DE102007027628B3 - Method of introducing nanoparticles into anodized aluminum surface - Google Patents

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Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Behandeln einer anodisch oxidierten Aluminiumoberfläche (11) mit Poren (13), wobei in diese Poren Nanopartikel (14) eingebracht werden. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Nanopartikel vor dem Einbringen in einem flüssigen Dispersionsmittel dispergiert werden und nach dem Einbringen einer Nachbehandlung unterworfen werden. Hierbei erfolgt ein Energieeintrag in die Poren (13), die zu einer Reaktion der Nanopartikel (14) mit weiteren Bestandteilen der Dispersion führt, so dass zumindest deren Oberfläche umgewandelt wird. Auf diesem Weg lassen sich beispielsweise hervorragend in den Poren (13) haftende Nanopartikel (14) aus Silikaten, insbesondere Borsilikat, herstellen, wobei diese Nanopartikel beispielsweise zur Aufnahme eines Katalysatormaterials in den Poren dienen können.The invention relates to a method for treating anodized aluminum surface (11) with pores (13), wherein nanoparticles (14) are introduced into these pores. According to the invention, it is provided that the nanoparticles are dispersed in a liquid dispersion medium prior to introduction and subjected to after-treatment after introduction. In this case, an energy is introduced into the pores (13), which leads to a reaction of the nanoparticles (14) with further constituents of the dispersion, so that at least their surface is converted. In this way, for example, nanoparticles (14) of silicates, in particular borosilicate, which are outstandingly adherent in the pores (13) can be produced, these nanoparticles for example serving to receive a catalyst material in the pores.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Behandeln einer anodisch oxidierten Aluminiumoberfläche, in der offene Poren gebildet sind, wobei das Behandeln ein Einbringen von Nanopartikeln in die Poren umfasst.The The invention relates to a method of treating an anodized oxide Aluminum surface in which open pores are formed, wherein the treating involves introducing nanoparticles into the pores includes.

Ein Verfahren der eingangs angegebenen Art ist in der DE 10 2005 033 118 A1 beschrieben. Danach kann ein Katalysatorsystem für einen Verbrennungsmotor dadurch erzeugt werden, dass beispielsweise die Fläche des Kolbens aus Aluminium hergestellt wird. Die dem Brennraum zugewandte Fläche des Kolbens wird eloxiert, so dass hierdurch Poren in der Oberfläche entstehen. In diese Poren können bereits während des Eloxierens Nanopartikel eingebracht werden, die eine katalytische Wirkung bezüglich des in der Brennkraftmaschine ablaufenden Verbrennungsprozesses aufweisen.A method of the type specified is in the DE 10 2005 033 118 A1 described. Thereafter, a catalyst system for an internal combustion engine may be created by, for example, making the surface of the piston of aluminum. The surface of the piston facing the combustion chamber is anodized so that pores are formed in the surface. Nanoparticles, which have a catalytic effect with respect to the combustion process taking place in the internal combustion engine, can already be introduced into these pores during the anodization.

Weiterhin beschreibt der Abstract 2006-300175 WPIDS der Anmeldung CN 169 89 98 A , dass in Poren von anodisch oxidiertem Aluminium ein Schmiermittel aus Nanopartikeln eingebracht werden kann. Hierzu wird von dem Schmiermittel eine wässerige Dispersion hergestellt, wobei das Wasser durch eine anschließende Wärmebehandlung verdunstet und das Schmiermittel in den Poren auf diese Weise fixiert wird.Furthermore, Abstract 2006-300175 describes WPIDS of the application CN 169 89 98 A in that a lubricant of nanoparticles can be introduced into pores of anodized aluminum. For this purpose, an aqueous dispersion of the lubricant is prepared, wherein the water evaporates by a subsequent heat treatment and the lubricant is fixed in the pores in this way.

Zuletzt ist es aus der EP 1 580 305 A2 bekannt, Metallpartikel in die anodisch hergestellten Poren einer Aluminiumoberfläche einzubringen, indem mit diesem zunächst eine Flüssigdispersion hergestellt wird, diese Dispersion dann in die Po ren eingebracht wird und durch einen Trocknungsschritt der Dispergator (Flüssigkeit) aus den Poren entfernt wird.Last it is from the EP 1 580 305 A2 It is known to introduce metal particles into the anodically produced pores of an aluminum surface by first producing a liquid dispersion therewith, this dispersion then being introduced into the pores and the dispersant (liquid) being removed from the pores by a drying step.

Weiterhin ist es aus der US 2003/0098240 A1 bekannt, dass Aluminiumoberflächen eine bestimmte Farbgebung erhalten können, indem diese zunächst anodisch oxidiert werden, wobei hierbei Poren entstehen. In diese Poren kann mittels eines weiteren elektrolytischen Prozesses ein Metall abgeschieden werden, welches eine bestimmte Farbgebung erzeugt.Furthermore, it is from the US 2003/0098240 A1 It is known that aluminum surfaces can be given a certain color by first being anodically oxidized, in which case pores are formed. In these pores, a metal can be deposited by means of a further electrolytic process, which produces a certain color.

Die Aufgabe der Erfindung liegt darin, ein Verfahren zum Behandeln einer anodisch oxidierten Aluminiumoberfläche anzugeben, mit dem sich Nanopartikel in den Poren der Aluminiumoberfläche abscheiden lassen, die einen erweiterten Funktionsumfang der Aluminiumschicht erlauben.The The object of the invention is to provide a method for treating a to indicate anodized aluminum surface, with nanoparticles in the pores of the aluminum surface can be deposited, the extended functional range of the aluminum layer allow.

Diese Aufgabe wird durch das eingangs genannte Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Nanopartikel vor dem Einbringen in die Poren in einem flüssigen Dispersionsmittel dispergiert werden und nach dem Einbringen in die Poren eine Nachbehandlung der Oberfläche unter einem Energieeintrag erfolgt, der eine chemische Reaktion der Nanopartikel mit weiteren Bestandteilen der Dispersion hervorruft, um zumindest die Oberfläche der Nanopartikel chemisch zu verändern. Es ist natürlich auch möglich, die Nanopartikel vollständig umzuwandeln.These The object is achieved by the method mentioned in the present invention solved that the nanoparticles before placing in the Pores are dispersed in a liquid dispersant and after the introduction into the pores, an aftertreatment of the surface occurs under an energy input, which is a chemical reaction the nanoparticles with other components of the dispersion causes, at least chemically to the surface of the nanoparticles change. Of course it is also possible to completely transform the nanoparticles.

Durch eine erfindungsgemäß in den Poren ablaufende Reaktion der Nanopartikel lässt sich vorteilhaft einerseits die Haftung der Nanopartikel in den Poren verbessern. Andererseits ist es möglich, Nanopartikel einer größeren Vielfalt in den Poren einzulagern. Beispielsweise lassen sich Nanopartikel in die Poren einbringen, mit denen die Herstellung einer flüssigen Dispersion Schwierigkeiten bereitet. Es können Nanopartikel verwendet werden, die sich leichter dispergieren lassen und die als Reaktionsedukt für die in den Poren zu erzeugenden Nanopartikel verwendet werden können.By an inventively occurring in the pores reaction The nanoparticles can be advantageous on the one hand the Improve adhesion of nanoparticles in the pores. On the other hand It's possible to make nanoparticles a bigger one To store variety in the pores. For example, nanoparticles can be used into the pores, with which the production of a liquid Dispersion difficulties. It can be nanoparticles be used, which can be dispersed more easily and the as Reaktionsedukt for those to be produced in the pores Nanoparticles can be used.

Weiterhin ist auch eine nur teilweise Umwandlung der Nanopartikel in den Poren möglich, so dass Nanopartikel in den Poren erzeugbar sind, deren Oberfläche Anteile sowohl des Reaktionseduktes als auch des Reaktionsproduktes aufweist.Farther is also a partial transformation of nanoparticles in the pores possible so that nanoparticles can be generated in the pores, the surface of which shares both the Reaktionseduktes and also has the reaction product.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass als Nanopartikel Aluminiumoxid und/oder Zirkonoxid und/oder Siliziumoxid zugegeben werden und in dem Dispersionsmittel Kieselsäure und/oder Borsäure enthalten sind, wobei bei der Nachbehandlung in den Poren Aluminiumsilikat und/oder Zirkonsilikat und/oder Borsilikat hergestellt werden. Damit lassen sich je nach Mischung der flüssigen Dispersion Silikate mit unterschiedlichen Anteilen an Aluminium-, Zirkon- und Borsilikat herstellen, wobei die Silikate hervorragend an den Wänden der Poren haften. Andererseits stellen die Silikat-Nanopartikel ihre Oberfläche vorteilhaft auch zur Anhaftung weiterer Substanzen zur Verfügung, welche an diesen ebenfalls hervorragend haften.According to one advantageous embodiment of the invention is provided that as Nanoparticles Aluminum oxide and / or zirconium oxide and / or silicon oxide are added and in the dispersant silica and / or boric acid, wherein in the after-treatment aluminum silicate and / or zirconium silicate and / or borosilicate in the pores getting produced. This can be depending on the mixture of liquid Dispersion silicates with different proportions of aluminum, Manufacture zirconium and borosilicate, the silicates excellent adhere to the walls of the pores. On the other hand, the Silicate nanoparticles their surface also advantageous for adhesion other substances available, which are also to these Adhere well.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn in einem nachfolgenden Schritt Katalysatormaterial in die Poren eingebracht wird, welches sich an den in den Poren befindlichen Silikaten anlagert. Die in den Poren befindlichen Silikate werden bei dieser Variante der Erfindung sozusagen lediglich als Haftvermittler verwendet, wobei die meisten Katalysatormaterialien hervorragend an den Silikaten haften. Hierdurch entsteht vorteilhaft eine weitgehende Gestaltungsfreiheit hinsichtlich der Wahl von Katalysatormaterialien, so dass eloxierte Aluminiumoberflächen für die unterschiedlichsten Reaktionen als Katalysatorfläche zur Verfügung gestellt werden können.Especially It is advantageous if, in a subsequent step, catalyst material is introduced into the pores, which adhere to those in the pores attached silicates attached. The silicates present in the pores be in this variant of the invention, so to speak, only as Primer used, with most catalyst materials outstanding adhere to the silicates. This advantageously creates a substantial Freedom of design with regard to the choice of catalyst materials, so that anodized aluminum surfaces for the various reactions as a catalyst surface available can be made.

Vorteilhaft ist es auch, dass vor der Nachbehandlung ein Trocknungsschritt erfolgt, bei dem das Dispersionsmittel zumindest zum Teil verdunstet. Dies ist in den Fällen von Vorteil, in denen das Dispersionsmittel selbst an der Schichtbildung nicht beteiligt ist. Eine Verdampfung des Dispersionsmittels führt vorteilhaft zu einer Verdichtung der Schichten, so dass die Reaktionspartner bei der nachfolgenden Nachbehandlung besser miteinander reagieren können. Außerdem wird bereits durch die Verdampfung des Dispersionsmittels die Haftung der Nanopartikel sowie der Reaktionspartner für die Nanopartikel in den Poren verbessert.It is also advantageous that before the post-treatment, a drying step takes place in which the Dispersants at least partially evaporated. This is advantageous in cases where the dispersant itself is not involved in film formation. An evaporation of the dispersant advantageously leads to a densification of the layers, so that the reactants can react better with one another in the subsequent aftertreatment. In addition, the evaporation of the dispersant already improves the adhesion of the nanoparticles as well as the reactants for the nanoparticles in the pores.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Die 1 zeigt schematisch einen Schnitt durch eine eloxierte Aluminiumoberfläche, in deren Poren Nanopartikel eingelagert sind, wobei diese Oberfläche nach einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt wurde.Further details of the invention are described below with reference to the drawing. The 1 schematically shows a section through an anodized aluminum surface, in whose pores nanoparticles are incorporated, this surface was prepared according to an embodiment of the method according to the invention.

Eine Oberfläche 11 wird durch ein Aluminiumsubstrat 12 gebildet, wobei durch ein anodisches Oxidieren Poren 13 in der Oberfläche 11 des Substrates 12 hergestellt wurden. Dabei wird das Aluminiumsubstrat in Aluminiumoxid 12a umgewandelt, wobei die entstehenden Poren verhältnismäßig regelmäßig angeordnet sind. In diese Poren 13 sind mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens Nanopartikel 14 eingebracht worden, wobei diese zum Teil im Schnitt dargestellt sind. Hier wird deutlich, dass die Nanopartikel 14 aus einem Kern 15 bestehen, der als Reaktionsedukt übriggeblieben ist, wobei die Hülle 16 das Reaktionsprodukt einer bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgten Nachbehandlung der Nanopartikel darstellt.A surface 11 is through an aluminum substrate 12 formed, wherein by anodic oxidation pores 13 in the surface 11 of the substrate 12 were manufactured. At this time, the aluminum substrate becomes alumina 12a converted, wherein the resulting pores are arranged relatively regularly. In these pores 13 are nanoparticles by means of the method according to the invention 14 have been introduced, these are shown in part in section. Here it becomes clear that the nanoparticles 14 from a core 15 exist, which has remained as a reaction educt, wherein the shell 16 the reaction product is a post-treatment of the nanoparticles carried out in the process according to the invention.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann beispielsweise mit folgenden Schritten durchgeführt werden.The inventive method can, for example with the following steps.

Zunächst wird die Oberfläche des Aluminiumsubstrates 12 vorbehandelt. Dies kann durch Schleifen, Bürsten, Polieren oder eine chemische Mattierung erfolgen.First, the surface of the aluminum substrate 12 pretreated. This can be done by grinding, brushing, polishing or chemical matting.

In einem nächsten Schritt wird die anodische Oxidation des Aluminiums oder der Aluminiumlegierung durchgeführt. Diese Behandlung wird auch als Eloxieren bezeichnet. Sie erfolgt in säurehaltigen Medien wie Schwefelsäure, Phosphorsäure, Oxalsäure, Methansulfonsäure oder Gemischen aus den genannten Säuren. Weiterhin wird eine Gleich- oder Wechselspannung angelegt, wobei das Aluminiumsubstrat 12 als Anode geschaltet ist. Bei diesen Prozessschritt kommt es je nach den Prozessbedingungen (Wahl der Säure, Konzentration, Temperatur, Spannung, Behandlungszeit zu einer Porenbildung, deren Größe im Nanometerbereich oder Mikrometerbereich liegen kann.In a next step, the anodic oxidation of the aluminum or aluminum alloy is carried out. This treatment is also referred to as anodizing. It is carried out in acidic media such as sulfuric acid, phosphoric acid, oxalic acid, methanesulfonic acid or mixtures of the acids mentioned. Furthermore, a DC or AC voltage is applied, wherein the aluminum substrate 12 is connected as an anode. Depending on the process conditions (choice of acid, concentration, temperature, voltage, treatment time), this process step results in pore formation whose size can be in the nanometer or micrometer range.

Anschließend wird eine Suspension aus den Nanoteilchen und einen Dispersionsmittel hergestellt. Als Nanoteilchen kommen bevorzugt Mischungen aus Zirkonoxid, Aluminiumoxid oder Siliziumoxid zum Einsatz. Weiterhin können jedoch auch Bornitrid, Titannitrid, Siliziumcarbid, Titanoxid und Zinkoxid zum Einsatz kommen. Es können auch Nanopartikel aus Silber zugegeben werden, deren Oberfläche zusätzlich partiell mit Palladium belegt sein kann (diese Partikel erzeugen eine keimabtötende Wirkung und werden an weiteren Reaktionen nicht beteiligt, um deren Oberfläche zu erhalten).Subsequently is a suspension of the nanoparticles and a dispersant produced. As nanoparticles, preference is given to mixtures of zirconium oxide, Alumina or silica used. Furthermore you can but also boron nitride, titanium nitride, silicon carbide, titanium oxide and Zinc oxide are used. It can also be made up of nanoparticles Silver may be added, their surface in addition partially occupied with palladium (these particles produce a germicidal effect and will be involved in further reactions not involved to obtain their surface).

Als Dispersionsmittel werden bevorzugt flüssige Alkohole verwendet. Der Alkohol kann in einwertiger Form (z. B. Ethanol, Methanol, n-Propanol, n-Butanol usw.) oder in mehrwertiger Form (z. B. Glykol oder Glyzerin) vorliegen. Dem Dispersionsmittel kann auch Wasser zugesetzt werden. Weiterhin enthält die Dispersion Kieselsäure und/oder Borsäure in flüssiger oder kristalliner Form.When Dispersants are preferably used liquid alcohols. The alcohol can be in monovalent form (eg, ethanol, methanol, n-propanol, n-butanol etc.) or in polyvalent form (eg, glycol or glycerin). Water may also be added to the dispersant. Farther the dispersion contains silica and / or boric acid in liquid or crystalline form.

Durch Modifikation der Zusammensetzung des Dispersionsmittels kann die Viskosität der Dispersion eingestellt werden. Je nach Viskosität erfolgt das Auftragen der Dispersion auf die Oberfläche 11 durch Tauchen, Schleudern, Spritzen, Rakeln, Streichen oder Reiben, wobei für den Fall, dass eine Anlagerung der Nanopartikel lediglich in den Poren erfolgen soll, die Dispersion vor einer weiteren Behandlung von der Oberfläche wieder entfernt wird, so dass nur die in die Poren eingedrungene Dispersion zurückbleibt. Alternativ kann selbstverständlich auch ein Teil der Dispersion auf der Oberfläche verbleiben, so dass hierdurch die Oberfläche eine Beschichtung erhält.By modifying the composition of the dispersing agent, the viscosity of the dispersion can be adjusted. Depending on the viscosity, the dispersion is applied to the surface 11 by dipping, spinning, spraying, knife coating, brushing or rubbing, wherein in the event that an attachment of the nanoparticles should take place only in the pores, the dispersion is removed from the surface before further treatment, so that only those in the pores penetrated dispersion remains. Alternatively, of course, a part of the dispersion may remain on the surface, so that the surface receives a coating.

Zusätzlich zu den Nanopartikeln ist auch eine Anfärbung der Oberfläche mit Farbstoffen auf Oxid- oder Silikatbasis möglich (beispielsweise Spinelle, Granate, Corunde, Cassiterite, Rutile, Periderite und Phenancite).additionally to the nanoparticles is also a staining of the surface possible with dyes based on oxide or silicate (for example Spinels, garnets, corundums, cassiterites, rutiles, periderites and Phenancite).

Nach einem fakultativen Trocknungsschritt, der beispielsweise durch eine Erwärmung des Substrates 12 unterstützt werden kann, erfolgt die Nachbehandlung durch eine thermische Sinterbehandlung, bei der das Substrat auf die für die Reaktion der Nanopartikel erforderliche Temperatur erhitzt wird. Während der Behandlung werden die Nanopartikel in Silikate umgewandelt. Je nach Behandlungszeit entsteht zunächst ein Silikatmantel auf den Nanopartikeln, die bei fortschreitender Behandlungszeit vollständig umgewandelt werden.After an optional drying step, for example, by heating the substrate 12 can be supported, the post-treatment is carried out by a thermal sintering treatment, in which the substrate is heated to the temperature required for the reaction of the nanoparticles. During treatment, the nanoparticles are converted to silicates. Depending on the treatment time, a silicate shell is initially formed on the nanoparticles, which are completely converted as the treatment time progresses.

Fakultativ ist ein weiterer Nachbehandlungsschritt zum Verdichten der Poren möglich. Die Oberfläche wird mit Wasser oder Wasserdampf bei 80 bis 100°C behandelt, wobei Zusätze wie eine Ammoniumacetatlösung zugegeben werden können. Zunächst findet bei dieser Behandlung auf der Schichtoberfläche und in den Poren eine Reaktion zwischen dem Aluminiumoxid und dem Wasser statt. Dabei entsteht das wasserreiche Bayerit. Dieses wandelt sich langsam bei steigender Temperatur in das stabile kristalline Böhmit um. Bei diesem Prozess kommt es durch die Wasseraufnahme zu einer Volumenzunahme, die zu einer Verengung der Poren führt. Hierbei werden die Nanopartikel in die sich verdickende Schicht des Böhmits eingebaut, wodurch ihre Haftung verbessert wird.Optionally, a further aftertreatment step for compacting the pores is possible. The surface is treated with water or steam at 80 to 100 ° C, with additives such as an ammonium acetate solution can be added. To Next, in this treatment, a reaction between the alumina and the water takes place on the layer surface and in the pores. This produces the water-rich bayerite. This slowly changes with increasing temperature in the stable crystalline boehmite. In this process, the water absorption leads to an increase in volume, which leads to a narrowing of the pores. Here, the nanoparticles are incorporated into the thickening layer of boehmite, whereby their adhesion is improved.

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Claims (4)

Verfahren zum Behandeln einer anodisch oxidierten Aluminiumoberfläche (11), in der offene Poren (13) gebildet sind, wobei das Behandeln ein Einbringen von Nanopartikeln (14) in die Poren (13) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanopartikel (14) vor dem Einbringen in die Poren (13) in einem flüssigen Dispersionsmittel dispergiert werden und nach dem Einbringen in die Poren (13) eine Nachbehandlung der Oberfläche (11) unter einem Energieeintrag erfolgt, der eine chemische Reaktion der Nanopartikel (14) mit weiteren Bestandteilen der Dispersion hervorruft, um zumindest die Oberfläche der Nanopartikel (14) chemisch zu verändern.Process for treating anodized aluminum surface ( 11 ), in the open pores ( 13 ), the treating comprising introducing nanoparticles ( 14 ) in the pores ( 13 ), characterized in that the nanoparticles ( 14 ) before introduction into the pores ( 13 ) are dispersed in a liquid dispersion medium and after introduction into the pores ( 13 ) a post-treatment of the surface ( 11 ) is carried out under an energy input that causes a chemical reaction of the nanoparticles ( 14 ) with further constituents of the dispersion in order to at least the surface of the nanoparticles ( 14 ) chemically change. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Nanopartikel (14) Aluminiumoxid und/oder Zirkonoxid und/oder Siliziumoxid zugegeben werden und in dem Dispersionsmittel Kieselsäure und/oder Borsäure enthalten sind, wobei bei der Nachbehandlung in den Poren (13) Aluminiumsilikat und/oder Zirkonsilikat und/oder Borsilikat hergestellt werden.Process according to claim 1, characterized in that as nanoparticles ( 14 ) Aluminum oxide and / or zirconium oxide and / or silicon oxide are added and in the dispersant silica and / or boric acid are contained, wherein during the post-treatment in the pores ( 13 ) Aluminum silicate and / or zirconium silicate and / or borosilicate. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in einem nachfolgenden Schritt ein Katalysatormaterial in die Poren (13) eingebracht wird, welches sich an den in den Poren befindlichen Silikaten anlagert.A method according to claim 2, characterized in that in a subsequent step, a catalyst material in the pores ( 13 ) is introduced, which attaches to the silicates present in the pores. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Nachbehandlung ein Trocknungsschritt erfolgt, bei dem das Dispersionsmittel zumindest zum Teil verdunstet.Method according to one of the preceding claims, characterized in that before the post-treatment a drying step takes place, in which the dispersant at least partially evaporates.
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