DE102009006783A1

DE102009006783A1 - Hydrophile Schicht und Beschichtungszusammensetzung zur Herstellung der Schicht sowie Verfahren zur Herstellung der Beschichtungszusammensetzung

Info

Publication number: DE102009006783A1
Application number: DE200910006783
Authority: DE
Inventors: Helfried Haufe; Gunter Risse
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-01-27
Filing date: 2009-01-27
Publication date: 2010-07-29

Abstract

Bisherige hydrophile Beschichtungen zur Ausrüstung von Oberflächen mit Antibeschlageigenschaften sind nicht ausreichend mechanisch stabil oder sind in ihrer Herstellung aufwändig. Die erfindungsgemäße Schicht soll eine permanente Hydrophilie aufweisen, mit geringem Aufwand herstellbar sein und eine gute mechanische Festigkeit besitzen. Durch Zusammenfügen von mindestens einem Polyanion und mindestens einem Polykation unter Einwirkung von Ultraschall in Wasser wird eine Dispersion hergestellt, aus der schon in einem Beschichtungsschritt, zum Beispiel mittels Dip-Coating oder Spray-Coating, eine hydrophile Schicht abgeschieden werden kann. Die erfindungsgemäße Schicht bewirkt einen Antibeschlageffekt bei damit ausgerüsteten Oberflächen.

Description

Die Erfindung betrifft eine hydrophile Schicht und eine Beschichtungszusammensetzung zur Herstellung der Schicht sowie ein Verfahren zur Herstellung der Beschichtungszusammensetzung. Die erfindungsgemäße Schicht ist insbesondere zur Ausrüstung von Oberflächen mit Antibeschlageigenschaften geeignet. Die mit der erfindungsgemäßen Beschichtungszusammensetzung hergestellte Schicht kann die Reinigung von damit beschichteten Oberflächen mittels Wasser erleichtern. Das kann zum Beispiel die Oberfläche von Duschwänden sein. Weiterhin kann die erfindungsgemäße Schicht zum Zweck der Führung oder der Übertragung von Wasser oder wässrigen Lösungen zur Anwendung kommen. Das kann zum Beispiel auf biologischen Arrays der Fall sein.
In United States Patent 4,898,908 wird vorgeschlagen, ein Hydrogel für Schichten mit Antibeschlageigenschaften einzusetzen. Hydrogele quellen unter Aufnahme von Wasser stark auf und besitzen in diesem Zustand eine sehr geringe mechanische Festigkeit. Ihre Anwendbarkeit ist demzufolge stark eingeschränkt.
In United States Patent Application 20070104922 wird eine superhydrophile Beschichtung mit Antibeschlageigenschaften beschrieben, welche aus Nanopartikeln besteht und einen Polyelektrolyten enthalten kann. Die Herstellung der Beschichtung erfolgt durch Erzeugung einer oder mehrerer Doppelschichten, wobei die Einzelschichten der Doppelschicht eine unterschiedliche Ladung aufweisen.
United States Patent Application 20080038458 beschreibt eine superhydrophile Schicht mit Antibeschlageigenschaften, die aus einer Schicht von Nanopartikeln und einer darüber angeordneten zweiten Schicht eines Polyelektrolyten besteht, wobei diese beiden Schichten eine unterschiedliche Ladung aufweisen. Bei dem Polyelektrolyten kann es sich um anorganische Nanopartikel handeln. Im Herstellungsprozess der Schicht wird diese einer Temperaturbehandlung bei erhöhtem Druck unterzogen, wobei die Schicht im Kontakt mit Wasser stehen kann.
United States Patent Application 20080268229 beschreibt eine superhydrophile Schicht mit Antibeschlageigenschaften, die aus zwei unterschiedlichen Fraktionen von Nanopartikeln mit unterschiedlicher elektrostatischer Ladung besteht, wobei die zwei unterschiedlichen Fraktionen unterschiedliche Korngröße aufweisen können. Zur Herstellung der Beschichtung werden Schichten, welche die unterschiedlichen Nanopartikelfraktionen beinhalten, übereinander angeordnet, so dass elektrostatische Mehrfachschichten entstehen.
Aus der Notwendigkeit der Mehrfachbeschichtung ergibt sich ein erhöhter Aufwand bei der Herstellung der oben aufgeführten hydrophilen Schichten.
In DE 10116200A1 wird eine superhydrophile Schicht beschrieben, die aus Nanopartikeln, einem Oberflächenmodifikator und einem Tensid besteht. Der Nachteil dieser Beschichtung besteht in einer geringen mechanischen Festigkeit durch das Fehlen einer stabilen Binderkomponente.
EP0603463 beansprucht ein permanent hydrophil modifiziertes Fluorpolymer sowie ein Verfahren zur Herstellung dieses Fluorpolymers, wobei die Oberfläche des Fluorpolymers von einem Polyelektrolytkomplex aus einem Polyanion und einem Polykation bedeckt wird und das Polyanion im Überschuss vorhanden ist. Die Herstellung des Polyelektrolytkomplexes erfolgt durch eine schrittweise Mehrfachbeschichtung des Substrates in separaten Reaktionslösungen. In EP0603463 wird darauf hingewiesen, dass diese Vorgehensweise zu bevorzugen ist, um eine unkontrollierte Komplexbildung in der Beschichtungslösung auszuschließen. Um bei diesem Verfahren die gewünschten Mengenverhältnisse von Polykation und Polyanion in der Gesamtschicht zu erreichen, werden aufwändige Prozesse eingesetzt, wie das Abquetschen oder Spülen des Substrates nach der ersten Beschichtung.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist deshalb eine permanent hydrophile Beschichtung, die mit geringem Aufwand herstellbar ist und eine gute mechanische Festigkeit aufweist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Beschichtungszusammensetzung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, die hydrophile Schicht nach einem der Ansprüche 11 bis 13 und durch ein Verfahren zur Herstellung der Beschichtungszusammensetzung mit den Merkmalen der Ansprüche 9 und 10 gelöst. Weitere spezielle oder bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die erfindungsgemäße hydrophile Schicht wird aus einer Beschichtungszusammensetzung abgeschieden, die mindestens ein Polyanion und mindestens ein Polykation und ein Lösungsmittel enthält, wobei das Polyanion und das Polykation im Lösungsmittel dispergiert vorliegen. Vorteilhaft enthält das Lösungsmittel Wasser, besonders vorteilhaft handelt es sich bei dem Lösungsmittel um Wasser.
Die Herstellung der Beschichtungslösung kann dadurch erfolgen, dass

– eine Lösung oder Dispersion von mindestens einem Polyanion oder einem Polykation in Wasser hergestellt wird
– zu dieser wässrigen Lösung oder Dispersion mindestens ein Polyelektrolyt mit einer gegenteiligen Ladung (Polyanion oder Polykation), welches in Form einer Lösung oder einer Dispersion vorliegen kann, bei Einwirkung von Ultraschall zugegeben wird.

Es ist bekannt, dass bei der Zusammenführung eines Polyanions und eines Polykations in einem geeigneten Lösungsmittel ein Polyelektrolytkomplex gebildet wird. Im erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung der Beschichtungszusammensetzung führt die Einwirkung von Ultraschall zur Dispergierung von komplexierten Polyionen im Lösungsmittel. Ohne Einwirkung von Ultraschall wurde in den meisten Fällen bei der Zusammenführung von Polyanionen und Polykationen in der Lösung die Bildung eines groben Niederschlages beobachtet. Eine auf diese Weise, ohne Ultraschalleinwirkung, hergestellte Lösung ist nicht zur Abscheidung von anwendbaren Schichten geeignet. Die Überführung der komplexierten Polyionen in eine stark dispergierte Form ist die Voraussetzung zur Abscheidung von stabilen und optisch klaren hydrophilen Schichten aus der erfindungsgemäßen Beschichtungszusammensetzung.
Es hat sich gezeigt, dass es zur Erzielung einer besonders starken Hydrophilie der Schicht vorteilhaft ist, wenn eine Polyionenart in der Beschichtungslösung im Überschuss vorhanden ist. Diese überschüssigen Polyionen sollten in diesem Fall in der Dispersion in nicht komplexierter Form vorliegen.
Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Schicht sind Polyanionen wie beispielsweise Polyacrylsäure, Polystyrolsulfonsäure, Acrylsäure-Maleinsäure-Copolymer und säurefunktionalisierte Polysiloxane einsetzbar.
Als Polykation sind beispielsweise Polyvinylpyrrolidon, Polyvinylamin, Chitosan, Polyethylenimin, Polydiallyldimethylammoniumchlorid) und aminofunktionalisierte Polysiloxane einsetzbar.
Im Gegensatz zu den in EP0603463 beschriebenen Beschichtungsprozessen ist bei der erfindungsgemäßen Vorgehensweise eine kontrollierte Komplexbildung bereits in der Beschichtungslösung realisierbar, so dass die erfindungsgemäße Beschichtungslösung zur Abscheidung einer stabilen hydrophilen Schicht schon in einem Beschichtungsschritt geeignet ist.
Insbesondere bei dem Einsatz der erfindungsgemäßen Schicht zur Ausrüstung von Oberflächen mit Antibeschlageigenschaften ist es vorteilhaft, wenn die Schicht anorganische Nanopartikel enthält, da so eine Oberflächenstruktur der Schicht erhalten werden kann, die sich vorteilhaft auf die Benetzungseigenschaften der Schicht auswirkt. Das kann realisiert werden, indem der Beschichtungszusammensetzung eine handelsübliche Dispersion von nanoskaligen SiO₂-Partikeln zugesetzt wird.
Ausführungsbeispiel
20 g einer 5%igen Polyacrylsäurelösung werden in einem zylindrischen Glasgefäß von 20 mm Durchmesser vorgelegt. Dazu werden 20 mg Chitosan (low molecular weight, Fluka) gegeben. Die Mischung wird mittels eines Ultraschallprozessors mit einer Leistung von 100 W mit Ultraschall behandelt. Die Lösung erwärmt sich aufgrund der Ultraschalleinwirkung bis auf ca. 70°C. Innerhalb von ca. 15 Minuten löst sich das Chitosan bis auf geringe Reste auf. Die erhaltene Lösung wird mittels Dip-Coating auf eine gereinigte Glasplatte aufgebracht und bei 50°C für 2 Stunden getrocknet. Die so hergestellte hydrophile Schicht hat einen Wasserrandwinkel von unter 5° und besitzt Antibeschlageigenschaften. Die Hydrophilie der Schicht ist stabil gegenüber der Lagerung in Wasser und an Luft.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- US 4,898,908 [0002]
- DE 10116200 A1 [0007]
- EP 0603463 [0008, 0008, 0017]

Claims

Beschichtungszusammensetzung zur Herstellung einer hydrophilen Schicht, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtungszusammensetzung mindestens ein Polyanion und mindestens ein Polykation und cm Lösungsmittel enthält, wobei das Polyanion und das Polykation im Lösungsmittel dispergiert vorliegen.
Beschichtungszusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Polyionen in der Dispersion in komplexierter Form oder im Überschuss in nicht komplexierter Form vorliegen
Beschichtungszusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Lösungsmittel um Wasser handelt.
Beschichtungszusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Polyanion um ein funktionalisiertes Polysiloxan handelt.
Beschichtungszusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Polykation um ein funktionalisiertes Polysiloxan handelt.
Beschichtungszusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Polyanion um eine Polysäure handelt.
Beschichtungszusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Polykation um ein Polyamin handelt.
Beschichtungszusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtungszusammensetzung einen Anteil von anorganischen Nanopartikeln enthält.
Verfahren zur Herstellung der Beschichtungszusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – eine Lösung oder Dispersion von mindestens einem Polyanion in Wasser hergestellt wird – dieser wässrigen Lösung oder Dispersion mindestens ein Polykation, welches in Form einer Lösung oder einer Dispersion vorliegen kann, bei Einwirkung von Ultraschall zugegeben wird.
Verfahren zur Herstellung der Beschichtungszusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – eine Lösung oder Dispersion von mindestens einem Polykation in Wasser hergestellt wird – zu dieser wässrigen Lösung oder Dispersion mindestens ein Polyanion, welches in Form einer Lösung oder einer Dispersion vorliegen kann, bei Einwirkung von Ultraschall zugegeben wird.
Hydrophile Schicht, hergestellt durch das Auftragen der Beschichtungszusammensetzung nach einem der Ansprüche 1–8 auf eine zu beschichtende Oberfläche und anschließende Trocknung der Schicht.
Hydrophile Schicht, hergestellt durch das Auftragen der Beschichtungszusammensetzung nach einem der Ansprüche 1–8 auf eine Oberfläche, die aus Metall, Glas, Keramik oder einem Polymer besteht und anschließende Trocknung der Schicht.
Hydrophile Schicht, hergestellt durch das Auftragen der Beschichtungszusammensetzung nach einem der Ansprüche 1–8 auf eine zu beschichtende Oberfläche mittels Dip-Coating oder Spray-Coating und anschließende Trocknung der Schicht.