DE102011076754A1

DE102011076754A1 - Substratelement für die Beschichtung mit einer Easy-to-clean Beschichtung

Info

Publication number: DE102011076754A1
Application number: DE201110076754
Authority: DE
Inventors: Dr. Walther Marten; Dr. Krzyzak Marta
Original assignee: Schott AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2011-05-31
Filing date: 2011-05-31
Publication date: 2012-12-06
Also published as: JP2014522329A; CN103582617A; GB2506034A; KR20140035420A; WO2012163946A1; TW201305079A; US20140147654A1; GB201320494D0; TWI455899B; KR20160117627A; JP6271051B2; JP6133277B2; JP2017074797A; DE112012002318A5

Abstract

Substratelement für die Beschichtung mit einer Easy-to-clean Beschichtung, wobei die Wirkung der Easy-to-clean Beschichtung durch das Substratelement hinsichtlich ihrer hydrophoben und oleophoben Eigenschaften sowie insbesondere deren Langzeitbeständigkeit verbessert wird. Das Substratelement umfasst ein Trägermaterial aus Glas oder Glaskeramik und eine Entspiegelungsbeschichtung, bestehend aus einer oder aus zumindest zwei Schichten, wobei die eine Schicht oder die oberste Schicht der zumindest zwei Schichten eine Haftvermittlerschicht ist, welche mit einer Easy-to-clean Beschichtung in eine Wechselwirkung treten kann und ein Mischoxid umfasst.

Description

Die Erfindung betrifft ein Substratelement für die Beschichtung mit einer Easy-to-clean Beschichtung, welche eine Trägerplatte und eine auf der Trägerplatte angeordnete Entspiegelungsbeschichtung umfasst, wobei die oberste Lage der Entspiegelungsbeschichtung eine Haftvermittlerschicht ist welche geeignet ist, mit einer Easy-to-clean Beschichtung in eine Wechselwirkung zu treten. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Substratelements und die die Verwendung eines solchen Substratelements.
Die Vergütung von Oberflächen, insbesondere eines transparenten Werkstoffes wie Glas oder Glaskeramik, erlangt eine immer größere Bedeutung, nicht zuletzt aufgrund des stark wachsenden Marktes von Berührungs- bzw. Sensorbildschirmen (Touchsceens), z.B. im Bereich der Touch-Panel-Anwendungen mit interaktiver Eingabe. Hierbei müssen die Berührungsoberflächen den Anforderungen von Transparenz und Funktionalität gerecht werden, die beispielsweise im Bereich von Multitouch-Anwendungen immer höher werden. Touchscreens finden beispielsweise als Bedienung von Smartphones, Bankautomaten oder als Info-Monitore, wie z.B. für die Fahrplanauskunft auf Bahnhöfen Verwendung. Darüber hinaus werden Touchscreens auch z.B. bei Spielautomaten oder für die Steuerung von Maschinen in der Industrie eingesetzt (Industrie-PCs). Eine Vergütung von transparenten Glas- oder Glaskeramikoberflächen gerät für alle Abdeckscheiben in den Fokus, insbesondere jedoch auch für Abdeckscheiben mobiler elektronischer Produkte, wie z.B. für Displays von Notebooks, Laptop-Computer, Uhren oder Mobiltelefone. Aber auch für Glas- oder Glaskeramikoberflächen beispielsweise von Kühlmöbeln, Schaufenstern, Theken oder Vitrinen erlangt eine Oberflächenvergütung immer mehr an Bedeutung. Bei allen Anwendungen geht es darum, bei guter und hygienischer Funktionalität ohne hohen Reinigungsaufwand eine gute Transparenz mit hoher ästhetischer Wirkung sicherzustellen, was beispielsweise durch Schmutz und Rückstände von Fingerabdrücken beeinträchtig wird.
Eine Oberflächenvergütung ist ein Ätzen der Glasoberfläche, wie es beispielsweise bei blendfreien Scheiben, wie den Antiglare Sreens bekannt ist. Nachteilig ist hier jedoch eine hohe Einbuße an Transparenz und Bildauflösung, da aufgrund der strukturierten Oberfläche auch das bildgebende Licht vom Gerät zum Betrachter an der Displayscheibe gebrochen wird. Um eine hohe Bildauflösung zu erzielen, werden andere Lösungsmöglichkeiten im Bereich einer Beschichtung der Oberfläche mit einer Easy-to-clean Beschichtung gesucht.
Im Vordergrund der geforderten Eigenschaften stehen hier vor allem für Touchscreens die taktile und haptische Wahrnehmbarkeit der Berührungsoberfläche, die insbesondere für Multitouch-Anwendungen glatt sein sollte, weiter eine hohe Transparenz bei geringem Reflektionsverhalten, eine hohe Schmutzabweisung und Reinigungsfreundlichkeit, die Haltbarkeit einer Easy-to-clean Beschichtung nach vielen Reinigungszyklen, die Kratz- und Abriebfestigkeit z.B. bei Verwendung von Eingabestiften oder gegen eine hohe Anzahl von Reinigungsvorgängen sowie die Haltbarkeit einer Beschichtung auch bei Klima- und UV-Belastung. Die Easy-to-Clean-Wirkung sorgt dafür, dass Verschmutzungen, die durch die Umwelt oder auch durch den naturgemäßen Gebrauch auf die Oberfläche gelangen, leicht wieder zu entfernen sind oder aber so beschaffen sind, dass die Verschmutzungen nicht auf der Oberfläche haften bleiben. In diesem Fall hat die Easy-to-Clean-Oberfläche die Eigenschaft, dass Verschmutzungen, z.B. durch Fingerabdrücke, nicht mehr stark sichtbar sind, und so auch ohne Reinigung die Gebrauchsoberfläche sauber erscheint. Dieser Fall ist dann als Spezialfall der Easy-to-Clean-Oberfläche eine Anti-Fingerprint-Oberfläche. Eine Berührungsoberfläche muss beständig gegen Wasser- und Fett-Ablagerungen sein, die beispielsweise aus Rückständen von Fingerabdrücken beim Gebrauch durch Nutzer auftreten. Die Benetzungseigenschaften einer Berührungsoberfläche müssen derart sein, dass die Oberfläche sowohl hydrophob als auch oleophob ist.
Die meisten der bekannten Easy-to-clean Beschichtungen sind im Wesentlichen fluororganische Verbindungen mit hohem Kontaktwinkel gegenüber Wasser. So beschreibt die DE 19848591 zur Herstellung einer solchen Schutzschicht die Verwendung einer fluororganischen Verbindung der Formel R_f-V in Form eines flüssigen Stoffsystems aus der fluororganischen Verbindung in einer Trägerflüssigkeit, wobei, in der Formel R_f-V, R_f für einen aliphatischen Kohlenwasserstoffrest steht, der teilweise oder vollständig fluoriert sein und geradkettig, verzweigtkettig oder zyklisch vorliegen kann, wobei der Kohlenwasserstoffrest durch ein oder mehrere Sauerstoff-, Stickstoff- oder Schwefelatome unterbrochen sein kann und V für eine polare oder dipolare Gruppe steht, die ausgewählt wird aus -COOR, -COR, -COF, -CH₂OR, -OCOR, -CONR₂, -CN, -CONH-NR₂, -CON=C(NH₂)₂, -CH=NOR, -NRCONR₂, -NR₂COR, NR_w, -SO₃R, -OSO₂R, -OH, -SH, ≡B, -OP(OH)₂, -OPO(OH)₂, -OP(ONH₄)₂, -OPO(ONH₄)₂, -CO-CH=CH₂, worin R in einer Gruppe V gleich oder unterschiedlich sein kann und für Wasserstoff, einen Phenylrest oder einen geradkettigen oder verzweigtkettigen Alkyl- oder Alkyletherrest, der teilweise oder vollständig fluoriert oder chlorofluoriert sein kann, mit bis zu 12, vorzugsweise bis zu 8 Kohlenstoffatomen steht und w 2 oder 3 ist, oder für -R_v-V- steht, wobei V für die zuvor angegebene polare oder dipolare Gruppe steht und R_v einen geradkettigen oder verzweigtkettigen Alkylenrest, der teilweise oder vollständig fluoriert oder chlorofluoriert sein kann, mit 1 bis zu 12, vorzugsweise bis zu 8 Kohlenstoffatomen steht.
Weiterhin beschreibt die EP 0 844 265 ein Silizium enthaltendes organisches Fluorpolymer zur Beschichtung von Substratoberflächen wie von Metall-, Glas- und Kunststoffmaterialien, um einer Oberfläche eine ausreichende und lang andauernde Antifoulingeigenschaft, ausreichende Wetterbeständigkeit, Gleitfähigkeit, Antihafteigenschaft, Wasserabstoßung sowie eine Resistenz gegen ölige Verschmutzungen und Fingerabdrücke zu verleihen. Ferner wird eine Behandlungslösung für ein Oberflächen-Behandlungsverfahren angegeben, welches ein Silizium enthaltendes organisches Fluorpolymer, ein Fluor enthaltendes organisches Lösungsmittel und eine Silanverbindung umfasst. Über die Eignung einer Substratoberfläche zum Beschichten mit einem solchen organischen Fluorpolymer ist nichts ausgeführt.
Die US 2010/0279068 beschreibt als Antifingerprint-Beschichtung ein Fluorpolymer oder ein Fluorsilan. In diesem Zusammenhang weist schon die US 2010/0279068 darauf hin, dass die Beschichtung einer Oberfläche alleine mit einer solchen Beschichtung unzureichend ist, um die geforderten Oberflächeneigenschaften für eine Antifingerprint-Beschichtung bereitzustellen. Die US 2010/0279068 schlägt zur Lösung des Problems vor, in die Oberfläche des Glasartikels eine Struktur zu prägen oder in diese Partikel einzupressen. Eine solche Vorbereitung der Oberfläche für die Beschichtung mit einer Antifingerprint-Beschichtung ist sehr aufwendig und kostspielig und erzeugt aufgrund der erforderlichen thermischen Prozesse unerwünschte Spannungen in den Glasartikeln.
Die US 2010/0285272 beschreibt als Antifingerprint-Beschichtung ein Polymer mit geringer Oberflächenspannung oder ein Oligomer, wie ein Fluorpolymer oder ein Fluorsilan. Zur Vorbereitung der Oberfläche für die Beschichtung mit einer Antifingerprint-Beschichtung wird vorgeschlagen, die Glasoberfläche Sandzustrahlen und darauf mittels physikalischer oder chemischer Gasphasenabscheidung ein Metall oder Metalloxid, wie Zinnoxid, Zinkoxid, Ceroxyd, Aluminium oder Zirkon aufzubringen. Zur Vorbereitung der Oberfläche für eine Antifingerprint-Beschichtung wird weiterhin vorgeschlagen, den aufgesputterten Metalloxidfilm zu ätzen oder den aufgedampften Metallfilm zu eloxieren. Es soll eine abgestufte Oberflächenstruktur mit zwei topologischen Ebenen bereitgestellt werden. Die Antifingerprint-Beschichtung beinhaltet dann eine weitere abgestufte topologische Struktur. Diese Verfahren sind ebenfalls aufwendig und kostenintensiv und führen lediglich zu einer hydrophoben und oleophoben Oberfläche mit einer mechanischen Verankerung des Polymers durch die strukturierte Oberfläche, ohne die übrigen geforderten Eigenschaften ausreichend zu berücksichtigen.
Die US 2009/0197048 beschreibt eine Antifingerprint- bzw. Easy-to-clean Beschichtung auf einem Abdeckglas in Form einer Außenbeschichtung mit Fluorendgruppen, wie Perfluorkohlenstoff- oder einem Perfluorkohlenstoffenthaltenden Rest, welche dem Abdeckglas ein Maß an Hydrophobie und Oleophobie verleiht, so dass die Benetzung der Glasoberfläche mit Wasser und Ölen minimiert ist. Für den Auftrag dieser Schicht auf eine Glasoberfläche wird vorgeschlagen, die Oberfläche chemisch mittels Ionenaustausch zu härten, indem insbesondere Kalium-Ionen anstelle von Natrium- und/oder Lithium-Ionen eingelagert werden. Weiterhin kann das Abdeckglas unterhalb der Antifingerprint- bzw. Easy-to-clean Beschichtung eine Antireflex-Schicht aus Siliziumdioxid, Quarzglas, fluordotiertem Siliziumdioxid, fluordotiertem Quarzglas, MgF₂, HfO₂, TiO₂, ZrO₂, Y₂O₃ oder Gd₂O₃ enthalten. Auch wird vorgeschlagen auf der Glasoberfläche vor der Antifingerprint-Beschichtung mittels Ätzen, Lithographie oder Teilchenbeschichtung eine Textur oder ein Muster zu erzeugen. Auch wird vorgeschlagen die Glasoberfläche nach Härtung mittels Ionenaustausch vor der Antifingerprint-Beschichtung einer Säurebehandlung zu unterziehen. Diese Verfahren sind ebenfalls aufwendig und führen nicht zu einer Easy-to-clean Beschichtung, die der Summe der geforderten Eigenschaften genügt.
Die EP 2 103 965 A1 beschreibt eine Antireflexschicht, welche gleichzeitig ohne eine weitere spezielle Beschichtung Antifingerprint Eigenschaften aufweisen soll. Auf einem Glas- oder Kunststoffsubstrat ist eine erste hochbrechende Schicht aufgebracht, welche ein Oxid von zumindest einem der Elemente Zinn, Gallium oder Cer enthält sowie Idiumoxid, eine zweite Schicht aus einem Metall aus Silber und Palladium, eine dritte Schicht, welche der ersten hochbrechenden Schicht entspricht und als oberste vierte Schicht eine niedrigbrechende Schicht, welche aus Siliziumdioxid, Magnesiumfluorid oder Kaliumfluorid besteht. Die Schichten werden jeweils aufgesputtert. Eine solche Beschichtung führt jedoch nicht zu einer Easy-to-clean Beschichtung, die der Summe der geforderten Eigenschaften genügt.
Ebenso beschreibt die US 5,847,876 eine Antireflexschicht, welche gleichzeitig ohne eine weitere spezielle Beschichtung Antifingerprint Eigenschaften besitzen soll. Auf einem Glassubstrat wird eine erste hochbrechende Schicht aus Al₂O₃ und eine zweite niedrigbrechende Schicht aus MgF₂ aufgetragen. Eine solche Beschichtung führt jedoch ebenfalls nicht zu einer Easy-to-clean Beschichtung, die der Summe der geforderten Eigenschaften genügt.
Insbesondere nachteilig an solchen Easy-to-Clean Schichten nach dem Stand der Technik ist die begrenzte Haltbarkeit der Schichten, so dass durch chemischen und physikalischen Angriff eine Abnahme der Easy-to-Clean Eigenschaften beobachtet wird. Dieser Nachteil ist nicht nur abhängig von der Art der Easy-to-clean Beschichtung, sondern auch von der Art der Substratoberfläche, auf die sie aufgetragen wird.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein weitestgehend reflexionsfreies Substratelement bereitzustellen, welches eine spezielle Oberfläche aufweist welche geeignet ist, mit einer Vielzahl von Easy-to-clean Beschichtungen derart in Wechselwirkung zu treten, so dass die Eigenschaften einer Easy-to-Clean Beschichtung verbessert werden und die Berührungsoberfläche in ausreichendem Maß die geforderten Eigenschaften aufweist und wobei die Herstellung eines solchen Substrates kostengünstig und einfach ist.
Die Erfindung löst diese Aufgabe auf überraschend einfache Weise mit den Merkmalen des Anspruchs 1, des Anspruchs 12 sowie des Anspruchs 16. Die Erfinder haben festgestellt, dass für eine Easy-to-clean Beschichtung, welche alle geforderten Eigenschaften zufrieden stellend erfüllt, auf dem zu beschichtenden Substratelement eine spezielle Haftvermittlerschicht bereitgestellt werden muss. Diese Haftvermittlerschicht wird als oberste Schicht einer Entspiegelungsbeschichtung auf einem Trägersubstrat angeordnet, besteht aus einem Mischoxid und besitzt die Eigenschaft, mit einer später aufzutragenden Easy-to-clean Beschichtung in eine Wechselwirkung zu treten.
Unter „Easy-to-clean Beschichtung“, wie z.B. einer „Antifingerprint-Beschichtung“, wird eine Beschichtung verstanden, welche einer Materialoberfläche eine Widerstandsfähigkeit gegen Ablagerungen z.B. von Fingerabdrücken, wie Flüssigkeiten, Fetten, Schmutz und anderen Materialien gibt. Dies bezieht sich sowohl auf die chemische Beständigkeit gegen solche Ablagerungen als auch auf ein geringes Benetzungsverhalten gegenüber solchen Ablagerungen. Weiterhin bezieht es sich auf die Unterdrückung, Vermeidung oder Verringerung des Entstehens von Fingerabdrücken bei Berührung durch einen Nutzer. Fingerabdrücke enthalten vor allem Aminosäuren und Fette, Substanzen wie Talk, Schweiß, Rückstände abgestorbener Hautzellen, Kosmetika und Lotionen und unter Umständen Schmutz in Form von Flüssigkeit oder Partikeln verschiedenster Art. Eine solche Easy-to-clean Beschichtung muss daher sowohl gegen Wasser als auch Ölablagerungen beständig sein und ein geringes Benetzungsverhalten gegenüber beidem haben. Die Benetzungscharakteristik einer Oberfläche mit einer Easy-to-clean Beschichtung muss derart sein, dass die Oberfläche sowohl hydrophob, d.h. der Kontaktwinkel zwischen Oberfläche und Wasser ist größer 90° als auch oleophob, d.h. der Kontaktwinkel zwischen Oberfläche und Öl ist größer 50°.
Insbesondere Lösungen nach dem Stand der Technik nutzen zur Erhöhung des Kontaktwinkels den sogenannten Lotus-Effekt. Hierbei liegt eine Doppelstruktur der Oberfläche zugrunde, wodurch die Kontaktfläche und damit die Adhäsionskraft zwischen Oberfläche und auf ihr liegenden Partikeln und Wassertropfen stark verringert wird. Diese Doppelstruktur wird aus einer charakteristisch geformten Oberflächenstruktur im Bereich von etwa 10 bis 20 Mikrometer und einer auf dieser aufgetragenen Easy-to-clean Beschichtung gebildet. Das Benetzungsverhalten von Flüssigkeiten auf festen aufgerauten Oberflächen kann entweder für niedrige Kontaktwinkel mit dem Wenzel-Modell beschrieben werden oder für hohe Kontaktwinkel mit dem Cassie-Baxter Modell, wie es beispielsweise die US 2010/0285272 ausführt.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Haftvermittlerschicht als oberste Lage oder Schicht einer Entspiegelungsbeschichtung eine thermisch verfestigte Sol-Gel Mischoxid-Schicht. Insbesondere handelt es sich hierbei um eine dotierte Siliziumoxid-Schicht, wobei die Dotierung bevorzugt ein Oxid der Elemente Aluminium, Zinn, Magnesium, Phosphor, Cer, Zirkon, Titan, Caesium, Barium, Strontium, Niob, Zink, Bor oder Magnesiumfluorid ist.
Solch eine Haftvermittlerschicht hat eine Schichtdicke von größer 1 nm, bevorzugt größer 10 nm, besonders bevorzugt größer 20 nm. Hierbei ist maßgeblich, dass unter Berücksichtigung der Tiefe der Wechselwirkung mit der Easy-to-clean Beschichtung die Haftvermittlerfunktion der Schicht voll ausgeschöpft werden kann. Weiterhin steht die Schichtdicke in Wechselwirkung mit der Dicke der übrigen Schichten der Entspiegelungsbeschichtung, sodass sich eine weitestgehende Verminderung der Reflexion von Licht ergibt.
Unter Entspiegelungsschicht wird in erfindungsgemäßem Sinne eine Schicht verstanden, welche zumindest in einem Teil des sichtbaren, ultravioletten und/oder infraroten Spektrums elektromagnetischer Wellen eine Verminderung des Reflexionsvermögens an der Oberfläche eines mit dieser Schicht beschichteten Trägermaterials bewirkt. Es soll hierdurch insbesondere der transmittierte Anteil der elektromagnetischen Strahlung erhöht werden.
Als Entspiegelungsbeschichtung können grundsätzlich alle bekannten Beschichtungen eingesetzt werden.
Eine bevorzugte Ausführungsform ist eine Entspiegelungsbeschichtung in Form einer thermisch verfestigen Sol-Gel Beschichtung, wobei die oberste Schicht die Haftvermittlerschicht bildet.
In einer Ausgestaltung der Erfindung umfasst zumindest eine Oberfläche eines Substratelements eine Entspiegelungsbeschichtung aus einer Einzelschicht, welche gleichzeitig als Haftvermittlerschicht wirkt. Diese kann insbesondere eine poröse Sol-Gel-Schicht sein.
Besonders gute Entspiegelungseigenschaften sind insbesondere bei Einschicht-Entspiegelungsschichten zu erhalten wenn der Volumenanteil der Poren 10% bis 60% des Gesamtvolumens der Entspiegelungsschicht beträgt.
Es ist ein großer Vorteil der Erfindung, dass falls das Substrat aus Glas besteht oder Glas umfasst, dieses auch noch nach der Beschichtung thermisch vorgespannt und somit thermisch gehärtet werden kann, ohne dass hierdurch die Beschichtung merklichen Schaden nimmt. Vorzugsweise wird thermisch gehärtet indem zumindest der zu härtende Bereich des Glases während eines Zeitraums von etwa 2 min bis 6 min, bevorzugt von 4 min, auf eine Temperatur von etwa 600 °C bis etwa 750°C, bevorzugt auf eine Temperatur von etwa 670°C gebracht wird.
Falls eine Aktivierung der Oberfläche des Trägermaterials vor dem Aufbringen der Sol-Gel-Schicht erfolgt, kann hierdurch das Haftvermögen der aufgebrachten Schicht verbessert werden. Vorteilhaft kann die Aktivierung durch Corona-Entladung, Beflammen, UV-Behandlung, Plasmaaktivierung und/oder mechanische Verfahren, wie Aufrauhen, Sandstrahlen, und/oder chemische Verfahren, wie Ätzen erfolgen.
Es ist von Vorteil, wenn eine Entspiegelungsschicht poröse Nanopartikel mit einer Korngrösse von etwa 2 nm bis etwa 20 nm, bevorzugt etwa 5 nm bis etwa 10 nm, besonders bevorzugt von etwa 8 nm, enthält. Poröse Nanopartikel umfassen vorteilhafterweise SiO₂ und Al₂O₃.
Wenn das Molverhältnis von Aluminium zu Silizium im Mischoxid der keramischen Nanopartikel von etwa 1:4,0 bis etwa 1:20, besonders bevorzugt etwa 1:6,6 beträgt, wenn somit das Silizium-Aluminium-Mischoxid eine Zusammensetzung (SiO₂)_1-x(Al₂O₃)_x/2 mit x = 0,05 bis 0,25, bevorzugt 0,15, umfasst, weist die Beschichtung eine besonders hohe mechanische und chemische Widerstandsfähigkeit auf.
Mit keramischen Nanopartikeln, die eine Korngrösse von etwa 2 nm bis etwa 20 nm, bevorzugt etwa 5 nm bis etwa 10 nm, besonders bevorzugt etwa 8 nm aufweisen, wird vorteilhaft erreicht, dass die Transmissions- und Reflexionseigenschaften einer Schicht oder eines Schichtsystems durch Streuung nur wenig verschlechtert werden.
In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung umfasst eine Einzelschicht-Entspiegelungsbeschichtung ein Metallmischoxid, bevorzugt ein dotiertes Siliziumoxid, insbesondere ein mit einem Oxid eines der Elemente Aluminium, Zinn, Magnesium, Phosphor, Cer, Zirkon, Titan, Caesium, Barium, Strontium, Niob, Zink, Bor oder mit Magnesiumfluorid dotiertes Siliziumoxid sein kann. In einer besonders vorteilhaften Ausführung umfasst die Einzelschicht weiterhin poröse keramische Nanopartikel.
In einer weiteren besonderen Ausgestaltung der Erfindung enthält die Einzelschicht als Sol-Gel-Schicht ein Metalloxid, insbesondere Aluminiumoxid, als Härter. Weiterhin ist zwischen der Sol-Gel-Schicht und dem Trägermaterial zumindest eine Barriereschicht angeordnet, wobei die Barriereschicht insbesondere als Natrium-Barriereschicht ausgebildet ist. Die Dicke einer solchen Barriereschicht liegt im Bereich zwischen 3 und 100 nm, vorzugsweise zwischen 5 und 50 nm und besonders bevorzugt zwischen 10 und 35 nm. Die Barriereschicht umfasst vorzugsweise ein Metall- und/oder Halbmetalloxid. Insbesondere wird eine Barriereschicht im Wesentlichen aus Siliziumoxid SiO₂, und/oder Titanoxid TiO₂ und/oder Zinnoxid SnO₂ vorgesehen. Der Auftrag einer solchen Barriereschicht erfolgt vor allem mittels Flammpyrolyse, eines PVD- oder eines CVD-Verfahrens, beispielsweise aber auch mittels Sol-Gel-Verfahren. Solch eine Barriereschicht ist vorzugsweise im Wesentlichen als Glasschicht ausgebildet. Eine solche Einzelschicht mit einer Barriereschicht ist in der DE 10 2007 058 927.3 „Substrat mit einer Sol-Gel-Schicht und Verfahren zur Herstellung eines Verbundmaterials“ sowie in der DE 10 2007 058 926.5 „Solarglas und Verfahren zur Herstellung eines Solarglases“ beschrieben, auf deren Offenbarungsgehalt jeweils vollumfänglich Bezug genommen wird und deren Offenbarung Bestandteil dieser Anmeldung ist.
Solch eine erfindungsgemäße Haftvermittlerschicht als poröse Entspiegelungs-Einzelschicht, weist einen Brechungsindex im Bereich von 1,2 bis 1,38, bevorzugt 1,2 bis 1,35, bevorzugt 1,2 bis 1,30, bevorzugt 1,25 bis 1,38, bevorzugt 1,28 bis 1,38 auf. Der Brechungsindex ist unter anderem insbesondere von der Porosität abhängig.
Eine solche Beschichtung kann jedoch auch aus mehreren Einzelschichten bestehen, welche unterschiedliche Brechzahlen aufweisen. Eine solche Beschichtung wirkt vor allem als Entspiegelungsschicht, wobei die oberste Schicht eine niedrig brechende Schicht ist und die erfindungsgemäße Haftvermittlerschicht bildet.
Die Entspiegelungsbeschichtung hat zumindest zwei Schichten, eine erste hochbrechende Schicht T angrenzend zum Trägermaterial und eine darauf aufgebrachte niedrigbrechende Schicht S, welche die erfindungsgemäße Haftvermittlerschicht bildet. Die hochbrechende Schicht T umfasst meistens Titanoxid TiO₂, aber auch Nioboxid Nb₂O₅, Tantaloxid Ta₂O₅, Ceroxid CeO₂, Hafniumoxid HfO₂ sowie deren Mischungen mit Titanoxid oder untereinander. Die niedrigbrechende Schicht S umfasst bevorzugt ein dotiertes Siliziumoxid SiO₂, insbesondere ein mit einem Oxid eines der Elemente Aluminium, Zinn, Magnesium, Phosphor, Cer, Zirkon, Titan, Caesium, Barium, Strontium, Niob, Zink, Bor oder mit Magnesiumfluorid dotiertes Siliziumoxid. Die Brechzahlen solcher Einzelschichten liegen bei einer Referenzwellenlänge von 550 nm in folgendem Bereich: Die hochbrechende Schicht T bei 1,9 bis 2,3, vorzugsweise bei 2,05 bis 2,15 und die niedrigbrechende Schicht S bei 1,35 bis 1,7, vorzugsweise bei 1,38 bis 1,60, besonders bevorzugt bei 1,38 bis 1,58, insbesondere bei 1,38 bis 1,56.
In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung umfasst eine solche Beschichtung eine Entspiegelungsschicht für den sichtbaren Spektralbereich. Hierbei handelt es sich um Interferenzfilter aus drei Schichten mit folgendem Aufbau von Einzelschichten:
Trägermaterial / M / T / S, wobei M eine Schicht mit mittlerem Brechungsindex, T eine Schicht mit hohem Brechungsindex und S eine Schicht mit niedrigem Brechungsindex bezeichnet. Die mittelbrechende Schicht M umfasst meistens eine Mischoxidschicht aus Siliziumoxid SiO₂ und Titanoxid TiO₂, aber es wird auch Aluminiumoxid Al₂O₃ verwendet. Die hochbrechende Schicht T umfasst meistens Titanoxid TiO₂ und die niedrigbrechende Schicht S umfasst bevorzugt ein dotiertes Siliziumoxid SiO₂, insbesondere ein mit einem Oxid eines der Elemente Aluminium, Zinn, Magnesium, Phosphor, Cer, Zirkon, Titan, Caesium, Barium, Strontium, Niob, Zink, Bor oder mit Magnesiumfluorid dotiertes Siliziumoxid. Die Brechzahlen solcher Einzelschichten liegen bei einer Referenzwellenlänge von 550 nm in folgendem Bereich: Die mittelbrechende Schicht M bei 1,6 bis 1,8, vorzugsweise bei 1,65 bis 1,75, die hochbrechende Schicht T bei 1,9 bis 2,3, vorzugsweise bei 2,05 bis 2,15 und die niedrigbrechende Schicht S bei 1,38 bis 1,56, vorzugsweise bei 1,42 bis 1,50. Die Dicke solcher Einzelschichten betragen üblicherweise für eine mittelbrechende Schicht M 30 bis 60 nm, vorzugsweise 35 bis 50 nm besonders bevorzugt 40 bis 46 nm, für eine hochbrechende Schicht T 90 bis 125 nm, vorzugsweise 100 bis 115 nm besonders bevorzugt 105 bis 111 nm und für eine niedrigbrechende Schicht S 70 bis 105 nm, vorzugsweise 80 bis 100 nm besonders bevorzugt 85 bis 91 nm.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung mit einem Aufbau der Beschichtung aus mehreren Einzelschichten mit unterschiedlichem Brechungsindex umfassen die Einzelschichten der Entspiegelungsbeschichtung UV- und temperaturstabile anorganische Materialien und eine oder mehrere Materialien oder Mischungen aus der nachfolgenden Gruppe von anorganischen Oxiden: Titanoxid TiO₂, Nioboxid Nb₂O₃, Tantaloxid Ta₂O₅, Ceroxid CeO₂, Hafniumoxid HfO₂, Siliziumoxid SiO₂, Magnesiumfluorid MgF₂, Aluminiumoxid Al₂O₃, Zirkonoxid ZrO₂. Insbesondere weist solch eine Beschichtung ein Interferenzschichtsystem mit mindestens vier Einzelschichten auf.
In einer ganz bevorzugten Ausführungsform umfasst eine solche Beschichtung ein Interferenzschichtsystem mit mindestens fünf Einzelschichten mit folgendem Schichtaufbau:
Trägermaterial / M1 / T1 / M2 / T2 / S, wobei M1 und M2 jeweils eine Schicht mit mittlerem Brechungsindex, T1 und T2 eine Schicht mit hohem Brechungsindex und S eine Schicht mit niedrigem Brechungsindex bezeichnet. Die mittelbrechende Schicht M umfasst meistens eine Mischoxidschicht aus Siliziumoxid SiO₂ und Titanoxid TiO₂, aber es wird auch Aluminiumoxid Al₂O₃ oder Zirkonoxid ZrO₂ verwendet. Die hochbrechende Schicht T umfasst meistens Titanoxid TiO₂, aber auch Nioboxid Nb₂O₅, Tantaloxid Ta₂O₅, Ceroxid CeO₂, Hafniumoxid HfO₂ sowie deren Mischungen mit Titanoxid oder untereinander. Die niedrigbrechende Schicht S umfasst bevorzugt ein dotiertes Siliziumoxid SiO₂, insbesondere ein mit einem Oxid eines der Elemente Aluminium, Zinn, Magnesium, Phosphor, Cer, Zirkon, Titan, Caesium, Barium, Strontium, Niob, Zink, Bor oder mit Magnesiumfluorid dotiertes Siliziumoxid. Die Brechzahlen solcher Einzelschichten liegen üblicherweise bei einer Referenzwellenlänge von 550 nm für die mittelbrechenden Schichten M1, M2 im Bereich von 1,6 bis 1,8, für die hochbrechenden Schichten T1, T2 im Bereich größer oder gleich 1,9 und für die niedrigbrechende Schicht S im Bereich kleiner oder gleich 1,58. Die Dicke solcher Schichten liegt üblicherweise für Schicht M1 bei 70 bis 100 nm, für Schicht T1 bei 30 bis 70 nm, für Schicht M2 bei 20 bis 40 nm, für Schicht T2 bei 30 bis 50 nm und für Schicht S bei 90 bis 110 nm.
Solche Beschichtungen aus mindestens vier Einzelschichten, insbesondere aus fünf Einzelschichten sind in der EP 1 248 959 B1 „UV-reflektierendes Interferenzschichtsystem“ beschrieben, auf deren Offenbarungsgehalt vollumfänglich Bezug genommen wird und deren Offenbarung Bestandteil dieser Anmeldung ist.
In einer besonderen Ausführungsform kann die Haftvermittlerschicht mit einer Deckschicht versehen sein. Solch eine Deckschicht muss derart gestaltet sein, dass eine Wechselwirkung zwischen der Haftvermittlerschicht und einer Easy-to-clean Schicht noch ausreichend gegeben ist. Derartige Schichten sind beispielsweise poröse Sol-Gel Schichten oder dünne, flammenpyrolytisch aufgebrachte Oxidschichten. Sie kann jedoch auch unterstützend strukturgebend für die später auftragbare Easy-to-clean Beschichtung sein. Eine solche Deckschicht kann als partikuläre Schicht oder als eine geschlossene poröse Schicht ausgeführt werden. Insbesondere ist es von Vorteil, solch eine Deckschicht aus Siliziumoxid herzustellen, wobei das Siliziumoxid auch ein dotiertes Siliziumoxid, insbesondere ein mit einem Oxid eines der Elemente Aluminium, Zinn, Magnesium, Phosphor, Cer, Zirkon, Titan, Caesium, Barium, Strontium, Niob, Zink, Bor oder mit Magnesiumfluorid dotiertes Siliziumoxid sein kann. Zur Herstellung einer solchen Deckschicht eignet sich beispielsweise eine flammenpyrolytische Beschichtung, andere thermische Beschichtungsverfahren, Kaltgasspritzen oder auch beispielsweise Sputtern.
Als Trägermaterial zum Auftragen einer erfindungsgemäßen Haftvermittlerschicht sind grundsätzlich alle transparenten Materialien geeignet. Bevorzugt ist jedoch ein Glas oder eine Glaskeramik. Besonders bevorzugt wird hier ein Glas verwendet, das für seinen Gebrauch vorgespannt ist. Dieses Glas kann chemisch durch Ionenaustausch oder thermisch vorgespannt sein. Insbesondere werden eisenarme Kalk-Natrongläser, Borosilikatgläser, Aluminiumsilikatgläser und Glaskeramik bevorzugt, die beispielsweise mittels Ziehverfahren, bspw. Updraw- oder Downdraw-Ziehverfahren oder der Floattechnologie oder aus einem Guß- oder Walzglas gewonnen werden. Speziell bei dem Guss- oder Walzverfahren, kann es sein, dass über eine Poliertechnologie die notwendige optische Güte der Oberfläche erzielt wird, die beispielsweise für eine Display-Vorsatzscheibe benötigt wird.
Vorteilhaft kann ein eisenarmes oder eisenfreies Glas, insbesondere mit einem Fe₂O₃-Gehalt kleiner 0,05 Gew%, vorzugsweise kleiner 0,03 Gew% verwendet werden, da dieses verminderte Absorption aufweist und somit insbesondere bei Nutzung solarer Energie einen höheren Wirkungsgrad ermöglicht.
Hervorragende optische Eigenschaften im ultravioletten Spektralbereich können erreicht werden, wenn das Trägermaterial ein Quarzglas ist.
Für Anwendungen bei Displaygläsern, insbesondere Touch-Panels oder Touchscreens, kleiner Formate ist es bevorzugt, wenn das Substrat eine Dicke ≤ 1 mm aufweist und insbesondere ein Dünnstsubstrat ist. Besonders bevorzugt sind die Dünnstgläser D263, B270 oder Borofloat der SCHOTT AG. Dünnstgläser weisen eine Dicke von 0,02 bis 1,2 mm auf. Bevorzugt sind Dicken von 0,03 mm, 0,05 mm, 0,07 mm, 0,1 mm, 0,145 mm, 0,175 mm, 0,21 mm, 0,3 mm, 0,4 mm, 0,55 mm, 0,7 mm, 0,9 mm oder 1,1 mm.
Werden die Einrichtungen für Abdeckscheiben für Displays, optional auch als Touch-Panels oder Touchscreens, für größere Flächen, beispielsweise Flächen mit mehr als 1 m² eingesetzt, so werden bevorzugt Substrate mit einer Dicke von 3 bis 6 mm verwandt, so dass eine mechanische Schutzfunktion des Displays mit übernommen wird.
Die Scheiben können sowohl Einfachscheiben wie auch Verbundscheiben sein. Eine Verbundscheibe umfasst beispielsweise zwei Scheiben, eine erste und eine zweite Scheibe, die beispielsweise mit einer PVB-Folie verbunden sind. Von den nach außen gerichteten Oberflächen der Verbundscheibe ist wenigstens eine Oberfläche mit einer erfindungsgemäßen Haftvermittlerschicht als oberste Schicht einer Entspiegelungsbeschichtung ausgerüstet.
Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Herstellung eines Substrats zum Beschichten mit einer Easy-to-clean Beschichtung. Ein solches Verfahren umfasst folgende Schritte:
Zunächst wird ein Trägermaterial, insbesondere aus einem Glas oder einer Glaskeramik bereitgestellt. Die zu beschichtende Oberfläche bzw. Oberflächen werden gereinigt. Das Reinigen mit Flüssigkeiten ist in Verbindung mit Glassubstraten eine verbreitete Vorgehensweise. Hierbei werden verschiedene Reinigungsflüssigkeiten. Man unterschiedet hier entmineralisiertes Wasser oder wässrige Systeme wie verdünnte Laugen (pH > 9) und Säuren, Detergent-Lösungen und nichtwässrige Lösungsmittel wie z.B. Alkohole oder Ketone.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann das Trägermaterial vor der Beschichtung auch aktiviert werden. Derartige Aktivierungsverfahren umfassen die Oxidation, Corona-Entladung, Beflammen, UV-Behandlung, Plasmaaktivierung und/oder mechanische Verfahren, wie Aufrauhen, Sandstrahlen, sowie Plasmabehandlungen oder auch Behandlung der zu aktivierenden Substratoberfläche mit Säure und/oder Laugen.
Umfasst die Entspiegelungsbeschichtung als einzige Schicht die erfindungsgemäße Haftvermittlerschicht, die in diesem Fall eine poröse Einschicht-Entspiegelungsschicht ist, so wird für das Herstellungsverfahren ein Sol-Gel Verfahren bevorzugt.
Bei dem bevorzugten Sol-Gel-Verfahren wird eine Reaktion von metallorganischen Ausgangsmaterialien im gelösten Zustand für die Ausbildung der Schichten ausgenutzt. Durch eine gesteuerte Hydrolyse und Kondensationsreaktion der metallorganischen Ausgangsmaterialien baut sich eine Metalloxid-Netzwerkstruktur auf, d.h. eine Struktur, in der die Metallatome durch Sauerstoffatome miteinander verbunden sind, einhergehend mit der Abspaltung von Reaktionsprodukten wie Alkohol und Wasser. Durch Zugabe von Katalysatoren kann dabei die Hydrolysereaktion beschleunigt werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird das Trägermaterial bei der Sol-Gel-Beschichtung mit einer Ziehgeschwindigkeit von etwa 200 mm/min bis etwa 450 mm/min, bevorzugt von etwa 300 mm/min aus der Lösung herausgezogen, wobei der Feuchtigkeitsgehalt der Atmosphäre zwischen etwa 4 g/m3 und etwa 12 g/m3, besonders bevorzugt bei etwa 8 g/m3 liegt.
Falls die Sol-Gel-Beschichtungslösung über einen längeren Zeitraum benutzt oder auch gelagert werden soll, ist es von Vorteil, die Lösung durch Zugabe von einem oder mehreren Komplexbildnern zu stabilisieren. Diese Komplexbildner müssen in der Tauchlösung löslich sein und sollen in vorteilhafter Weise mit dem Lösungsmittel der Tauchlösung verwandt sein. Bevorzugt werden organische Lösungsmittel, die gleichzeitig komplexbildende Eigenschaften besitzen, wie Merhylacetat, Ethylacetat, Acetylaceton, Acetessigester, Ethylmethylketon, Aceton und ähnliche Verbindungen. Diese Stabilisatoren werden der Lösung in Mengen von 1 bis 1,5 ml/l zugesetzt.
Die Lösung zur Herstellung der porösen Entspiegelungsschicht enthält etwa 0,210 mol bis etwa 0,266 mol, bevorzugt etwa 0,238 mol Silizium, etwa 0,014 mol bis etwa 0,070 mol, bevorzugt etwa 0,042 mol Aluminium, etwa 0,253 mmol bis etwa 0,853 mmol, bevorzugt etwa 0,553 mmol HNO₃, etwa 5,2 mmol bis etwa 9,2 mmol, bevorzugt etwa 7,2 mmol Acetylaceton und mindestens einen niederkettigen Alkohol. Das Acetylaceton umgibt hierbei die dreifach geladenen Aluminiumionen und schafft eine Schutzhülle.
Neben der Salpetersäure sind auch andere Säuren geeignet, wie zum Beispiel Salzsäure, Schwefelsäure, Phosphorsäure, Essigsäure, Borsäure, Ameisensäure oder Oxalsäure.
Mit dieser Lösung werden chemisch und mechanisch beständige poröse Aluminium-Silizium-Mischoxidschichten erhalten, wobei das Verhältnis zwischen Silizium und Aluminium in den keramischen Nanopartikeln etwa 1:4.0, bevorzugt etwa 1:20, besonders bevorzugt etwa 1:6,6 beträgt und das Silizium-Aluminium-Mischoxid aus der Zusammensetzung (SiO₂)_1-x(Al₂O₃)_x/2 mit x = 0,05 bis 0,25, bevorzugt 0,15, besteht.
Diese porösen Mischoxidschichten, sind nicht nur chemisch beständig und mechanisch äußerst widerstandsfähig sondern führen zu einer drastischen Erhöhung der Transmission der Schicht oder des Schichtsystems auf dem Trägermaterial.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform umfasst eine Lösung zur Herstellung der porösen Aluminium-Silizium-Mischoxidschicht, bei welcher der niederkettige Alkohol die allgemeine Formel C_nH_2n+1OH mit n = 1, 3, 4 oder 5, bevorzugt n = 2 aufweist. Mit dieser Lösung werden poröse Haftvermittlerschichten erhalten, welche ganz besonders abriebfest sind.
Erfindungsgemäß wird die z.B. auf ein Kalk-Natronglas aufgebrachte Sol-Gel-Schicht, insbesondere mit den porösen Nanopartikeln, bei einer Temperatur zwischen etwa 400 °C und etwa 700 °C, bevorzugt zwischen 430 °C und 560 °C während eines Zeitraums von etwa 30 min bis 120 min, bevorzugt von 60 min, ausgeheizt. Bei thermisch stabileren Gläsern, wie z.B. Borosilikatgläser lässt sich die Temperatur erhöhen und damit die Ausheizzeit verkürzen. Borsilikatgläser können bei einer verkürzten Zeitdauer bei Temperaturen bis 900 °C und Quarz oder Quarzgläser bei Temperaturen bis oberhalb von 1100 C° ausgeheizt werden.
In besonders vorteilhafter Weise bildet die poröse Aluminium-Silizium-Mischoxidschicht keine Kristalle sondern ein Netzwerk aus, welches amorph bis in die kleinsten Dimensionen ist. Aufgrund der Stabilität des porösen Netzwerkes ist es möglich, die mit der porösen Aluminium-Silizium-Mischoxidschicht versehenen Substrate oder Glassubstrate thermisch vorzuspannen, um eine mechanische Härtung oder Stabilisierung des erfindungsgemäßen Substratelements zu erreichen.
Bei einer besonderen Ausführungsform der Erfindung wird das Trägermaterial mit der darauf befindlichen porösen Schicht bei einer Temperatur von etwa 600°C bis etwa 750°C, bevorzugt bei etwa 670°C über einen Zeitraum von etwa 2 min bis 6 min, bevorzugt von 4 min thermisch gehärtet beziehungsweise das Glas thermisch vorgespannt. Hierdurch wird eine zusätzliche Stabilisierung des Trägermaterials und der aufgebrachten porösen Entspiegelungsschicht erreicht. Die Prozessparameter der thermischen Härtung sind dabei auf das jeweilige Trägermaterial anzupassen und zu optimieren.
Besteht die Entspiegelungsbeschichtung aus zumindest zwei Schichten, wird zunächst die, neben der Haftvermittlerschicht eine oder die mehreren anderen Schichten der Entspiegelungsbeschichtung auf dem Trägermaterial aufgebracht. Dies kann durch jedes geeignete Verfahren wie z.B. Chemical Vapor Deposition oder Sputter, bevorzugt aber durch ein Sol-Gel Verfahren geschehen.
Anschließend wird die Haftvermittlerschicht, geeignet für eine spätere Easy-to-clean Beschichtung, auf die zu beschichtende Oberfläche bzw. den Oberflächen aufgebracht, wobei die Haftvermittlerschicht ein Mischoxid, bevorzugt ein dotiertes Siliziumoxid, besonders bevorzugt ein mit einem Oxid eines der Elemente Aluminium, Zinn, Magnesium, Phosphor, Cer, Zirkon, Titan, Caesium, Barium, Strontium, Niob, Zink, Bor oder mit Magnesiumfluorid dotiertes Siliziumoxid, umfasst.
Die Haftvermittlerschicht kann auf die Oberfläche durch Tauchen, Dampfbeschichtung, Sprühen, Drucken, Auftrag mit einer Walze, in einem Wischverfahren einem Streich- oder Rollverfahren und/oder Räkelverfahren oder einer anderen geeigneten Methode aufgebracht werden. Eintauchen und Sprühen sind hierbei bevorzugt.
In einer bevorzugten Ausführung wird eine solche Haftvermittlerschicht durch Tauchbeschichtung nach dem Sol-Gel Prinzip aufgetragen. Bei dem Verfahren wird für die Herstellung einer dotierten SiO₂-Schicht als Haftvermittlerschicht ein vorbereitetes Trägermaterial in eine organische Lösung getaucht, die eine hydrolysierbare Verbindung des Siliziums enthält. Im Zuge der Vorbereitung des Trägermaterials für den Auftrag der Haftvermittlerschicht bzw. der Haftvermittlervorläuferschicht können noch andere Entspiegelungsschichten, die mit der Haftvermittlerschicht Teil einer Entspiegelungsbeschichtung bilden, aufgetragen werden. Beispielsweise entsprechend 1 wird eine Entspiegelungsschicht 32 und 33 aufgetragen, welche mit der Haftvermittlerschicht 31 Teil der Entspiegelungsbeschichtung 3 auf dem Trägermaterial 2, z. B. einer Glasscheibe sind. Das Trägermaterial wird dann aus dieser Lösung gleichmäßig in eine Feuchtigkeit enthaltene Atmosphäre herausgezogen. Die Schichtdicke der sich bildenden dotierten SiO₂-Haftvermittlervorläuferschicht wird über die Konzentration der Silizium-Ausgangsverbindung in der Tauchlösung und die Ziehgeschwindigkeit bestimmt. Bevorzugt wird die Schicht nach dem Auftrag getrocknet, um eine höhere mechanische Festigkeit beim Transfer in den Hochtemperaturofen zu erreichen. Diese Trocknung kann in einem weiten Temperaturbereich stattfinden. Typischerweise werden bei Temperaturen im Bereich von 200°C hierfür Trocknungszeiten von wenigen Minuten benötigt. Niedrigere Temperaturen resultieren in längeren Trocknungszeiten. Wenn eine mechanische Beschädigung der Oberfläche ausgeschlossen werden kann, ist es auch möglich direkt nach dem Auftrag zu dem Verfahrensschritt der thermischen Verfestigung im Hochtemperaturofen zu gehen. Der Trocknungsschritt dient hierbei der mechanischen Stabilisierung der Beschichtung.
Die Ausbildung der im wesentlichen oxidischen Haftvermittlerschicht aus dem aufgetragenen Gelfilm geschieht im Hochtemperaturschritt, bei dem organische Bestandteile des Gels ausgebrannt werden. Hierbei wird dann zur Erzeugung der endgültigen dotierten Siliziumoxid-Schicht bzw. Mischoxidschicht als Haftvermittlerschicht die Haftvermittlervorläuferschicht bei Temperaturen unterhalb der Erweichungstemperatur des Trägermaterial, bevorzugt bei Temperaturen kleiner 500 °C, insbesondere zwischen 350 und 550 °C, besonders bevorzugt zwischen 400 und 500 °C Substratoberflächentemperatur eingebrannt.
Die Erzeugung dünner Oxid-Schichten aus organischen Lösungen ist seit vielen Jahren wohlbekannt, siehe hierzu z. B. H. Schröder, Physics of Thin Films 5, Academic Press New York and London (1967, Seiten 87–141) oder auch US-PS 4,568,578 .
Das anorganische Sol-Gel Material, aus dem die Sol-Gel Schichten hergestellt werden, ist vorzugsweise ein Kondensat, insbesondere umfassend ein oder mehrere hydrolysierbare und kondensierbare oder kondensierte Silane und/oder Metall-Alkoxide, vorzugsweise des Si, Ti, Zr, Al, Nb, Hf und/oder Ge. Bevorzugt kann es sich bei den im Sol-Gel Prozess über anorganische Hydrolyse und/oder Kondensation vernetzten Gruppen, beispielsweise um folgende funktionelle Gruppen handeln: TiR4, ZrR4, SiR4, AlR3, TiR3(OR), TiR2(OR)2, ZrR2(OR)2, ZrR3(OR), SiR3(OR), SiR2(OR)2, TiR(OR)3, ZrR(OR)3, AlR2(OR), AlR1(OR)2, Ti(OR)4, Zr(OR)4, Al(OR)3, Si(OR)4, SiR(OR)3 und/oder Si2(OR)6, und/oder einer der folgenden Stoffe oder Stoffgruppen mit OR: Alkoxy wie vorzugsweise Methoxy, Ethoxy, n-Propoxy, i-Propoxy, Butoxy, Isopropoxyethoxy, Methoxypropoxy, Phenoxy, Acetoxy, Propionyloxy, Ethanolamin, Diethanolamin, Triethanolamin, Methacryloxypropyl, Acrylat, Methyacrylat, Acetylaceton, Ethylacetatessigester, Ethoxyacetat, Methoxyacetat, Methoxyethoxyacetat und/oder Methoxyethoxyethoxyacetat, und/oder einer der folgenden Stoffe oder Stoffgruppen mit R: Cl, Br, F, Methyl, Ethyl, Phenyl, n-Propyl, Butyl, Ally, Vinyl, Glycidylpropyl, Methacryloxypropyl, Aminopropyl und/oder Fluoroctyl.
Allen Sol-Gel Reaktionen ist gemeinsam, dass molekulardisperse Vorstufen über Hydrolyse-, Kondensations- und Polymerisationsreaktionen zunächst zu partikulardispersen bzw. kolloidalen Systemen reagieren. In Abhängigkeit von den gewählten Bedingungen können zuerst gebildete „Primärpartikel“ weiter wachsen, sich zum Clustern aggregieren oder eher lineare Ketten ausbilden. Die so entstandenen Einheiten bedingen Mikrostrukturen, die sich durch die Entfernung des Lösungsmittels ergeben. Im Ideallfall kann das Material thermisch vollständig verdichtet werden, in der Realität verbleibt aber oft ein z. T erhebliches Maß an Restporosität. Deshalb haben die chemischen Bedingungen bei der Sollherstellung einen entscheidenden Einfluss auf die Eigenschaften von Sol-Gel Beschichtungen, wie P. Löbmann, “Sol-Gel-Beschichtungen“, Forbildungskurs 2003 „Oberflächen Veredelung von Glass“, Hüttentechnische Vereinigung der deutschen Glasindustrie beschreibt.
Si-Ausgangsmaterialen wurden bisher am besten untersucht, siehe hierzu C. Brinker, G. Scherer, „Sol-Gel-Science – The Physic and Chemistry of Sol-Gel Processing (Academic Press, Boston 1990), R. Iller, The Chemistry of Silica (Willey, New York, 1979). Die am meisten verwendeten Si-Ausgangsmaterialien sind Siliciumalkoxide in der Formel Si(OR)4, die bei der Wasserzugabe hydrolysieren. Unter sauren Bedingungen entstehen bevorzugt lineare Verbände. Unter basichen Bedingungen reagieren die Siliziumalkoxide zu höher vernetzten „globularen“ Partikeln. Die Sol-Gel Beschichtungen enthalten vorkondensierte Partikel und Cluster.
Üblicherweise wird zur Herstellung einer SiO₂-Tauchlösung als Ausgangsverbindung Kieselsäuretetraethylester oder Kieselsäuremethylester verwendet. Dieser wird mit einem organischen Lösungsmittel, z. B. Ethanol, Hydrolysewasser und Säure als Katalysator in der angegebenen Reihenfolge versetzt und gut durchmischt. Dazu werden vorzugsweise dem Hydrolysewasser Mineralsäuren wie beispielsweise HNO₃, HCl, H₂SO₄ oder organische Säuren wie Essigsäure, Ethoxyessigsäure, Methoxyessigsäure, Polyethercarbonsäuren (z.B. Ethoxyethoxyessigsäure) Zitronensäure, Paratoluolsulfonsäure, Milchsäure, Methylarcrylsäure oder Acrylsäure zugegeben.
In einer besonderen Ausführungsform wird die Hydrolyse ganz oder teilweise im alkalischen, beispielsweise unter Verwendung von NH₄OH und/oder Tetramethylamoniumhydroxid und/oder NaOH durchgeführt.
Zur Herstellung der Haftvermittlerschicht für das erfindungsgemäße Substrat wird die Tauchlösung wie folgt hergestellt: Die Silizium-Ausgangsverbindungen werden in einem organischen Lösungsmittel gelöst. Als Lösungsmittel können Verwendung finden alle organischen Lösungsmittel, die die Silizium-Ausgangsverbindung lösen und die in der Lage sind, weiterhin eine ausreichende Menge an Wasser zu lösen, das zur Hydrolyse der Silizium-Ausgangsverbindung erforderlich ist. Geeignete Lösungsmittel sind z. B. Toluol, Cyclohexan oder Aceton, insbesondere aber C1-C6-Alkohole z. B. Methanol, Ethanol, Propanol, Butanol, Pentanol, Hexanol oder ihre Isomeren. Üblicherweise werden niedere Alkohole, insbesondere Methanol und Ethanol benutzt, da sie einfach zu handhaben sind und einen verhältnismäßig niedrigen Dampfdruck besitzen.
Als Silizium-Ausgangsverbindung werden insbesondere Kieselsäure C1-C4 Alkylester, d. h. Kieselsäuremethylester, -ethylester, -propylester oder -butylester benutzt. Bevorzugt wird der Kieselsäuremethylester.
Üblicherweise beträgt die Konzentration der Silizium-Ausgangsverbindung in dem organischen Lösungsmittel etwa 0,05–1 mol/Liter. Dieser Lösung wird zum Zwecke der Hydrolyse der Silizium-Ausgangsverbindung 0,05–12 Gew.-% Wasser, vorzugsweise destilliertes Wasser, und 0,01–7 Gew.-% eines sauren Katalysators zugesetzt. Dazu werden vorzugsweise organische Säuren wie Essigsäure, Ethoxyessigsäure, Methoxyessigsäure, Polyethercarbonsäuren (z.B. Ethoxyethoxyessigsäure) Zitronensäure, Paratoluolsulfonsäure, Milchsäure, Methylarcrylsäure oder Acrylsäure oder Mineralsäuren wie beispielsweise HNO₃, HCl, H₂SO₄ oder zugegeben.
Der ph-Wert, der Lösung sollte etwa zwischen ph 0,5 und ph 3 liegen. Ist die Lösung nicht sauer genug (ph > 3) so besteht die Gefahr, dass sich die Polykondensate/Cluster vergrößern. Wird die Lösung zu sauer so besteht die densate/Cluster vergrößern. Wird die Lösung zu sauer so besteht die Gefahr, dass die Lösung geliert.
In einer weiteren Ausführungsform kann die Lösung in zwei Schritten hergestellt werden. Der erste Schritt läuft wie oben beschreiben ab. Diese Lösung wird nunmehr stehengelassen (gereift). Die Reifezeit wird dadurch erreicht, dass die gereifte Lösung mit weiterem Lösungsmittel verdünnt wird und die Reifung durch Verschieben des ph-Wertes der Lösung in den stark sauren Bereich gestoppt wird. Bevorzugt wird ein Verschieben in einen ph-Bereich von 1,5 bis 2,5. Die Verschiebung des ph-Wertes in den stark sauren Bereich erfolgt bevorzugt durch Zugabe einer anorganischen Säure, insbesondere durch Zugabe von Salzsäure, Salpetersäure, Schwefelsäure, Phosphorsäure oder auch von organischen Säuren, wie z. B. Oxalsäure oder dergleichen. Bevorzugt wird die starke Säure in einem organischen Lösungsmittel, insbesondere in dem Lösungsmittel, in dem auch die Silizium-Ausgangsverbindung gelöst ist, zugegeben. Dabei ist es auch möglich, die Säure in so viel Lösungsmittel, insbesondere wieder in alkoholischer Lösung, zuzugeben, dass das Verdünnen der Ausgangslösung und das Stoppen in einem Schritt erfolgt.
In einer besonderen Ausführungsform wird die Hydrolyse ganz oder teilweise im alkalischen, beispielsweise unter Verwendung von NH₄OH und/oder Tetramethylamoniumhydroxid und/oder NaOH durchgeführt.
Die Sol-Gel Beschichtungen enthalten vorkondensierte Partikel und Cluster, die verschiedene Strukturen aufweisen können. Tatsächlich kann man diese Strukturen mit Streulichtexperimenten nachweisen. Durch Prozessparameter wie Temperatur, Dossierraten, Rührgeschwindigkeit, besonders aber durch den pH-Wert können diese Strukturen in Solen hergestellt werden. Es hat sich gezeigt, dass mit Hilfe von kleinen SiO₂-Polykondensaten/Clustern, mit einem Durchmesser von kleiner gleich 20 nm, bevorzugt kleiner gleich 4 nm, und besonders bevorzugt im Bereich von 1 bis 2 nm Tauchschichten hergestellt werden können, die dichter gepackt sind, als herkömmlich SiO₂-Schichten. Bereits dies führt zu einer Verbesserung der chemischen Beständigkeit.
Eine weitere Verbesserung der chemischen Beständigkeit und der Funktion als Haftvermittlerschicht wird dadurch erreicht, dass die Lösung mit geringen Mengen eines Dotierungsmittels versetzt wird, das sich homogen in der Lösung verteilt und in der späteren Schicht ebenso verteilt ist und ein Mischoxid bildet. Als Dotierungsmittel geeignet sind hydrolysierbare bzw. dissoziierende anorganische gegebenenfalls kristallwasserhaltige Salze von Zinn, Aluminium, Phosphor, Bor, Cer, Zirkon, Titan, Caesium, Barium, Strontium, Niob oder Magnesium, z. B. SnCl₄, SnCl₂, AlCl₃, Al(NO₃)₃, Mg(NO₃)₂, MgCl₂, MgSO₄, TiCl₄, ZrCl₄, CeCl₃, Ce(NO₃)₃ und dergleichen. Diese anorganischen Salze können sowohl in wasserhaltiger Form als auch mit Kristallwasser verwendet werden. Sie sind aufgrund ihres geringen Preises im Allgemeinen bevorzugt.
In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform können als Dotierungsmittel Metall-Alkoxide von Zinn, Aluminium, Phosphor, Bor, Cer, Zirkon, Titan, Caesium, Barium, Strontium, Niob oder Magnesium, vorzugsweise des Titan, Zirkon, Aluminium oder Niob, verwendet werden.
Ferner sind geeignet Phosporsäureester, wie Phosphorsäuremethyl bzw. Ethylester, Phosphorhalogenide, wie Chloride und Bromide, Borsäureester, wie Ethyl-, Methyl-, Butyl- oder Propylester, Borsäureanhydrid, BBr₃, BCl₃, Magnesiummethylat oder -ethylat und dergleichen.
Dieses Dotierungsmittel wird in einer Konzentration von etwa 0,5–20 Gew.-% gerechnet als Oxid, bezogen auf den Silizium-Gehalt der Lösung, gerechnet als SiO’, zugegeben.
Die Dotierungsmittel können jeweils auch in beliebiger Kombination miteinander eingesetzt werden.
Falls die Tauchlösung über einen längeren Zeitraum benutzt oder auch gelagert werden soll, kann es von Vorteil sein, wenn die Lösung durch Zugabe von einem oder mehreren Komplexbildnern zu stabilisieren. Diese Komplexbildner müssen in der Tauchlösung löslich sein und sollen vorteilhafter Weise mit dem Lösungsmittel der Tauchlösung verwandt sein.
Als Komplexbildner können z.B. Ethylacetoacetat, 2,4-Pentandion (Acetylaceton), das 3,5-Heptandion, das 4,6-Nonandion oder das 3-Methyl-2,4-pentandion, 2-Methylacetylaceton, Triethanolamin, Diethanolamin, Ethanolamin, 1,3-Propanediol, 1,5-Pentanediol, Carbonsäuren wie Essigsäure, Propionsäure, Ethoxyessigsäure, Methoxyessigsäure, Polyethercarbonsäuren (z.B. Ethoxyethoxyessigsäure) Zitronensäure, Milchsäure, Methylarcrylsäure, Acrylsäure verwendet werden.
Das molare Verhältnis von Komplexbildner zu Halbmetalloxid- und/oder Metalloxid-Vorstufe beträgt dabei 0,1 bis 5.
Beispiele:
Die Herstellung der fertigen Schichten wurde wie folgt vorgenommen: eine sorgfältig gereinigte Floatglasscheibe im Format 10 × 20 cm wurde in die jeweilige Tauchlösung getaucht. Die Scheibe wurde dann mit einer Geschwindigkeit von 6 mm/sek. wieder herausgezogen, wobei der Feuchtigkeitsgehalt der Umgebungsatmosphäre zwischen 5 g/m³ und 10 g/m³ liegt, bevorzugt 8 g/m³ betrug. Anschließend wurde das Lösungsmittel bei 90 bis 100 °C verdampft und danach die Schicht bei einer Temperatur von 450 °C 20 Minuten lang eingebrannt. Die Schichtdicke der so hergestellten Schichten betrug ca. 90 nm.
Herstellung von Beispiel-Lösungen:
1. Tauchlösung
Es werden 125 ml Ethanol vorgelegt. Dazu werden unter Rühren 45 ml Kieselsäuremethylester, 48 ml dest. Wasser und 6 ml Eisessig gegeben. Nach der Zugabe von Wasser und Essigsäure wird die Lösung 4 h gerührt, wobei die Temperatur 40 °C nicht übersteigen darf. Gegebenenfalls muss die Lösung gekühlt werden. Anschließend wird die Reaktionslösung mit 675 ml Ethanol verdünnt und mit 1 ml HCl versetzt. Zu dieser Lösung werden dann 10 g SnCl₄ × 6 H₂O gelöst in 95 ml Ethanol und 5 ml Acetylaceton gegeben.
2. Tauchlösung
Es werden 125 ml Ethanol vorgelegt. Dazu werden unter Rühren 45 ml Kieselsäuremethylester, 48 ml dest. Wasser und 1,7 g 37%ige HCl gegeben. Nach der Zugabe von Wasser und Salzsäure wird die Lösung 10 min gerührt, wobei die Temperatur 40 °C nicht übersteigen darf. Gegebenenfalls muss die Lösung gekühlt werden. Anschließend wird die Reaktionslösung mit 675 ml Ethanol verdünnt. Zu dieser Lösung werden dann 10 g SnCl₄ × 6 H₂O gelöst in 95 ml Ethanol und 5 ml Acetylaceton gegeben.
3. Tauchlösung
In 125 ml Ethanol werden unter Rühren 60,5 ml Kieselsäuretetraethylester, 30 ml destilliertes Wasser und 11,5 g 1 N Salpetersäure zugegeben. Nach der Zugabe von Wasser und Salpetersäure wird die Lösung 10 min gerührt, wobei die Temperatur 40 °C nicht übersteigen darf. Gegebenenfalls muss die Lösung gekühlt werden. Anschließend wird die Lösung mit 675 ml Ethanol verdünnt. Zu dieser Lösung werden nach 24 h 10,9 g Al(NO₃)₃ × 9 H₂O gelöst in 95 ml Ethanol und 5 ml Acetylaceton gegeben.
4. Tauchlösung
In 125 ml Ethanol werden unter Rühren 60,5 ml Kieselsäuretetraethylester, 30 ml destilliertes Wasser und 11,5 g 1 N Salpetersäure zugegeben. Nach der Zugabe von Wasser und Salpetersäure wird die Lösung 10 min gerührt, wobei die Temperatur 40 °C nicht übersteigen darf. Gegebenenfalls muss die Lösung gekühlt werden. Anschließend wird die Lösung mit 675 ml Ethanol verdünnt. Zu dieser Lösung werden 9,9 g Tetrabutylortotitanat gelöst in 95 ml Ethanol und 4 g Ethylacetat gegeben.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird eine Lösung aus Siliziumoxid mit Dotierungszusätzen auf ein Trägersubstrat aufgetragen und im Zuge eines thermischen Vorspannprozesses thermisch verfestigt. Die thermische Verfestigung der Sol-Gel-Schicht erfolgt in situ mit einem anschließenden thermischen Vorspannen des Substrates bei Substratoberflächentemperaturen oberhalb von 500°C. Dies beinhaltet eine sehr kostengünstige Herstellung, da das Vorspannen und die thermische Verfestigung der Haftvermittlerschicht in einem Prozess erfolgt. Hierbei beträgt die Ofentemperatur je nach Temperatur-Zeit-Kurve etwa 650°C. Im Anschluss an die Temperaturbehandlung erfolgt eine Schockkühlung.
In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird zusätzlich auf die Haftvermittlerschicht 3 (gemäß 2) eine Deckschicht 4 als partikuläre Schicht oder als eine geschlossene poröse Schicht aufgebracht, insbesondere mittels einer flammenpyrolytischen Beschichtung, einem thermischen Beschichtungsverfahren, Kaltgasspritzen oder Sputtern, wobei die Deckschicht bevorzugt aus Siliziumoxid besteht. Die Deckschicht kann hierbei auch aus einem dotieren Siliziumoxid bestehen. Als Dotierung eignet sich beispielsweise ein Oxid eines der Elemente Aluminium, Zinn, Magnesium, Phosphor, Cer, Zirkon, Titan, Caesium, Barium, Strontium, Niob, Zink, Bor oder Magnesiumfluorid.
Gegenstand der Erfindung ist auch die Verwendung eines erfinderischen Substratelements zum Beschichten mit einer Easy-to-clean Beschichtung, insbesondere mit einer fluororganischen Verbindung. Das Substratelement umfasst dabei eine Trägerplatte, insbesondere aus Glas oder Glaskeramik, und eine Entspiegelungsbeschichtung, bestehend aus einer oder aus zumindest zwei Schichten, wobei die eine Schicht oder die oberste Schicht der zumindest zwei Schichten eine Haftvermittlerschicht ist, welche ein Mischoxid umfasst, bevorzugt ein dotiertes Siliziumoxid, besonders bevorzugt ein mit einem Oxid eines der Elemente Aluminium, Zinn, Magnesium, Phosphor, Cer, Zirkon, Titan, Caesium, Barium, Strontium, Niob, Zink, Bor oder mit Magnesiumfluorid dotiertes Siliziumoxid.
In einer weiteren Ausgestaltung der Verwendung ist über der Haftvermittlerschicht eine Deckschicht angeordnet. Diese Deckschicht ist eine partikuläre oder eine geschlossene poröse Schicht, insbesondere aus Siliziumoxid, wobei das Siliziumoxid auch ein dotiertes Siliziumoxid, insbesondere ein mit einem Oxid eines der Elemente Aluminium, Zinn, Magnesium, Phosphor, Cer, Zirkon, Titan, Caesium, Barium, Strontium, Niob, Zink, Bor oder mit Magnesiumfluorid dotiertes Siliziumoxid ist.
Solche erfinderischen Substrate finden Verwendung zum Beschichten mit einer Easy-to-clean Beschichtung. Insbesondere kann diese Easy-to-clean Beschichtung eine Antifingerprint-Beschichtung oder eine Antihaft-Beschichtung sein. Im Falle der Anti-Haft Beschichtungen wirken die Schichten sehr glatt, so dass ein mechanischer Oberflächenschutz erreicht wird. Üblicherweise weisen die im folgenden angesprochenen Schichten mehrere Eigenschaften aus dem Bereich Easy-to-Clean, Antihaft, Antifingerprint oder glättende Oberfläche auf. Jedes der Produkte ist dabei in einem Bereich besser geeignet, so dass durch Wahl der richtigen Art von Easy-to-clean Beschichtung in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Substratelement Produkte mit optimierten Easy-to-clean Eigenschaften besonderer Langlebigkeit erzielt werden können.
Easy-to-clean Beschichtungen gibt es vielfältig am Markt erhältlich. Insbesondere sind es fluororganische Verbindungen, wie sie beispielsweise die DE 19848591 beschreibt. Bekannte Easy-to-clean Beschichtungen sind Produkte auf Basis Perfluorpolyether unter der Bezeichnung „Fluorolink^® PFPE“ wie „Fluorolink^® S10“ von Fa. Solvay Solexis oder auch „Optool^TM DSX“ oder „Optool^TM AES4-E“ von Fa. Daikin Industries LTD, „Hymocer^® EKG 6000N“ von der Firma ETC products GmbH oder Fluorsilane unter der Bezeichnung „FSD“, wie „FSD 2500“ oder „FSD 4500“ von Fa. Cytonix LLC oder Easy Clean Coating „ECC“-Produkte wie „ECC 3000“ oder „ECC 4000“ von Fa. 3M Deutschland GmbH. Hierbei handelt es sich um flüssig aufgebrachte Schichten. Antifingerprint-Beschichtungen, beispielsweise als Nanoschichtsysteme, welche mittels physikalischer Gasphasenabscheidung aufgetragen werden, werden beispielsweise von Fa. Cotec GmbH unter der Bezeichnung „DURALON UltraTec“ angeboten.
In der Fortführung der Erfindung weisen mit den Produkten beschichtete Substrate bessere Eigenschaften, insbesondere Langzeiteigenschaften auf, wenn sie auf dem erfinderischen Substratelement aufgetragen werden. Folgende Beispiele sollen dies verdeutlichen. Die Testsubstrate wurden nach dem Auftrag der Beschichtung zur Charakterisierung folgenden Tests unterworfen:
1. Neutralsalz-Sprühversuch nach DIN EN 1096-2:2001-05 (NSS-Test)
Als besonders herausfordernder Test hat sich der Neutralsalz-Sprühtest erwiesen, bei dem die beschichteten Glasproben 21 Tage bei konstanter Temperatur einer neutralen Salzwasser-Atmosphäre ausgesetzt werden. Der Salzwassersprühnebel bewirkt die Beanspruchung der Beschichtung. Die Glasproben stehen in einem Probenhalter, sodass die Proben einen Winkel von 15 ± 5° mit der Vertikalen bilden. Die neutrale Salzlösung wird hergestellt, indem reines NaCl in deionisiertem Wasser gelöst wird, so dass eine Konzentration von (50 ± 5)g/l bei (25 ± 2)°C erreicht wird. Die Salzlösung wird über eine geeignete Düse zerstäubt, um einen Salzsprühnebel zu erzeugen. Die Betriebstemperatur in der Prüfkammer muss 35 ± 2 °C betragen.
Vor dem Test sowie nach 168 h, 336 h und 504 h Testzeit wird jeweils der Kontaktwinkel zu Wasser gemessen, um die Beständigkeit der hydrophoben Eigenschaft zu charakterisieren. Bei einem Rückgang des Kontaktwinkels unter 60° wurde der Versuch jeweils abgebrochen, da dieses mit einem Verlust der hydrophoben Eigenschaft korreliert.
2. Prüfung der Kondenswasserbeständigkeit nach DIN EN 1096-2:2001-05 (KK-Test)
Die beschichteten Glasproben werden 21 Tage bei konstanter Temperatur einer mit Wasserdampf gesättigten Atmosphäre ausgesetzt. Auf den Proben bildet sich eine durchgehende Kondensatschicht und der Kondensationsvorgang beansprucht die Beschichtung. Die Glasproben stehen in einem Probenhalter, so dass die Proben einen Winkel von 15 ± 5° mit der Vertikalen bilden. In der Mitte der Prüfkammer befindet sich die mit einem Thermoelement versehene Temperaturmeßprobe. Die Prüfkammer hat eine Raumtemperatur von (23 ± 3)°C. Die Bodenwanne wird mit demineralisiertem Wasser und einem pH-Wert von größer als 5 gefüllt. Die Prüfkammer wird über die Temperaturmeßprobe geregelt, wobei diese eine Temperatur von 40 ± 1,5 °C haben muss. Auf den Proben muss sich Kondenswasser bilden. Die Prüfung wird ohne Unterbrechung über die vorgeschriebene Dauer von 21 Tagen durchgeführt, bzw. bis erste Schäden erkennbar sind.
Vor dem Test sowie nach 168 h, 336 h und 504 h Testzeit wird jeweils der Kontaktwinkel zu Wasser gemessen, um die Beständigkeit der hydrophoben Eigenschaft zu charakterisieren.
3. Abriebfestigkeitsprüfung (Schrupptest)
Die Probe wird im Prüfgerät befestigt. Der mit Filz versehene Abriebfinger wird auf die Glasoberfläche abgesenkt und drückt mit einer Last von 6 ± 2 N/cm² auf dieselbe. Der Abriebfinger wird mit einer Frequenz von 30 ± 6 Zyklen je Minute bewegt. Die Prüfung wird ohne Unterbrechung über die Dauer von jeweils 500 Zyklen (Hübe) mit trockenem Abriebfinger und 100 Zyklen (Hübe) mit einem mit Ethanol getränkten Abriebfinger durchgeführt.
Vor und nach dem Test wird jeweils der Kontaktwinkel zu Wasser gemessen um ein Maß für die Beständigkeit der Schicht zu erhalten.
4. Kontaktwinkelmessung
Die Kontaktwinkelmessung erfolgte mit dem Gerät PCA100, welches Bestimmung der Kontaktwinkel mit verschiedenen Flüssigkeiten und der Oberflächenenergie ermöglicht.
Der Messbereich reicht für den Kontaktwinkel von 10 bis 150° und für die Oberflächenenergie von 1·10^–2 bis 2·10³ mN/m. Je nach Beschaffung der Oberflächen (Sauberkeit, Uniformität der Oberfläche) kann der Kontaktwinkel auf 1° genau bestimmt werden. Die Genauigkeit der Oberflächenenergie richtet sich danach, wie genau sich die einzelnen Kontaktwinkel auf einer nach Owens-Wendt-Kaelble berechneten Regressionsgeraden befinden und wird als Regressionswert mit angegeben.
Es können Proben jeder Größe vermessen werden, da es sich um ein portables Gerät handelt und es auf große Scheiben zum Messen aufgesetzt werden kann. Die Probe muss mindestens so groß sein, dass ein Tropfen aufgesetzt werden kann ohne mit dem Probenrand in Konflikt zu kommen. Das Programm kann verschiedene Tropfen-Methoden bearbeiten. Hier wird üblicherweise die Sessil Drop-Methode (liegender Tropfen) benutzt und mit der „ellipse fitting“ (Ellipsen-Methode) ausgewertet.
Vor der Messung wird die Probenoberfläche mit Ethanol gereinigt. Dann wird die Probe positioniert, die Meßflüssigkeit aufgetropft und der Kontaktwinkel gemessen. Die Oberflächenenergie (polarer und disperser Anteil) wird aus einer nach Owens-Wendt-Kaelble angepassten Regressionsgerade ermittelt.
5. Fingerprinttest
Der Fingerprinttest dient zum reproduzierbaren Aufbringen eines Fingerabdrucks (Fingerprints) auf eine Substratoberfläche und zur Beurteilung der Reinigungsfähigkeit.

Der erste Teil des Versuchs beinhaltet die Intensität des Fingerabdrucks. Mit einem Stempel wird ein nachgestellter reproduzierbarer Fingerprint zur Beurteilung der Fingerprintauffälligkeit auf eine Substratoberfläche aufgebracht. Der Stempel mit einer Stempelplatte aus lösungsmittelbeständigem Material hat eine Grundfläche von 3,5 × 3,9 cm² und weist eine Struktur konzentrischer Ringe auf mit einem Rillenabstand von ca. 1,2 mm und einer Rillentiefe von ca. 0,5 mm. Es werden jeweils folgende 3 Prüfmedien auf die Stempelfläche aufgetragen:

Medium 1:	alkalischer Kunstschweiß nach DIN ISO 105-E04, dest. Wasser, 98% alkalische Lösung, Hersteller: www.synthetic-urine.de
Medium 4:	Typ A Sonnencreme Prüfcreme nach VW PV 3964, Hersteller: www.thierry-gmbh.de
Medium 7:	Handschweißlösung nach BMW Prüfvorschrift 506, hergestellt aus 50g alkalischer Kunstschweiß nach DIN ISO 105-E04, 2g Paraffinöl, 1,5g Lecithin (Fluidlecithin Super, Fa. Brennnessel München) und 0,3g Gelbildner (PNC400, Fa. Brennnessel München)

Zum Auftragen der Prüfmedien wird ein Filz in einer Petrischale mit dem Medium getränkt und der Stempel mit 1 kg Gewicht auf den getränkten Filz gedrückt. Der Stempel wird anschließend mit 3 kg auf die zu stempelnde Substratfläche gedrückt. Die Substratoberfläche muss vor Versuchsbeginn staub-, fettfrei und trocken sein. Das Stempelbild als Abdruck in Form einzelner Ringe darf anschließend nicht verschmiert sein. Je Medium werden mindestens drei Fingerprinte gestempelt. Vor der Beurteilung werden die Fingerprinte ca. 12h getrocknet.
Bei der Auswertung des Prints soll festgestellt werden wie viel eines Printmediums auf der Probenoberfläche verbleibt, und wie flächig es sich ausbreiten kann. Hierzu wird der Print mit einer Kaltlichtleuchte KL1500LCD (Fa. Schott) mit Spaltringleuchte in einem Kameramessplatz beleuchtet, fotographiert und über eine Bildauswertung mit Bildauswertungssoftware NI Vision analysiert. Die Printe werden ausschließlich ohne Glanz aufgenommen, um eine Bildauswertung möglich zu machen. Es werden die Intensitätswerte ermittelt und ein Mittelwert und Streubreite berechnet. Die Streubreite sollte kleiner gleich 0,065 betragen.
Der zweite Teil des Versuches beinhaltet das Abreinigungsverhalten des aufgebrachten Fingerprints. Hierzu dient eine Wasch- und Scheuerbeständigkeits-Prüfmaschine von Elcometer mit einem speziellen Aufsatz um einen Schrubbkopf am Fahrschlitten zu befestigen sowie einen Schrubbkopf. Auf dem Schrubbkopf wird ein Tuch (Cheesecloth von SDL ATLAS M238C Cotton Lawn Rubbing Fabric 5 × 5cm² nach ISO 105 F09/AATCC8, 116,165) mit einem Spannring aufgespannt. Der Test erfolgt mit 5 Hüben mit einer Hublänge von 30 mm und einem Auflagegewicht von 250g.
Bei der Auswertung des Prints soll festgestellt werden wie viel eines Printmediums auf der Probenoberfläche verbleibt, bzw. wie flächig sich der Print verschmiert hat. Hierzu wird der Print mit einer Kaltlichtleuchte KL1500LCD (Fa. Schott) mit Spaltringleuchte in einem Kameramessplatz beleuchtet, fotographiert und über eine Bildauswertung mit Bildauswertungssoftware NI Vision analysiert. Die Printe werden ausschließlich ohne Glanz aufgenommen, um eine Bildauswertung möglich zu machen. Es werden die Intensitätswerte ermittelt und ein Mittelwert und Streubreite berechnet. Die Streubreite sollte kleiner gleich 0,065 betragen.
Herstellung Musterbeispiel Proben 1 – Erfindungsgemäßes Substrat
Eine sorgfältig gereinigte Borosilikat-Floatglasscheibe als Trägermaterial im Format 10 × 20 cm wurde mit einer Entspiegelungsbeschichtung beschichtet mit einem Schichtaufbau entsprechend 1. Die Entspiegelungsbeschichtung besteht aus drei Einzelschichten und besitzt die Struktur: Trägermaterial + Schicht M + Schicht T + Schicht S, wobei die Schicht S die Haftvermittlerschicht darstellt. Die Einzelschichten werden jeweils in einem getrennten Tauchschritt aufgetragen. Die mit T gekennzeichneten Schichten enthalten Titandioxid TiO₂, die mit S gekennzeichnete Deckschicht enthält dotiertes Siliziumdioxid SiO₂, die M-Schichten werden jeweils aus S- und T-Mischlösungen gezogen. Die Tauchlösungen für Schichten M und T werden jeweils in auf 28° C klimatisierten Räumen bei einer Luftfeuchtigkeit von 5 bis 12 g/m³, bevorzugt 8 g/m³ auf das Trägermaterial aufgetragen, die Ziehgeschwindigkeiten betragen dabei für die Einzelschichten M und T: 7 und 4 mm/sek.
Auf das Ziehen einer jeden Gelschicht folgt ein Ausheizprozeß an Luft. Die Ausheiztemperaturen und Ausheizzeiten betragen 180° C/20 min nach Herstellung der M-Gelschicht sowie 440° C/30 min nach Herstellung der T-Gelschicht. Im Falle der T-Schichten setzt sich die Tauchlösung (pro Liter) zusammen aus: 68 ml Titan-n-Butylat, 918 ml Ethanol (abs.), 5 ml Acetylaceton und 9 ml Ethyl-Butyrylacetat. Die Beschichtungslösungen zur Herstellung der M-Schicht mit mittlerem Brechungsindex werden durch Mischung der S- und T-Lösungen präpariert. Sie wird aus einer Tauchlösung mit einem Siliziumoxidgehalt von 5,5 g/l und einem Titanoxidgehalt von 2,8 g/l gezogen, die entsprechenden Oxidgehalte der M-Tauchlösung betragen 11,0 g/l bzw. 8,5 g/l.
Alternative Beschichtungsverfahren sind beispielsweise das physikalische Aufdampfen im Hochvakuum und seine Weiterentwicklungen hinsichtlich Ionenund Plasmaunterstützung und die Kathodenzerstäubung.
Zur Herstellung der Tauchlösung für die S-Schicht als Haftvermittlerschicht und oberste Schicht der Entspiegelungsbeschichtung werden in 125 ml Ethanol unter Rühren 60,5 ml Kieselsäuretetraethylester, 30 ml destilliertes Wasser und 11,5 g 1 N Salpetersäure zugegeben. Nach der Zugabe von Wasser und Salpetersäure wird die Lösung 10 min gerührt, wobei die Temperatur 40 °C nicht übersteigen darf. Gegebenenfalls muss die Lösung gekühlt werden. Anschließend wird die Lösung mit 675 ml Ethanol verdünnt. Zu dieser Lösung werden nach 24 h 10,9 g Al(NO₃)₃ × 9 H₂O gelöst in 95 ml Ethanol und 5 ml Acetylaceton gegeben.
Das Trägermaterial mit der vorbereiteten M- und T-Schicht wurde in die Tauchlösung getaucht. Die Scheibe wurde mit einer Geschwindigkeit von 6 mm/sek. wieder herausgezogen, wobei der Feuchtigkeitsgehalt der Umgebungsatmosphäre zwischen 5 g/m³ und 12 g/m³, bevorzugt 8 g/m³ lag. Anschließend wurde das Lösungsmittel bei 90 bis 100 °C verdampft und danach die Schicht bei einer Temperatur von 450 °C 20 Minuten lang eingebrannt. Die Schichtdicke der so hergestellten Schichten betrug ca. 90 nm.
Herstellung Musterbeispiel Proben 2 – Vergleichsprobe
Zum Vergleich soll eine herkömmliche Siliziumbeschichtung nach dem Sol-Gel Tauchverfahren als Haftvermittlerschicht und oberste Schicht der Entspiegelungsbeschichtung nach dem Stand der Technik herangezogen werden.
Eine sorgfältig gereinigte Borosilikat-Floatglasscheibe als Trägermaterial im Format 10 × 20 cm wurde mit einer Entspiegelungsbeschichtung beschichtet mit einem Schichtaufbau entsprechend 1. Die Entspiegelungsbeschichtung besteht aus drei Einzelschichten und besitzt die Struktur: Trägermaterial + Schicht M + Schicht T + Schicht S, wobei die Schicht S die Haftvermittlerschicht darstellt. Die Einzelschichten werden jeweils in einem getrennten Tauchschritt aufgetragen. Die mit T gekennzeichneten Schichten enthalten Titandioxid TiO₂, die mit S gekennzeichnete Deckschicht enthält Siliziumdioxid SiO₂, die M-Schichten werden jeweils aus S- und T-Mischlösungen gezogen.
Die Tauchlösungen für Schichten M und T werden jeweils in auf 28° C klimatisierten Räumen bei einer Luftfeuchtigkeit von 5 bis 12 g/m³, bevorzugt 8 g/m³ auf das Trägermaterial aufgetragen, die Ziehgeschwindigkeiten betragen dabei für die Einzelschichten M und T: 7 und 4 mm/sek.
Auf das Ziehen einer jeden Gelschicht folgt ein Ausheizprozeß an Luft. Die Ausheiztemperaturen und Ausheizzeiten betragen 180° C / 20 min nach Herstellung der M-Gelschicht sowie 440° C / 30 min nach Herstellung der T-Gelschicht. Im Falle der T-Schichten setzt sich die Tauchlösung (pro Liter) zusammen aus: 68 ml Titan-n-Butylat, 918 ml Ethanol (abs.), 5 ml Acetylaceton und 9 ml Ethyl-Butyrylacetat. Die Beschichtungslösungen zur Herstellung der M-Schicht mit mittlerem Brechungsindex werden durch Mischung der S- und T-Lösungen präpariert. Sie wird aus einer Tauchlösung mit einem Siliziumoxidgehalt von 5,5 g/l und einem Titanoxidgehalt von 2,8 g/l gezogen, die entsprechenden Oxidgehalte der M-Tauchlösung betragen 11,0 g/l bzw. 8,5 g/l.
Zur Herstellung der Tauchlösung für die S-Schicht als Haftvermittlerschicht und oberste Schicht der Entspiegelungsbeschichtung werden 125 ml Ethanol vorgelegt. Dazu werden unter Rühren 45 ml Kieselsäuremethylester, 40 ml dest. Wasser und 5 ml Eisessig gegeben. Nach der Zugabe von Wasser und Essigsäure wird die Lösung 4 h gerührt, wobei die Temperatur 40 °C nicht übersteigen darf. Gegebenenfalls muss die Lösung gekühlt werden. Anschließend wird die Reaktionslösung mit 790 ml Ethanol verdünnt und mit 1 ml HCl versetzt. Das Trägermaterial mit der vorbereiteten M- und T-Schicht wurde in die Tauchlösung getaucht und dann mit einer Geschwindigkeit von 6 mm/sek. wieder herausgezogen, wobei der Feuchtigkeitsgehalt der Umgebungsatmosphäre zwischen 5 g/m³ und 10 g/m³, bevorzugt bei 8g/m³ lag. Anschließend wurde das Lösungsmittel bei 90 bis 100 °C verdampft und danach die Schicht bei einer Temperatur von 450 °C 20 Minuten lang eingebrannt. Die Schichtdicke der so hergestellten Schicht betrug ca. 90 nm.
Die so hergestellten Substrate wurden jeweils mit folgenden Easy-to-clean Beschichtungen beschichtet. Die erfindungsgemäßen Substrate des Musterbeispiels 1 tragen hierbei die Bezeichnungen Probe 1-1 bis 1-5, die Vergleichssubstrate tragen die Bezeichnungen Probe 2-1 bis 2-5.
Probe 1-0, 2-0:

Vergleichsproben jeweils ohne Easy-to-clean Beschichtung

Probe 1-1, 2-1:

„Optool^TM AES4-E“ von Fa. Daikin Industries LTD, ein Perfluorether mit endständigem Silanrest

Probe 1-2, 2-2:

„Fluorolink^® S10“ von Fa. Solvay Solexis, ein Perfluorether mit zwei endständigen Silanresten

Probe 1-3, 2-3:
Für den Test des erfindungsgemäßen Substratelements zum Beschichten mit einer Easy-to-clean Beschichtung wurde auch eine eigene Beschichtungsformulierung mit der Bezeichnung „F5“ eingesetzt, wobei als Precursor Dynasylan^® F 8261 von der Fa. Evonik verwendet wurde. Zur Herstellung des Konzentrats wurden 5 g Precursor Dynasylan^® F 8261, 10 g Ethanol, 2,5 g H₂O und 0,24 g HCL gemischt und 2 Min. gerührt. 3,5 g Konzentrat wurden mit 500 ml Ethanol zu der Beschichtungsformulierung F5 vermischt.
Probe 1-4 und 2-4:

„Hymocer^® EKG 6000N“ von der Firma ETC products GmbH, ein Perfluoralkylsilan mit rein anorganischem SiO₂-Anteil

Probe 1-5, 2-5:
„Duralon UltraTec" der Cotec GmbH, Frankenstraße 19, 0-63791 Karlstein Bei dieser Beschichtung werden die Substratgläser in einem Prozess mit Vakuum behandelt. Die mit der jeweiligen Haftvermittlerschicht beschichteten Substratgläser werden in einen Unterdruckbehälter eingebracht, der anschließend auf Grobvakuum evakuiert wird. Das „Duralon UltraTec" wird gebunden in Form einer Tablette (14 mm Durchmesser, 5 mm Höhe) in einen Verdampfer gegeben, der sich in dem Unterdruckbehälter befindet. Aus diesem Verdampfer wird dann bei Temperaturen von 100°C bis 400°C das Beschichtungsmaterial aus dem Füllkörper der Tablette herausverdampft und scheidet sich auf der Oberfläche der Haftvermittlerschicht des Substrates ab. Die Zeit- und Temperaturprofile werden, wie von der Firma Cotec GmbH zum Verdampfen der Tablette des Materials „Duralon UltraTec" vorgegeben, eingestellt.
Die Substrate erreichen im Prozess eine leicht erhöhte Temperatur, die im Bereich zwischen 300K bis 370K liegen.
Testergebnisse

Die Proben wurden vor und im Verlauf bzw. nach dem NSS-Test, dem KK-Test, dem Schrupptest und dem Fingerprinttest untersucht. Die Ergebnisse sind in den Tabellen 1 bis 9 aufgeführt.

Bezeichnung	Beschichtung (einseitig)	Dauer (h)	Angriff	Farb veränderung
Probe 1-1	Daikin	504h	i.O. kein Angriff	gering
Probe 2-1	Daikin	nach 168h	n.i.O. Angriff	stark
Probe 1-2	Fluorolink^® S10	504h	i.O. kein Angriff	gering
Probe 2-2	Fluorolink^® S10	nach 168h	n.i.O. Angriff	stark
Probe 1-3	F5	504h	i.O. kein Angriff	gering
Probe 2-3	F5	nach 168h	n.i.O. Angriff	stark
Probe 1-4	ETC	504h	i.O. kein Angriff	stark
Probe 2-4	ETC	nach 168h	n.i.O. Angriff	stark
Probe 1-5	Duralon Ultratec	504h	i.O. kein Angriff	gering
Probe 2-5	Duralon Ultratec	nach 168h	n.i.O. Angriff	stark

Tabelle 1: Ergebnisse nach Neutralsalz-Sprühversuch (NSS-Test)

Bezeichnung	Beschichtung (einseitig)	Kontaktwinkelmessung [°]
Bezeichnung	Beschichtung (einseitig)	vor dem Test	nach 168 h	nach 336 h	nach 504 h
Probe 1-1	Daikin	10	93	95	89
Probe 2-1	Daikin	101	57	-	-
Probe 1-2	Fluorolink^® S10	104	100	100	99
Probe 2-2	Fluorolink^® S10	105	56	-	-
Probe 1-3	F5	101	84	78	75
Probe 2-3	F5	101	54	-	-
Probe 1-4	ETC	106	68	68	70
Probe 2-4	ETC	106	47	-	-
Probe 1-5	Duralon Ultratec	103	102	101	101
Probe 2-5	Duralon Ultratec	106	30	-	-

Tabelle 2: Wasser-Kontaktwinkelmessungen vor und im Verlauf des Neutralsalz- Sprühversuchs (NSS-Test)

Bezeichnung	Beschichtung (einseitig)	Dauer (h)	Angriff	Farb veränderung
Probe 1-1	Daikin	504h	i.O. kein Angriff	gering
Probe 2-1	Daikin	nach 168h	n.i.O. Angriff	stark
Probe 1-2	Fluorolink^® S10	504h	i.O. kein Angriff	gering
Probe 2-2	Fluorolink^® S10	nach 168h	n.i.O. Angriff	stark
Probe 1-3	F5	504h	i.O. kein Angriff	gering
Probe 2-3	F5	nach 168h	n.i.O. Angriff	stark
Probe 1-4	ETC	504h	i.O. kein Angriff	gering bis stark
Probe 2-4	ETC	nach 168h	n.i.O. Angriff	stark
Probe 1-5	Duralon Ultratec	504h	i.O. kein Angriff	gering
Probe 2-5	Duralon Ultratec	504h		stark

Tabelle 3: Ergebnisse nach Prüfung der Kondenswasserbeständigkeit im Konstantklima (KK-Test)

Bezeichnung	Beschichtung (einseitig)	Kontaktwinkelmessung [°]
Bezeichnung	Beschichtung (einseitig)	vor dem Test	nach 168 h	nach 336 h	nach 504 h
Probe 1-1	Daikin	105	95	96	95
Probe 2-1	Daikin	104	75	-	-
Probe 1-2	Fluorolink^® S10	102	102	102	102
Probe 2-2	Fluorolink^® S10	104	71	-	-
Probe 1-3	F5	105	93	87	81
Probe 2-3	F5	102	78	-	-
Probe 1-4	ETC	105	99	100	96
Probe 2-4	ETC	106	103	-	-
Probe 1-5	Duralon Ultratec	103	102	101	102
Probe 2-5	Duralon Ultratec	102	101	103	103

Tabelle 4: Wasser-Kontaktwinkelmessungen vor und im Verlauf der Prüfung der Kondenswasserbeständigkeit im Konstantklima (KK-Test)

Bezeichnung	Beschichtung (einseitig)	trocken 500 Hübe Angriff	Kontaktwinkel-messung [°] vor dem Test	Kontaktwinkelmessung [°] nach dem Test
Probe 1-1	Daikin	nein	105	103
Probe 2-1	Daikin	nein	100	100
Probe 1-2	Fluorolink^® S10	nein	102	100
Probe 2-2	Fluorolink^® S10	nein	104	104
Probe 1-3	F5	nein	100	98
Probe 2-3	F5	nein	107	99
Probe 1-4	ETC	nein	108	96
Probe 2-4	ETC	leichter Angriff	111	94
Probe 1-5	Duralon Ultratec	nein	102	101
Probe 2-5	Duralon Ultratec	leichter Angriff	103	103

Tabelle 5: Ergebnisse nach Abriebfestigkeitsprüfung (Schrupptest) mit trockenem Abriebfinger

Bezeichnung	Beschichtung (einseitig)	Ethanol 100 Hübe Angriff	Kontaktwinkel-messung [°] vor dem Test	Kontaktwinkelmessung [°] nach dem Test
Probe 1-1	Daikin	nein	105	102
Probe 2-1	Daikin	nein	102	97
Probe 1-2	Fluorolink^® S10	nein	102	102
Probe 2-2	Fluorolink^® S10	nein	103	102
Probe 1-3	F5	nein	102	99
Probe 2-3	F5	nein	105	99
Probe 1-4	ETC	nein	104	104
Probe 2-4	ETC	nein	108	103
Probe 1-5	Duralon Ultratec	nein	101	101
Probe 2-5	Duralon Ultratec	nein	101	101

Tabelle 6: Ergebnisse nach Abriebfestigkeitsprüfung (Schrupptest) mit einem mit Ethanol getränkten Abriebfinger

Tabelle 7: Ergebnisse nach Fingerprinttest mit Medium 1 Alkalische Handschweißlösung
Tabelle 8: Ergebnisse nach Fingerprinttest mit Medium 4 Sonnencreme (VW)
Tabelle 9: Ergebnisse nach Fingerprinttest mit Medium 7 Handschweißlösung BMW
Die Proben mit erfinderischer Haftvermittlerschicht als Untergrund für eine Easy-to-clean Beschichtung weisen auch nach 504 h Testzeit keinen erkennbaren Angriff (i.O. = in Ordnung) mit nur geringer Farbveränderung auf. Dagegen zeigt eine Sol-Gel Siliziumoxidbeschichtung nach dem Stand der Technik als Untergrund für eine Easy-to-clean Beschichtung bereits schon nach 168 h Testzeit einen starken Angriff (n.i.O. = nicht in Ordnung) mit starker Farbveränderung auf.
Die erfinderische Haftvermittlerschicht auf einem Substrat als Basis für die unterschiedlichen Easy-to-clean Beschichtungen vermittelt diesen in allen Fällen eine signifikante Verbesserung ihrer Langzeitbeständigkeit. Im Vergleich zeigt eine Easy-to-clean Beschichtung auf einem Substrat ohne Haftvermittlerschicht in allen Fällen bereits nach 168 Stunden NSS-Test einen Verlust der hydrophoben Eigenschaft. Für die Erhaltung eines hohen Kontaktwinkels, für praktisch relevante Easy-to-clean Eigenschaften sollte dieser über 80° liegen. Dies wurde als guter Indikator erkannt, um nach einem Belastungstest die Erhaltung der Eigenschaften zu ermitteln. Der NSS-Test ist als breit anerkannter Test einer der kritischen Tests für derartige Schichtkombinationen. Er spiegelt Belastungen wider, die beispielsweise durch Berührung mit Fingerabdrücken entstehen. Der Salzgehalt des Fingerschweisses ist ein typischer Einfluss für das Schichtversagen.
An den Ergebnissen erkennt man, dass für alle untersuchten fluororganischen Verbindungen das erfinderische Substratelement mit Haftvermittlerschicht eine deutliche Verlängerung der Beständigkeit bewirkt. Trotzdem kann man zwischen den verschiedenen Easy-to-clean Systemen naturgemäß Unterschiede beobachten, da neben der Haftvermittlerschicht auch die Grundbeständigkeit der Easy-to-clean Schicht einen Einfluß auf die Beständigkeit hat. Unabhängig von der jeweiligen fluororganischen Verbindung ist jedoch ein durchgängiger Effekt zu beobachten, welcher insbesondere die Langzeitwirkung einer Easy-to-clean Beschichtung deutlich verbessert. Der Effekt entsteht dadurch, dass die Easy-to-clean Beschichtung in eine Wechselwirkung mit der Haftvermittlerschicht tritt.
Antifingerprint Testergebnisse bestätigen den Vorteil der erfinderischen Substratelemente als Basis für eine Easy-to-clean Beschichtung.
Mit einer Easy-to-clean Beschichtung beschichtete erfinderische Substrate kommen insbesondere als Touchsceens zur Anwendung. Andere Anwendungen sind beispielsweise Displayscheiben von Monitoren, Schaufenster, Verglasungen mit problematischer Zugänglichkeit für die Reinigung, Vitrinen, Glaselemente von Kühlmöbeln, Theken, Herdvorsatzscheiben, dekorative Glaselemente, insbesondere in belasteten Bereichen mit höherer Kontaminationsgefahr wie Küchen, Bäder oder Laboratorien oder auch Abdeckungen von Solarmodulen.
Speziell Dekorative Elemente, die auf der Rückseite des Glases eine Bedruckung haben oder eine spiegelnde Beschichtung aufweisen, profitieren von einer Easy-to-clean Beschichtung besonders. Diese Elemente, die beispielsweise als Herdvorsatzscheiben oder anderen Küchengeräten eingesetzt werden, treten im Gebrauch immer wieder mit Fingerabdrücken oder fettigen Substanzen in Berührung. Die Oberfläche sieht in diesen Fällen sehr schnell unansehnlich und unhygienisch aus. Die Easy-to-clean Beschichtung liefert hier bereits gute visuelle Ergebnisse zur Unterdrückung und lässt sich leichter reinigen. Durch das erfindungsgemäße Substrat in einer solchen Anwendung kann die Langlebigkeit der Wirkung deutlich gesteigert werden und der Gebrauchswert eines Gegenstandes wird erhöht.
Es versteht sich, dass die Erfindung nicht auf eine Kombination vorstehend beschriebener Merkmale beschränkt ist, sondern dass der Fachmann sämtliche Merkmale der Erfindung, soweit dies sinnvoll ist, beliebig kombinieren wird.
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

DE 19848591 [0005, 0095]
EP 0844265 [0006]
US 2010/0279068 [0007, 0007, 0007]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

H. Schröder, Physics of Thin Films 5, Academic Press New York and London (1967, Seiten 87–141) [0064]
C. Brinker, G. Scherer, „Sol-Gel-Science – The Physic and Chemistry of Sol-Gel Processing (Academic Press, Boston 1990) [0067]
R. Iller, The Chemistry of Silica (Willey, New York, 1979) [0067]
DIN ISO 105-E04 [0108]
DIN ISO 105-E04 [0108]
ISO 105 F09/AATCC8, 116,165 [0111]

Claims

Substratelement (1) für die Beschichtung mit einer Easy-to-clean Beschichtung umfassend ein Trägermaterial (2) und eine Entspiegelungsbeschichtung (3, 4, 5) dadurch gekennzeichnet, dass die Entspiegelungsbeschichtung (3, 4, 5) aus einer (5) oder aus zumindest zwei Schichten (31, 32, 33, 41, 42) besteht und die eine Schicht (5) oder die oberste Schicht (31, 41) der zumindest zwei Schichten eine Haftvermittlerschicht ist, welche mit einer Easy-to-clean Beschichtung in eine Wechselwirkung treten kann und die Haftvermittlerschicht ein Mischoxid umfasst.
Substratelement nach Anspruch 1, wobei die Entspiegelungsbeschichtung eine Sol-Gel Beschichtung ist und die Haftvermittlerschicht eine thermisch verfestigte Sol-Gel Schicht ist.
Substratelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Entspiegelungsbeschichtung aus fünf, bevorzugt aus drei Schichten aus wechselweise niedrig- und hochbrechenden Schichten besteht, wobei die Haftvermittlerschicht eine niedrig brechende Schicht ist.
Substratelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Entspiegelungsbeschichtung (3, 4) aus zumindest zwei Schichten (31, 32, 33, 41, 42) besteht und die Haftvermittlerschicht (31, 41) einen Brechungsindex im Bereich von 1,35 bis 1,7, bevorzugt im Bereich von 1,35 bis 1,6, besonders bevorzugt im Bereicht von 1,35 bis 1,56 aufweist.
Substratelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Entspiegelungsbeschichtung (5) aus einer Schicht besteht und die Haftvermittlerschicht (5) einen Brechungsindex im Bereich von 1,2 bis 1,38, bevorzugt im Bereich von 1,25 bis 1,38, besonders bevorzugt im Bereicht von 1,28 bis 1,38 aufweist.
Substratelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Haftvermittlerschicht eine dotierte Siliziumoxid-Schicht ist.
Substratelement nach Anspruch 6, wobei die Dotierung der Siliziumoxid-Schicht ein Oxid der Elemente Aluminium, Zinn, Magnesium, Phosphor, Cer, Zirkon, Titan, Caesium, Barium, Strontium, Niob, Zink, Bor oder Magnesiumfluorid ist.
Substratelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Haftvermittlerschicht eine Dicke von größer 1 nm, bevorzugt größer 10 nm, besonders bevorzugt größer 20 nm beträgt.
Substratelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei über der Haftvermittlerschicht eine Deckschicht angeordnet ist und diese Deckschicht eine partikuläre Schicht oder eine geschlossene poröse Schicht ist.
Substratelement nach Anspruch 9, wobei die Deckschicht aus Siliziumoxid oder aus dotiertem Siliziumoxid besteht.
Substratelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Trägermaterial ein Glas oder eine Glaskeramik ist.
Verfahren zur Herstellung eines Substratelements (1) zum Beschichten mit einer Easy-to-clean Beschichtung umfassend folgende Schritte: – Bereitstellen eines Trägermaterials (2), insbesondere aus einem Glas oder einer Glaskeramik mit zumindest einer Oberfläche (20), – Beschichten der zumindest einen Oberfläche (20) des Trägermaterials mittels Sol-Gel-Auftragstechnik mit einer (5) oder mit zumindest zwei Lagen einer Entspiegelungsbeschichtung (3, 4), wobei die eine Schicht oder die äußere oberste Schicht der zumindest zwei Schichten eine Haftvermittlervorläuferschicht bildet, – Thermisches Verfestigen der Entspiegelungsbeschichtung mit Haftvermittlervorläuferschicht und Umwandeln der Haftvermittlervorläuferschicht in die Haftvermittlerschicht (5, 31, 41), wobei die Haftvermittlerschicht ein Mischoxid, bevorzugt ein dotiertes Siliziumoxid, besonders bevorzugt ein mit einem Oxid eines der Elemente Aluminium, Zinn, Magnesium, Phosphor, Cer, Zirkon, Titan, Caesium, Barium, Strontium, Niob, Zink, Bor oder mit Magnesiumfluorid dotiertes Siliziumoxid umfasst, sodass auf das so erhaltene Substratelement (1) eine Easy-to-clean Beschichtung mittels Sprüh-, Tauch-, Wisch- oder Druckverfahren auftragbar ist.
Verfahren zur Herstellung eines Substratelements nach Anspruch 12, wobei das thermische Verfestigen der Haftvermittlervorläuferschicht und das Umwandeln der Haftvermittlervorläuferschicht in die Haftvermittlerschicht auf dem Trägermaterial unterhalb der Erweichungstemperatur des Trägermaterials, insbesondere bei Temperaturen kleiner 500°C, bevorzugt zwischen 350 und 550 °C, besonders bevorzugt bei Temperaturen zwischen 400 und 500 °C Substratoberflächentemperatur erfolgt.
Verfahren zur Herstellung eines Substratelements nach einem der Ansprüche 12 bis 13, wobei dem thermischen Verfestigen der Haftvermittlervorläuferschicht und Umwandeln der Haftvermittlervorläuferschicht in die Haftvermittlerschicht ein Trocknen der Haftvermittlervorläuferschicht bevorzugt bei Temperaturen kleiner 300°C, besonders bevorzugt bei Temperaturen kleiner 200°C vorgeschaltet ist.
Verfahren zur Herstellung eines Substratelements (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei im Anschluss an das thermische Verfestigen der Haftvermittlervorläuferschicht und Umwandeln der Haftvermittlervorläuferschicht in die Haftvermittlerschicht (31) das Aufbringen einer Deckschicht (6) über der Haftvermittlerschicht (5, 31, 41) insbesondere mittels Flammenpyrolyse nachgeschaltet ist, wobei die Deckschicht (6) bevorzugt aus Siliziumoxid oder aus dotiertem Siliziumoxid besteht und diese Deckschicht eine partikuläre Schicht oder eine geschlossene poröse Schicht ist, sodass auf das so erhaltene Substratelement eine Easy-to-clean Beschichtung mittels Sprüh-, Tauch-, Wisch- oder Druckverfahren direkt auftragbar ist.
Verwendung eines Substratelements (1) umfassend eine Trägerplatte (2), insbesondere aus Glas oder Glaskeramik und eine Entspiegelungsbeschichtung (3, 4, 5), bestehend aus einer (5) oder aus zumindest zwei Schichten (31, 32, 33, 41, 42), wobei die eine Schicht (5) oder die oberste Schicht (31, 41) der zumindest zwei Schichten eine Haftvermittlerschicht ist welche ein Mischoxid umfasst, bevorzugt ein dotiertes Siliziumoxid, besonders bevorzugt ein mit einem Oxid der Elemente Aluminium, Zinn, Magnesium, Phosphor, Cer, Zirkon, Titan, Caesium, Barium, Strontium, Niob, Zink, Bor oder mit Magnesiumfluorid dotiertes Siliziumoxid zum Beschichten mit einer Easy-to-clean Beschichtung, insbesondere mit einer fluororganischen Verbindung oder mit einem Nanoschichtsystem.
Verwendung eines Substratelements (1) nach Anspruch 16, wobei über der Haftvermittlerschicht (5, 31, 41) eine Deckschicht (6) angeordnet ist und diese Deckschicht eine partikuläre oder eine geschlossene poröse Schicht ist und insbesondere aus Siliziumoxid oder aus dotiertem Siliziumoxid besteht.