) auf ein Testsubstrat appliziert und bei 120°C für eine Stunde in einem Umluftofen ausgehärtet.
  • Die Beschichtungen aller Beispiele wurden hinsichtlich Haftung (Gitterschnitt), Flexibilität (Impact, Dornbiegeversuch) und ihrer Regenerosionsbeständigkeit in Anlehnung an AITM 1-0027 getestet (Geschwindigkeit der Regentropfen 223 m/s) und zeigten überdurchschnittliche Eigenschaften im Vergleich zu Beschichtungen auf organischer Polymerbasis.

Claims (29)

  1. Erosionsbeständige, anorganisch-organische Hybridbeschichtung, umfassend ein vernetztes, durch einen Sol-Gel-Prozess aus mindestens einer Alkoxysilanverbindung erhältliches Material, welches durch Nanopartikel verstärkt ist.
  2. Beschichtung nach Anspruch 1, wobei die Alkoxysilanverbindung die allgemeine Formel (I) R2 xSi(OR1)( 4-x ) (I)aufweist, worin die Substituenten R1 gleich oder verschieden sein können und ausgewählt sind aus der Gruppe umfassend Wasserstoff, geradkettiges, verzweigtes oder zyklisches, gegebenenfalls substituiertes Alkyl und Acyl mit 1 bis 20 Kohlenstoffatomen, und die Substituenten R2 gleich oder verschieden sein können und ausgewählt sind aus der Gruppe umfassend geradkettiges, verzweigtes oder zyklisches, gegebenenfalls substituiertes Alkyl, Alkenyl, Alkinyl, Aryl, Arylalkyl, Alkylaryl, Arylalkenyl, Alkenylaryl, Arylalkinyl und Alkinylaryl, wobei diese durch O- oder S-Atome oder die Gruppe -NR3- unterbrochen sein können, wobei R3 Wasserstoff oder geradkettiges, verzweigtes oder zyklisches, gegebenenfalls substituiertes Alkyl mit 1 bis 20 Kohlenstoffatomen ist, und x = 0, 1, 2 oder 3 ist.
  3. Beschichtung nach Anspruch 2, wobei die Alkylreste der Substituenten R1 und R2 unabhängig voneinander ausgewählt sind aus der Gruppe umfassend Methyl, Ethyl, n-Propyl, Isopropyl, n-Butyl, sek.-Butyl, tert.-Butyl, Isobutyl, n-Pentyl, n-Hexyl, Dodecyl, Octadecyl und Cyclohexyl.
  4. Beschichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Alkoxysilanverbindung ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Tetraalkoxysilane, Aryltrialkoxysilane, Alkenylalkoxysilane, Glycidoxyalkyltrialkoxysilane, Aminoalkyltrialkoxysilane und (Meth)acryltrialkoxysilane, sowie Mischungen davon.
  5. Beschichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Alkoxysilanverbindung ausgewählt sind aus der Gruppe umfassend Glycidoxypropyltrimethoxysilan, Tetraethylorthosilicat, Aminopropyltriethoxysilan und Phenyltrimethoxysilan sowie Mischungen davon.
  6. Beschichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Alkoxysilanverbindung ferner mindestens eine Metallverbindung der allgemeinen Formel (II) Me(OR4)y (II)zugesetzt wurde, worin Me für ein Übergangsmetall oder ein Element der Bor- oder Kohlenstoffgruppe steht, der Wert von y der Valenz von Me entspricht, und die Substituenten R4 gleich oder verschieden sein können und gegebenenfalls substituierte, geradkettige oder verzweigte Alkylreste mit 1 bis 20 Kohlenstoffatomen umfassen.
  7. Beschichtung nach Anspruch 6, wobei die Alkylreste der Substituenten R4 ausgewählt sind aus der Gruppe umfassend Methyl, Ethyl, Propyl und Butyl.
  8. Beschichtung nach Anspruch 6 oder 7, wobei Me ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Ti, V, Zr, Al, B und Sn.
  9. Beschichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei die Metallverbindung der allgemeinen Formel II ausgewählt ist aus der Gruppe Titantetraisopropylat, Aluminiumtriisopropylat, Aluminiumtri-sec-butylat, Zirkoniumtetrabutylat und Zirconiumtetrapropylat.
  10. Beschichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Nanopartikel ausgewählt sind aus der Gruppe umfassend Metalloxide, Metallcarbide und Metalinitride, wobei das Metall aus Silizium, einem Übergangsmetall oder einem Element der Borgruppe besteht.
  11. Beschichtung nach Anspruch 10, wobei die Nanopartikel ausgewählt sind aus mindestens einem von SiC, Si3N4, Al2O3, ZrO2, TiO2, SiO2, CeO2 und B4C.
  12. Beschichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Nanopartikel eine mittlere Partikelgröße zwischen 5 nm und 100 nm aufweisen.
  13. Beschichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Nanopartikel eine mittlere Partikelgröße von 10 nm aufweisen.
  14. Beschichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Beschichtung eine Schichtdicke zwischen 100 nm und 30 μm aufweist.
  15. Beschichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Beschichtung eine Schichtdicke von 10 μm aufweist.
  16. Beschichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Beschichtung transparent ist.
  17. Verfahren zur Herstellung einer Beschichtung nach Anspruch 1, umfassend a) die Bildung eines Sol-Gels aus (i) mindestens einer vernetzbaren Alkoxysilanverbindung der allgemeinen Formel (I): R2 xSi(OR1)( 4-x ) (I), worin die Substituenten R1 gleich oder verschieden sein können und ausgewählt sind aus der Gruppe umfassend Wasserstoff, geradkettiges, verzweigtes oder zyklisches, gegebenenfalls substituiertes Alkyl und Acyl mit 1 bis 20 Kohlenstoffatomen, und die Substituenten R2 gleich oder verschieden sein können und ausgewählt sind aus der Gruppe umfassend geradkettiges, verzweigtes oder zyklisches, gegebenenfalls substituiertes Alkyl, Alkenyl, Alkinyl, Aryl, Arylalkyl, Alkylaryl, Arylalkenyl, Alkenylaryl, Arylalkinyl und Alkinylaryl, wobei diese durch O- oder S-Atome oder die Gruppe -NR3- unterbrochen sein können, wobei R3 Wasserstoff oder geradkettiges, verzweigtes oder zyklisches, gegebenenfalls substituiertes Alkyl mit 1 bis 20 Kohlenstoffatomen ist, und x = 0, 1, 2 oder 3 ist; (ii) Nanopartikeln, ausgewählt aus der Gruppe umfassend mindestens eines aus Metalloxiden, Metallcarbiden und Metallnitriden, wobei das Metall aus Silizium, einem Übergangsmetall oder einem Element der Borgruppe besteht, und b) Applikation des Sol-Gels auf ein Substrat, und c) Aushärtung des Sol-Gels.
  18. Verfahren nach Anspruch 17, wobei dem Sol-Gel zusätzlich mindestens eine Metallverbindung der allgemeinen Formel (II): Me(OR4)y (II)zugesetzt wurde, worin Me für ein Übergangsmetall oder ein Element der Bor- oder Kohlenstoffgruppe steht, der Wert von y der Valenz von Me entspricht, und die Substituenten R4 gleich oder verschieden sein können und gegebenenfalls substituierte, geradkettige oder verzweigte Alkylreste mit 1 bis 20 Kohlenstoffatomen umfassen.
  19. Beschichtung nach einem der Ansprüche 17 oder 18, wobei die Konzentration der Nanopartikel zwischen 0,1 Gew.-% und 50 Gew.-% bezogen auf die feste, ausgehärtete Beschichtung beträgt.
  20. Beschichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 19, wobei die Konzentration der Nanopartikel 1 Gew.-% bezogen auf die feste, ausgehärtete Beschichtung beträgt.
  21. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 21, wobei das Sol-Gel direkt auf ein Substrat oder auf ein vorbeschichtetes Substrat mittels Tauchen, Schleudern, Fluten, Pinseln oder Sprühen appliziert wird.
  22. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 21, wobei das Sol-Gel in mehreren Schichten appliziert wird.
  23. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 22, wobei das Sol-Gel auf einen Schichtaufbau bestehend aus Substrat, Oberflächenvorbehandlung, Primer und farbgebendem Basecoat appliziert wird.
  24. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 23, wobei die Beschichtung thermisch bei 60°C bis 180°C, vorzugsweise bei 120°C, ausgehärtet wird.
  25. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 24, wobei die Beschichtung mittels UV-Licht unter Verwendung eines Radikalstarters ausgehärtet wird.
  26. Verwendung der Beschichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16 als Erosionsschutz.
  27. Verwendung der Beschichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16 zum Schutz erosionsbelasteter Luftfahrtstrukturen.
  28. Erosionsbelastete Luftfahrtstrukturen umfassend eine Beschichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16.
  29. Luftfahrtstruktur nach Anspruch 16, ausgewählt aus Rotorblattvorderkanten, Flügelvorderkanten, Vorderkanten des Seiten- oder Höhenleitwerks, Radom oder Fenstern von Flugzeugen oder Hubschraubern oder Teilen davon.
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