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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Antiadhäsionsbeschichtung gegen Schnee und Eis, die eine hydrophobe Verbindung umfasst. Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung einer hydrophoben Verbindung zur Herstellung dieser Antiadhäsionsbeschichtung sowie einen Gegenstand, der zumindest teilweise mit dieser Antiadhäsionsbeschichtung versehen ist.
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Wasser- und eisabweisende Beschichtungen sind im Stand der Technik bekannt. Hierzu werden möglichst hydrophobe Systeme genutzt, welche aufgrund ihrer Hydrophobie einer Vereisung der Oberfläche entgegenwirken sollen. So offenbart die
US 2010/0220018 A1 eine eis- und schneeabweisende Beschichtung für Antennen und elektrische Kabel, wobei die Beschichtung aus einem mit Fluoralkylresten hydrophobierten Silikonharz besteht.
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Die
DE 197 15 906 A1 beschreibt eine wasserabweisende Beschichtungszusammensetzung, die ein Fluorharzpulver mit einer speziellen spezifischen Oberfläche und einem speziellen mittleren Molekulargewicht enthält. Von der Verwendung geringer molekularer Fluorharze wird aufgrund der relativ großen Anzahl von polaren Gruppen abgeraten, da diese ein schlechtes Wasserabweisungsvermögen besitzen sollen.
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Den bekannten Beschichtungszusammensetzungen ist gemeinsam, dass sie aufgrund ihrer starken Hydrophobie und der Ausbildung besonders glatter Oberflächen gute Wasserabweisungseigenschaften besitzen. Es hat sich jedoch gezeigt, dass hiermit beschichtete Gegenstände unter bestimmten klimatischen Bedingungen oder beispielsweise wenn sich die Gegenstände bewegen trotzdem zu einer Anhaftung von Schnee und zur Vereisung neigen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Beschichtung zur Verfügung zu stellen, die nicht nur eine gute wasserabweisende Eigenschaft aufweist, sondern zusätzlich auch unter ungünstigen Bedingungen ein Anhaften von Schnee und ein Vereisen der beschichteten Oberfläche verhindert.
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Es wurde nun überraschend gefunden, dass diese Aufgabe durch eine hydrophobe Verbindung gelöst wird, die eine besonders geringe elektrostatische Aufladung aufweist. Die vorliegende Erfindung betrifft somit eine Antiadhäsionsbeschichtung gegen Schnee und Eis, umfassend eine hydrophobe Verbindung, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung bei einer Temperatur von 25°C und einer relativen Luftfeuchtigkeit von 35% eine elektrostatische Aufladung im Bereich von –50 kV/m bis +50 kV/m aufweist.
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Der hydrophobe Effekt bekannter Beschichtungsmaterialien beruht darauf, dass durch den unpolaren Charakter der gebildeten Oberfläche das Wasser mit sich selbst stärkere Wechselwirkungen (Wasserstoffbrückenbindungen) eingehen kann, als mit der hydrophoben Oberfläche, mit welcher nur Van-der-Waals-Bindungen möglich sind. Deshalb ist eine annähernd kugelförmige Gestalt von Wassertropfen energetisch am günstigsten. Der Grad der Hydrophobie wird im Rahmen einer Randwinkelmessung der durch das Wasser gebildeten Kugel mit der hydrophoben Oberfläche beschrieben. Je geringer die Kontaktfläche bzw. je höher der Randwinkel und die damit verbundene Hydrophobie der Oberfläche, desto geringer die Haftkraft des Wassers. Ist die Gewichtskraft des Wassertropfens größer als die Haftkraft, so perlt er von der Oberfläche ab.
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Ohne an eine Theorie gebunden sein zu wollen wird angenommen, dass die vorstehend beschriebene wasserabweisende Wirkung hydrophober Oberflächen für Schnee und Eis durch einen anderen Effekt zumindest teilweise kompensiert oder sogar überkompensiert werden kann. Es wurde nämlich gefunden, dass insbesondere hydrophobe Oberflächen dazu neigen, beispielsweise mittels triboelektrischer Prozesse aufgrund von Reibung mit der Luft oder Schnee elektrostatisch aufzuladen. Da Wasser in flüssiger Form elektrisch leitfähig ist, wirkt sich dieser Effekt auf die wasserabweisenden Eigenschaften bekannten Beschichtungen nicht oder nur wenig aus. Als Schnee oder Eis verliert Wasser jedoch seine Leitfähigkeit und kann sich somit selbst elektrostatisch aufladen. Vermutlich hierdurch kann es trotz der Hydrophobie der Oberfläche zur Anlagerung von Schnee und Eis kommen, so dass es unter bestimmten klimatischen Bedingungen (beispielsweise im Wind) oder, wenn sich der beschichtete Gegenstand bewegt, zu einem Vereisen der Oberfläche kommen kann.
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Zunächst wurde angenommen, dass sich das Problem der elektrostatischen Aufladung hydrophober Oberflächen durch Zugabe gängiger Antistatika lösen lassen würde. Dies führte jedoch zu einer Hydrophilierung der Oberfläche, wodurch sich Wasser auch ohne elektrostatische Aufladung an der Oberfläche anlagern und dort festfrieren kann.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass bestimmte chemische Verbindungen sowohl hydrophobe und damit wasserabweisende Eigenschaften als auch eine geringe elektrostatische Aufladung besitzen und dadurch gleichzeitig eine Adhäsion von Schnee und Eis verhindern. Damit wurde die erfindungsgemäße Aufgabe, eine Beschichtung zur Verfügung zu stellen, die schnee- und eisabweisend ist, gelöst.
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Es hat sich gezeigt, dass einige hydrophobe Verbindungen eine nur geringe elektrostatische Aufladung, insbesondere eine nur geringe oder vorzugsweise keine negative elektrostatische Aufladung aufweisen. Eine weitere Untersuchung hat gezeigt, dass diese Eigenschaften in einer Verbindung dann vereinigt vorliegen, wenn die zugrundeliegenden Moleküle eine unpolare Kette und eine Anzahl an polaren Gruppen aufweisen. Durch die polaren Gruppen wird ein Abbau der elektrostatischen Ladungen in einem ausreichenden Maß erzielt, so dass der hydrophobe Effekt aufrecht erhalten wird und gleichzeitig das Wasser nicht durch starke elektrostatische Anziehung in die Feinstrukturen der Oberfläche eingepresst werden und dort festfrieren kann. Damit kann der Fachmann geeignete hydrophobe Verbindungen durch Variation der Länge und/oder Menge der unpolaren Ketten innerhalb der Moleküle sowie durch Variation der Art und Anzahl der polaren Gruppen geeignet wählen.
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Die elektrostatische Aufladung einer Probe kann nach bekannten Verfahren gemessen werden. Entsprechende Messgeräte sind im Handel beispielsweise von der Fa. Kleinwächter als Elektrofeldmeter erhältlich. Diese Geräte messen die elektrostatische Aufladung nach dem Feldmühle-Influenzprinzip. Bei der Messung mit einem Elektrofeldmeter ist darauf zu achten, dass das Messgerät oder zumindest die das Messgerät haltende Person geerdet ist. Andernfalls wird lediglich die Ladungsdifferenz zwischen der Person und dem Messobjekt angezeigt. Der Messabstand richtet sich nach der elektrostatischen Aufladung der Probe und beträgt 1 kV/mm. Da die elektrostatische Aufladung stark von Temperatur und Luftfeuchtigkeit abhängt, ist darauf zu achten, dass die Messung bei einer Temperatur von 25°C und einer relativen Luftfeuchtigkeit von 35% durchgeführt wird. Zudem ist darauf zu achten, dass die Messung nicht an einer Kante der Probe, sondern an einer ebenen Oberfläche durchgeführt wird. Die Messung der elektrostatischen Aufladung wird in DIN EN 31340 definiert.
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Unter ”elektrostatischer Aufladung” einer erfindungsgemäß eingesetzten Verbindung wird vorliegend die elektrostatische Aufladung einer Probe dieser Verbindung in Form einer Scheibe mit einem Durchmesser von 105 mm und einer Dicke von 10 mm verstanden. Die elektrostatische Aufladung dieser Probe wird wie vorstehend beschrieben gemessen, wobei darauf zu achten ist, dass die Probe keine zusätzliche elektrostatische Induktion erfährt. Dies wird dadurch erreicht, dass die Probe auf eine elektrostatisch nicht geladene Glasoberfläche gelegt wird, ohne die Probe zu erden. Außerdem muss die Umgebungsluft ruhen, damit sich die Probe nicht durch Windeinflüsse zusätzlich aufläd. Durch die Umgebungsluft mit festgelegter Temperatur und relativer Luftfeuchtigkeit stellt sich dann die elektrostatische Aufladung der Probe ein. Dementsprechend muss die elektrostatische Aufladung der Probe so lange gemessen werden, bis sich ein konstanter Wert eingestellt hat.
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Es hat sich gezeigt, dass eine Verbindung der Beschichtung dann gute schnee- und eisabweisende Eigenschaften verleiht, wenn sie eine elektrostatische Aufladung im Bereich von –50 kV/m bis +50 kV/m aufweist. Vorzugsweise sollte die elektrostatische Aufladung im Bereich von –30 kV/m bis +30 kV/m, bevorzugter von –10 kV/m bis +10 kV/m und besonders bevorzugt von –5 kV/m bis +5 kV/m liegen, wobei Verbindungen mit einer positiven elektrostatischen Aufladung, insbesondere im Bereich von 0 kV/m bis +4 kV/m nochmehr bevorzugt sind.
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Zusätzlich ist es vorteilhaft, wenn die Verbindung in der Lage ist, eine induzierte elektrostatische Aufladung schnell wieder abzubauen. So sollte eine induzierte elektrostatische Aufladung in weniger als 3 Minuten, vorzugsweise in weniger als 1 Minute und besonders bevorzugt in weniger als 10 Sekunden abgebaut werden, wobei unter ”Abbau” hierbei ein Rückgang der elektrostatischen Aufladung auf den Ausgangswert vor der induzierten Aufladung gemeint ist.
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Darüber hinaus muss die eingesetzte Verbindung, damit sie auch die gewünschten wasserabweisenden Eigenschaften besitzt, hydrophob sein. Ob eine Verbindung hydrophob ist, lässt sich anhand des Kontaktwinkels bestimmen, den ein Wassertropfen mit der Oberfläche einer Probe der Verbindung ausbildet. Der Kontaktwinkel α wird in 1 gezeigt. Je größer der Kontaktwinkel α ist, desto größer ist die Hydrophobie der Verbindung. Der Kontaktwinkel wird vorliegend nach bekannten Methoden beispielsweise mit einem Kontaktwinkelmessgerät FM40 der Fa. Krüss gemäß der Messgeräteanleitung gemessen. Es wird ein statischer Kontaktwinkel an einem Tropfen destilliertem Wasser 5 Sekunden nach Tropfenbildung gemessen. Die Messtemperatur beträgt dabei 25°C, die relative Luftfeuchtigkeit 35%. Die Messung wird 5-mal durchgeführt und die Ergebnisse dieser Messungen werden gemittelt. Die Messung des Kontaktwinkels wird in DIN 55660 definiert.
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Geeignete hydrophobe Verbindungen sollten einen Kontaktwinkel von ≥ 80°, vorzugsweise ≥ 90°, mehr bevorzugt ≥ 100° und besonders bevorzugt ≥ 110° aufweisen.
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Als hydrophobe Verbindungen können vorliegend beispielsweise natürliche, chemisch modifizierte oder synthetische Wachse, Öle oder Harze eingesetzt werden. Es kann sich um Monomere, Oligomere oder Polymere handeln. Wachse sind beispielsweise solche Verbindungen, die bei relativ niedriger Temperatur schmelzen und schon wenig oberhalb des Schmelzpunkts verhältnismäßig niedrig viskos und nicht fadenziehend sind.
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Vorzugsweise hat die eingesetzte Verbindung einen Schmelzpunkt im Bereich von 30°C bis 150°C, besonders bevorzugt im Bereich von 40°C bis 60°C. Als Verbindungen eignen sich beispielsweise Ester aus Fettalkoholen und Fettsäuren, synthetische Polymere, die insbesondere Seitengruppen aus Fettalkoholen und/oder Fettsäuren aufweisen, aber auch Fettalkohole als solches.
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Die Hydrophobie der eingesetzten Verbindung bestimmt sich durch die Länge und Anzahl der enthaltenen Kohlenstoffketten im Verhältnis zur Anzahl und Art der polaren Gruppen. Je länger die Kohlenstoffketten sind und je geringer die Anzahl der polaren Gruppen, desto höher die Hydrophobie der Verbindung. Bevorzugte Verbindungen enthalten Kohlenstoffketten mit 8 bis 40 Kohlenstoffatomen.
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Art und Anzahl der polaren Gruppen wirkt sich sowohl auf die Hydrophobie der Verbindung als auch auf deren elektrostatische Aufladung aus. Mit steigender Anzahl der polaren Gruppen sinkt die Hydrophobie der Verbindung und gleichzeitig sinkt die elektrostatische Aufladung. Dies ermöglicht eine Feineinstellung der gewünschten Eigenschaften in Bezug auf Hydrophobie und elektrostatischer Aufladung und damit eine Optimierung der wasserabweisenden und der eisabweisenden Eigenschaften einer mit der Verbindung erhaltenen Beschichtung.
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Als polare Gruppen eignen sich beispielsweise Ether-, Ester-, Carboxy-, Hydroxy-, Amin- und Amid-Gruppen sowie Mischungen hieraus. Bevorzugte polare Gruppen sind Ether- und Ester-Gruppen.
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Eine gute Balance zwischen den hydrophoben Eigenschaften und der elektrostatischen Aufladung einer Verbindung wurde dann gefunden, wenn die Verbindung je 8 bis 40 Kohlenstoffatomen, vorzugsweise je 16 bis 24 Kohlenstoffatomen eine polare Gruppe enthält. Sollte dieses Verhältnis nicht ausreichen, um die elektrostatische Aufladung der Verbindung in den benötigten Bereich zu senken, kann die Anzahl polarer Gruppen erhöht werden. Bei einer Verschlechterung der hydrophoben Eigenschaften der Verbindung kann die Anzahl der polaren Gruppen jedoch auch gesenkt werden.
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In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei der Verbindung um ein Polymer, beispielsweise um einen Polyvinylether. Dieser Polyvinylether kann an der Etherfunktion Seitenketten mit 8 bis 28, vorzugsweise mit 12 bis 22 Kohlenstoffatomen aufweisen. Ein bevorzugter Polyvinylether ist Poly(vinylstearylether).
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In einer alternativen Ausführungsform kann die Verbindung ein Ester aus einer Fettsäure und einem Fettalkohol sein. Als Fettsäure eignen sich beispielsweise Carboxylsäuren, die 8 bis 36, vorzugsweise 10 bis 28 Kohlenstoffatome aufweisen. Bevorzugt ist die Kohlenstoffkette linear. Weiterhin bevorzugt ist die Kohlenstoffkette gesättigt.
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Als Fettalkohole eignen sich solche mit 8 bis 36, vorzugsweise 10 bis 28 Kohlenstoffatomen. Vorzugsweise ist die Kohlenstoffkette linear. Weiterhin bevorzugt ist die Kohlenstoffkette gesättigt.
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In einer weiteren alternativen Ausführungsform kann die Verbindung ein Fettalkohol sein. Als Fettalkohole eignen sich hier die vorstehend zu den Estern beschriebenen Fettalkohole.
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Die vorstehend beschriebenen Verbindungen eignen sich alleine oder in Kombination aus zwei oder mehreren Verbindungen zur Herstellung einer Antiadhäsionsbeschichtung gegen Schnee und Eis. Die Beschichtung kann dabei entweder ausschließlich aus der Verbindung, aus der Verbindung mit Zusätzen oder aus einem anderen Beschichtungsmaterial bestehen, das die Verbindung enthält. Geeignete andere Beschichtungsmaterialien sind beispielsweise herkömmliche Wachse, wie Skiwachse, die zwar gute hydrophobe Eigenschaften aufweisen, aufgrund ihrer hohen elektrostatischen Aufladung jedoch zu einem Vereisen der damit beschichteten Oberfläche neigen. Alternativ kann als anderes Beschichtungsmaterial aber auch ein herkömmlicher Lack, wie in Polyurethanlack, oder ein Kunststoff, wie ein Polyamid oder ein Polypropylen, verwendet werden. Die Verbindung wird dann mit dem anderen Beschichtungsmaterial vor dem Auftragen vermischt und verleiht der erhaltenen Beschichtung insgesamt die gewünschten wasser- und eisabweisenden Eigenschaften.
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Die Verbindung kann dem anderen Beschichtungsmaterial in beliebiger Menge zugemischt werden, wobei schon geringe Mengen der Verbindung ausreichen können, um die gewünschten schnee- und eisabweisenden Eigenschaften der erhaltenen Beschichtung zu erzielen. Beispielsweise eignet sich eine Menge von 1 Gew.-% bis 50 Gew.-%, vorzugsweise von 2 Gew.-% bis 10 Gew.-% der Verbindung bezogen auf das Gesamtgewicht der Beschichtung.
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Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung auch Gegenstände, die zumindest teilweise mit einer wie vorstehend beschriebenen Antiadhäsionsbeschichtung versehen sind. Entsprechende Gegenstände sind nicht weiter eingeschränkt. Beispielsweise eignet sich die erfindungsgemäße Beschichtung zum Auftragen auf ein Kraftfahrzeugteil, insbesondere einen Stoßfänger eines Kraftfahrzeugs, eine Windkraftanlage, einen Schiffsrumpf, einen Schiffsaufbau, ein Flugzeugteil, ein Gebäudeteil, ein Wintersportgerät, wie beispielsweise Skier, eine Schneeschaufel, eine Schneefräse, einen Fahrbahnbelag, eine Antenne, eine Satellitenschüssel oder ein Kabel, insbesondere ein Elektrokabel.
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Die anliegende 1 zeigt schematisch die Definition des Kontaktwinkels α.
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Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der nachfolgenden Beispiele näher erläutert, wobei diese Beispiele nicht einschränkend auszulegen sind.
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Beispiele
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1. Hydrophobie
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- A) Das System Wasser auf nicht erfindungsgemäßem Skiwachs Alpha Mix zeigt einen gemittelten Kontaktwinkel von 107,5°.
- B) Das System Wasser auf erfindungsgemäßem Polyvinylether zeigt einen gemittelten Kontaktwinkel von 111,7°.
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2. elektrostatische Aufladung
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Es wurden Proben in Form von runden Scheiben aus den Wachsen gegossen.
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Die Scheiben hatten einen Durchmesser von 105 mm und eine Dicke von 10 mm.
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Die Proben wurden zwei Mal gemessen, das erste Mal im unaufgeladenem Zustand, also ohne aufgezwungene Induktion, das zweite Mal wurde mittels eines ionisierten Styroporblockes eine positive elektrostatische Aufladung von 1000 kV/m induziert, und weitergemessen, so lange bis die elektrostatische Aufladung dann für mindestens 5 Minuten konstant blieb. Gemessen wurde mit einem Elektrofeldmeter der Fa. Kleinwächter, Typ EFM 023 ZBS. Die Varianz der Messung beträgt 10%.
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Ergebnisse:
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1. Skiwachs Typ Alpha Mix (nicht erfindungsgemäß):
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- A) ohne zusätzliche Aufladung: –70 kV/m
- B) Mit Aufladung: –145 kV/m; nach 18 Sekunden stellte sich dann der Wert von –70 kV/m ein und blieb so.
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2. Polyvinylether (erfindungsgemäß):
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- A) ohne zusätzliche Aufladung: +3 kV/m
- B) Mit Aufladung: –40 kV/m; nach 5 Sekunden stellte sich dann der Wert von +3 kV/m ein und blieb so.
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3. Gesättigtes Esterwachs (erfindungsgemäß):
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- A) ohne zusätzliche Aufladung: +3 kV/m
- B) Mit Aufladung: –46 kV/m; nach 45 Sekunden stellte sich dann der Wert von +3 kV/m ein und blieb so.
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4. Gesättigter Fettalkohol (erfindungsgemäß):
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- A) ohne zusätzliche Aufladung: 0 kV/m
- B) Mit Aufladung: –36 kV/m; nach 193 Sekunden stellte sich dann der Wert von 0 kV/m ein und blieb so.
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3. Qualitative Aneisungstests
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- A) In Polyamid und Polypropylen wurde 5% des erfindungsgemäßen Polyvinylethers eincompoundiert und Platten gespritzt. Als Referenz dienten Platten aus demselben Material ohne erfindungsgemäßes Wachs. Die additivierten Platten zeigten keine nennenswerte Eisanhaftung über mehrere Wochen Dauertest auf Skiern. Die unbehandelten Platten eisten sofort beim ersten Einsatz vollständig zu.
- B) Polyvinylether (erfindungsgemäß), stark hydrophobes Silikonwachs (nicht erfindungsgemäß), und Alpha-Mix Skiwachs (nicht erfindungsgemäß) wurden 1%ig in Testbenzin 80/110 gelöst und auf saubere Skioberflächen identisch poliert. Ein Ski wurde nicht behandelt.
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Die Oberfläche, welche mit Polyvinylether behandelt wurde war immer praktisch schneefrei, zwischen den anderen Oberflächen, konnte nach kurzer Fahrzeit kein Unterschied mehr erkannt werden, da alle komplett vereist waren.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2010/0220018 A1 [0002]
- DE 19715906 A1 [0003]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- DIN EN 31340 [0012]
- DIN 55660 [0016]
