DE102012219918A1

DE102012219918A1 - Funktionslack

Info

Publication number: DE102012219918A1
Application number: DE201210219918
Authority: DE
Inventors: Volker Zöllmer; Torben Seemann; Matthias Busse; Imre Dékány; Andre Richardt
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2012-10-31
Filing date: 2012-10-31
Publication date: 2014-04-30
Anticipated expiration: 2032-11-01
Also published as: DE102012219918B4

Abstract

Beschrieben werden ein Funktionslack umfassend ein Lackmatrixmaterial und ein Kompositmaterial, ein mit einem solchen Funktionslack beschichtetes Substrat, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Funktionslacks sowie die Verwendung eines Träger-/Bindermaterials zum Einbringen eines Funktionsmaterials enthaltend eine oder mehrere Substanzen aus der Gruppe der Photokatalysatoren in ein Lackmatrixmaterial.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Funktionslack umfassend ein Lackmatrixmaterial und ein Kompositmaterial, ein mit einem solchen Funktionslack beschichtetes Substrat, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Funktionslacks sowie die Verwendung eines Träger-/Bindermaterials zum Einbringen eines Funktionsmaterials enthaltend eine Substanz ausgewählt aus der Gruppe der Photokatalysatoren in ein Lackmatrixmaterial.
Unter Funktionslack im Sinne der vorliegenden Erfindung wird ein Lack (Beschichtungsstoff) verstanden, der ein Lackmatrixmaterial enthält und ein Kompositmaterial umfassend ein Träger-/Bindermaterial enthaltend eine oder mehrere Substanzen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Schichtsilikaten, Fullerenen, Graphit, Graphen, Perowskiten, Zirkondioxid, Aluminiumoxid, Kieselgel und Nanotubes und ein an das Träger-/Bindermaterial gebundenes Funktionsmaterial enthaltend eine oder mehrere Substanzen ausgewählt aus der Gruppe der Photokatalysatoren.
Unter Funktionsmaterial im Sinne der vorliegenden Erfindung wird ein Material verstanden, das eine oder mehrere Substanzen ausgewählt aus der Gruppe der Photokatalysatoren enthält oder aus einer oder mehreren Substanzen ausgewählt aus der Gruppe der Photokatalysatoren besteht. Funktionsmaterial im Sinne der Anmeldung ist jedoch kein Lackmatrixmaterial und kein Binder-Trägermaterial wie oben definiert.
Beschichtungen aus einem erfindungsgemäßen Funktionslack können beispielswiese dazu genutzt werden, unerwünschte Substanzen wie gesundheits- und umweltgefährdende Stoffe oder andere Schadstoffe zu binden und zu unschädlichen Zersetzungsprodukten abzubauen.
Herkömmlicherweise werden Schadstoffe durch Einsatz von Bindemitteln (z.B. Ölbindemittel oder spezielle Bindemittel für bestimmte Chemikalien) oder Adsorptionsmitteln wie beispielsweise Aktivkohle gebunden und so aus der Atmosphäre oder aus dem Wasser entfernt. Dabei erfolgt jedoch kein Abbau der Schadstoffe, vielmehr müssen die schadstoffbeladenen Binde- bzw. Adsorptionsmittel anschließend aufgearbeitet und dabei die Schadstoffe abgebaut werden.
Bekannt, allerdings bisher nicht mit der erforderlichen Effizienz realisierbar, ist der Abbau organischer Moleküle wie z.B. organischer Schadstoffe durch photokatalysierte Reaktionen, d.h. unter Einwirkung sogenannter Photokatalysatoren wie z.B. Titandioxid. TiO₂ kann mit UV-Licht (Wellenlängen < 430 nm) angeregt werden. Die Aktivierungsenergie ist jedoch für den Einsatz unter Sonnenlicht zu hoch, d.h. für einen effektiven Abbau von Schadstoffen wären zusätzliche UV-Lichtquellen notwendig.
Menesi et al. beschreiben in Catalysis Today 144 (2009) 160–165 ein Kompositmaterial umfassend das Schichtsilicat Montmorillonit, das einem Ionenaustausch mit Silber-Ionen unterzogen wurde, und Titandioxid. Dieses Kompositmaterial wurden mittels Sprühtechnik in einer Schichtdicke von 1 µm auf Quarzglasträger aufgetragen. Die Kompositmaterialien wiesen eine gegenüber reinem TiO₂ erhöhte photokatalytische Aktivität für die Zersetzung von Ethanol auf.
Die katalytische Wirkung von TiO₂ ist chemisch unspezifisch. Daher katalysiert TiO₂ auch die Zersetzung eines organischen Untergrunds, auf dem es aufgetragen, oder einer organischen Matrix, z.B. einer Lackmatrix, in die es eingebettet ist. Dies schränkt die praktische Verwendung von TiO₂ für den Abbau organischer Schadstoffe signifikant ein.
Es war daher die Aufgabe der Erfindung, einen Funktionslack anzugeben, der ein Funktionsmaterial enthaltend eine oder mehrere Substanzen aus der Gruppe der Photokatalysatoren enthält, wobei trotz der Einbindung des Photokatalysators in das Lackmatrixmaterial des Funktionslacks ein effizienter Transport der umzusetzenden Substanz zu den katalytisch aktiven Zentren gewährleistet ist und eine Zersetzung des Lacks aufgrund der Gegenwart des Photokatalysators ausgeschlossen oder zumindest weitgehend verhindert bzw. verlangsamt wird.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Funktionslack, umfassend ein Lackmatrixmaterial und ein Kompositmaterial, wobei das Kompositmaterial

– ein Träger-/Bindermaterial enthaltend eine oder mehrere Substanzen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Schichtsilikaten, Fullerenen, Graphit, Graphen, Perowskiten, Zirkondioxid, Aluminiumoxid, Kieselgel und Nanotubes und
– ein an das Träger-/Bindermaterial gebundenes Funktionsmaterial enthaltend eine oder mehrere Substanzen ausgewählt aus der Gruppe der Photokatalysatoren umfasst.

Ein erfindungsgemäßer Funktionslack umfasst ein Lackmatrixmaterial wie oben definiert und ein Kompositmaterial wie oben definiert.
Ein Lackmatrixmaterial im Sinne der vorliegenden Erfindung ist ein Material, das unabhängig von dem in dem erfindungsgemäßen Funktionslack enthaltenen Kompositmaterial dazu geeignet ist, als Beschichtungsstoff (Lack) eingesetzt zu werden, der auf einen Untergrund aufgebracht eine deckende Beschichtung ergibt (vgl. DIN EN 927-1: 1996-10). Das heißt, als Lackmatrixmaterial für den erfindungsgemäßen Funktionslack kommen grundsätzlich übliche Lacke in Frage. Vorzugsweise wird je nach Einsatzgebiet des erfindungsgemäßen Funktionslacks das Lackmatrixmaterial aus solchen Lacken ausgewählt, die für das entsprechende Einsatzgebiet üblicherweise eingesetzt werden. Lackmatrixmaterialien für einen erfindungsgemäßen Funktionslack sind beispielsweise ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Polystyrol-Co-Acrylat, Epoxi[poly(Bisphenol-A-co-epichlorohydrin)] (glycidyl end capped), Polyurethan, Polystyrol und Polymethylmethacrylat.
Das in dem erfindungsgemäßen Funktionslack enthaltene Kompositmaterial umfasst ein Träger-/Bindermaterial und ein an das Träger-/Bindermaterial gebundenes Funktionsmaterial enthaltend eine oder mehrere Substanzen ausgewählt aus der Gruppe der Photokatalysatoren oder bestehend aus einer oder mehreren Substanzen ausgewählt aus der Gruppe der Photokatalysatoren. In einer erfindungsgemäß bevorzugten Variante besteht das Funktionsmaterial aus einer oder mehreren Substanzen ausgewählt aus der Gruppe der Photokatalysatoren.
Das Träger-/Bindermaterial ist ein Material, das in der Lage ist, das Funktionsmaterial zu binden, d.h. am und/oder im Träger-/Bindermaterial zu fixieren. Dies erfolgt beispielsweise dadurch, dass Partikel des Funktionsmaterials an der Oberfläche des Träger-/Bindermaterials angelagert, z.B. adsorbiert werden, und/oder zwischen einzelnen Schichten des Träger-/Bindermaterials und/oder in Hohlräumen in der Struktur des Träger-/Bindermaterials eingelagert werden. Dabei bedeutet der Begriff “Träger-/Bindermaterial“, dass dieses Material in dem Kompositmaterial bezüglich des Funktionsmaterials als Trägermaterial und/oder als Bindermaterial wirkt.
Darüber hinaus bewirkt das Träger-/Bindermaterial eine Einbindung des Kompositmaterials in das Lackmatrixmaterial. Dies erfolgt beispielsweise dadurch, dass das Lackmatrixmaterial an der Oberfläche des Träger-/Bindermaterials angelagert, z.B. adsorbiert wird, und/oder zwischen einzelne Schichten des Träger-/Bindermaterials und/oder in Hohlräume in der Struktur des Träger-/Bindermaterials eindringt, so dass Lackmatrixmaterial und Kompositmaterial einander durchdringen. Da durch die Gegenwart des Träger-/Bindermaterials der direkte Kontakt zwischen Lackmatrixmaterial und Photokatalysator reduziert ist, wird außerdem eine unerwünschte Zersetzung des Lackmatrixmaterials verhindert oder zumindest reduziert.
Darüber hinaus ist es bevorzugt, dass das Träger-/Bindermaterial in der Lage ist, eine an dem Photokatalysator umzusetzende Substanz zu binden, d.h. am und/oder im Träger-/Bindermaterial zu fixieren. Dies erfolgt beispielsweise dadurch, dass Partikel der am Photokatalysator umzusetzenden Substanz an der Oberfläche des Träger-/Bindermaterials angelagert, z.B. adsorbiert werden, und/oder zwischen einzelnen Schichten des Träger-/Bindermaterials und/oder in Hohlräumen und Poren, insbesondere Nanoporen in der Struktur des Träger-/Bindermaterials eingelagert werden. Auf diese Weise wird trotz der Einbettung des den Photokatalysator enthaltenden Funktionsmaterials im Lackmatrixmaterial ein effizienter Transport der umzusetzenden Substanz zu den katalytisch aktiven Zentren gewährleistet
Weiterhin ist das Träger-/Bindermaterial bevorzugt so ausgewählt, dass es keinen hemmenden oder störenden Einfluss auf die durch den Photokatalysator katalysierte Reaktion ausübt.
Diese Anforderungen werden erfindungsgemäß besonders gut erfüllt durch ein Träger-/Bindermaterial für das Kompositmaterial des erfindungsgemäßen Funktionslacks, das eine große Oberfläche und/oder eine Schichtstruktur und/oder eine Hohlräume und/oder Poren umfassende Struktur aufweist. Daher enthält das Träger-/Bindermaterial eine oder mehrere Substanzen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Schichtsilikaten, Fullerenen, Graphit, Graphen, Perowskiten, Zirkondioxid, Aluminiumoxid, Kieselgel und Nanotubes.
Schichtsilikate sind Mineralien mit einer zweidimensionalen unendlichen Struktur aus sechsgliedrigen Ringen aus SiO₄-Tetraedern, wobei jeder SiO₄-Tetraeder über drei Ecken jeweils mit einem weiteren SiO₄-Tetraeder verbunden ist, wobei gegebenenfalls einzelne Siliciumatome durch Aluminiumatome oder Magnesiumatome ersetzt sind. Typische Vertreter der Schichtsilikate sind Tonmineralien, wie z.B. Kaolinit, Bentonit, Montmorillonit und Hectorit, sowie Vermiculit und Glimmer, z.B. Muscovit.
Graphit ist die hexagonale oder rhomboedrische kristalline stabile Modifikation des Kohlenstoffs. Dabei kann es sich um Naturgraphit (ein natürlich vorkommendes Mineral, in welchem Kohlenstoff-Atome in einem hexagonalen Kristallgitter in übereinander parallel verlaufenden Schichtebenen angeordnet sind) oder synthetischen (aus geeigneten kohlenstoffhaltigen Ausgangsmaterialien hergestellten) Graphit handeln.
Fullerene sind eine weitere allotrope Modifikation von Kohlenstoff in Form geschlossener Käfig-Moleküle, die aus Fünf- und Sechsringen aus sp²-hybridisierten Kohlenstoff-Atomen aufgebaut sind.
Als Graphen bezeichnet man eine planare, hexagonale Anordnung von Kohlenstoff-Atomen, die in ihrer Struktur einer monomolekularen Schicht Graphit entspricht.
Als Nanotubes (Nanoröhren) werden molekulare Strukturen bezeichnet, deren Durchmesser kleiner als 100 Nanometer (nm) ist. Bekannt sind beispielsweise Kohlenstoff-Nanotubes, deren Durchmesser typischerweise zwischen 2 und 100 nm liegt, je nachdem, ob es sich um einwandige (kleiner Durchmesser) oder mehrwandige Systeme handelt, und deren Länge mehrere Mikrometer oder sogar mehr beträgt. Neben den Kohlenstoff-Nanotubes gibt es aber auch eine Reihe von Beispielen von Nanotubes, die aus anderen Materialien wie z.B. Metalloxiden (insbesondere aus der Gruppe bestehend aus TiO₂ und Vanadium(V)-oxid), Wolframdisulfid, Bornitrid, gebildet sind.
Als Perowskit werden im engeren Sinne die Verbindung CaTiO₃ sowie im weiteren Sinne Verbindungen der Zusammensetzung ABX₃ bezeichnet. Dabei können die A-Positionen von über 20 Elementen (z. B. Ca²⁺, Ba²⁺, Pb²⁺, K⁺, Na⁺, Seltene Erden), die B-Positionen von fast 50 Elementen (z. B. Ti⁴⁺, Zr⁴⁺, Sn⁴⁺, Nb⁵⁺, Ta⁵⁺, W⁵⁺, Ga³⁺) und die X-Positionen von Sauerstoff und Halogenen eingenommen werden.
Kieselgele sind kolloidale Kieselsäuren von elastischer bis fester Konsistenz mit lockerer bis dichter Porenstruktur und hohem Adsorptionsvermögen für Gase, Dämpfe und Flüssigkeiten.
Erfindungsgemäß bevorzugt enthält das Träger-/Bindermaterial eine oder mehrere Substanzen ausgewählt aus der Gruppe der Schichtsilikate, insbesondere aus der Gruppe bestehend aus Hectorit, Bentonit und Montmorillonit.
Das in dem Kompositmaterial des erfindungsgemäßen Funktionslacks enthaltene Funktionsmaterial enthält eine oder mehrere Substanzen ausgewählt aus der Gruppe der Photokatalysatoren oder besteht daraus. Dabei werden erfindungsgemäß insbesondere Photokatalysatoren eingesetzt, die dazu geeignet sind, eine organische Substanz zu binden und zu zersetzen, deren Gegenwart unerwünscht ist, beispielsweise eine umwelt- oder gesundheitsgefährdende organische Substanz. Beispiele hierfür sind Fungizide, Pestizide, chemische Kampfstoffe, Erdölprodukte, Lösungsmittel, Bakterien, Pilze, Sporen, Viren und andere Schadstoffe.
Hinsichtlich der chemischen Struktur handelt es sich bei der am Photokatalysator zu bindenden und zu zersetzenden Substanz beispielsweise um Substanzen aus der Gruppe bestehend aus Alkoholen, aromatischen organischen Verbindungen, schwefelhaltigen organischen Verbindungen, phosphorhaltigen organischen Verbindungen, Farbstoffen, Fetten, Proteinen, DNS, Peptiden, Biomolekülen und Biopolymeren. „Zersetzen“ bedeutet dabei, dass die unerwünschte Substanz abgebaut wird unter Bildung niederermolekularer, anorganischer, nicht oder im Vergleich zur Ausgangssubstanz in wesentlich geringerem Maße gesundheits- und umweltgefährdender Produkte wie beispielsweise Wasser, Kohlendioxid, Schwefeldioxid und Phosphorsäure.
Ein Photokatalysator im Sinne der vorliegenden Erfindung ist ein Material, in welchem durch die Absorption von sichtbarem und/oder UV-Licht Elektronen in einen energetisch höheren Zustand versetzt werden, so dass Elektron-Loch-Paare entstehen. Diese bewirken eine Oxidation von adsorbiertem Wasser zu Hydroxyl-Radikalen sowie eine Reduktion von adsorbiertem Luftsauerstoff zu Sauerstoff-Radikalanionen. Diese sehr reaktiven Radikale bewirken die Zersetzung adsorbierter organischer Substanzen.
Besonders bevorzugt ist der Photokatalysator ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus TiO₂, ZnO, SnO₂ und WO₃ sowie deren Mischungen. Titandioxid (TiO₂) ist erfindungsgemäß besonders bevorzugt.
Überraschenderweise wurde festgestellt, dass die Effektivität des Photokatalysators in Gegenwart des Träger-/Bindermaterials signifikant höher ist im Vergleich zu (nicht erfindungsgemäßen) Funktionslacken, die einen Photokatalysator enthalten, der nicht an ein Träger-/Bindermaterial gebunden oder in ein solches eingebettet ist. Ohne die vorliegende Erfindung an eine bestimmte Theorie binden zu wollen, wird diese Effizienzsteigerung unter anderem darauf zurückgeführt, dass das Träger-/Bindermaterial die am Photokatalysator umzusetzende Substanz fixiert, z.B. adsorbiert. Hierdurch wird ein effizienter Stofftransport zu den Partikeln des oder der Photokatalysatoren gewährleistet, der bei direkt in das Lackmatrixmaterial eingebetteten Partikeln von Photokatalysatoren nicht gewährleistet wäre. Die große, vorzugsweise nanoporöse Oberfläche des Träger-/Bindermaterials sorgt gleichzeitig für eine große Kontaktfläche zwischen Photokatalysator und umzusetzender Substanz.
Die Bindung am Photokatalysator umzusetzender Substanzen durch das Träger-/Bindermaterial erfolgt auch dann, wenn kein Licht zur Anregung des Photokatalysators zur Verfügung steht, so dass auch dann, wenn wegen des Fehlens von Licht keine Umsetzung möglich ist, eine unerwünschte Substanz zumindest gebunden wird.
Außerdem wird dadurch, dass der Photokatalysator erfindungsgemäß über ein Träger-/Bindermaterial in das Lackmatrixmaterial eingebunden bzw. in ein Träger-/Bindermaterial eingebettet ist, eine unerwünschte Reaktion des Photokatalysators mit der Lackmatrix und somit ein Effizienzverlust des Photokatalysators bezüglich der erwünschten Reaktion mit einer adsorbierten Substanz verhindert.
Um die Wirkung des Photokatalysators nicht zu beeinträchtigen, ist bevorzugt das Lackmatrixmaterial und/oder eine oder mehrere der im Träger-/Bindermaterial enthaltenen Substanzen (wie oben definiert) transparent gegenüber UV-Licht und/oder sichtbarem Licht. Gegenüber UV-Licht transparente im Träger-/Bindermaterial einsetzbare Substanzen sind beispielsweise Hectorit und Zirkoniumdioxid.
In einem erfindungsgemäßen Funktionslack liegt das Gewichtsverhältnis von Träger-/Bindermaterial zu Funktionsmaterial vorzugsweise im Bereich von 1:1 bis 1:10, bevorzugt im Bereich von 1:1,5 bis 1:4. Bei einem höheren Gewichtsverhältnis von Träger-/Bindermaterial zu Funktionsmaterial ist der Anteil des Funktionsmaterials zu gering, um die gewünschte Funktion des Funktionsmaterials, d.h. die Umsetzung der am Träger-/Bindermaterial absorbierten Substanz, in effizienter Weise auszuführen. Bei einem geringeren Gewichtsverhältnis von Träger-/Bindermaterial zu Funktionsmaterial ist der Anteil des Träger-Bindermaterials zu gering, um das Funktionsmaterial wirksam zu binden und in den Lack einzubringen.
Das Gewichtsverhältnis von Träger-/Bindermaterial und Funktionsmaterial gemeinsam zu Lackmatrixmaterial liegt in einem erfindungsgemäßen Funktionslack vorzugsweise im Bereich von 2:1 bis 1:2, bevorzugt von 1,5.1 bis 1:1,5, besonders bevorzugt 1,2:1 bis 1:1,2, speziell bevorzugt 1:1 Bei einem höheren Gewichtsverhältnis von Träger-/Bindermaterial und Funktionsmaterial gemeinsam zu Lackmatrixmaterial ist der Anteil des Lackmatrixmaterials zu gering, um eine deckende, auseichend am Substrat haftende stabile Beschichtung zu bewirken. Bei einem geringeren Gewichtsverhältnis von Träger-/Bindermaterial und Funktionsmaterial gemeinsam zu Lackmatrixmaterial ist der gemeinsame Anteil von Träger-/Bindermaterial und Funktionsmaterial zu gering, um die gewünschte Funktion des Funktionslacks, d.h. die Adsorption und Umsetzung von Substanzen in effizienter Weise auszuführen.
Überraschenderweise wurde weiterhin festgestellt, dass die Aktivierungsenergie erfindungsgemäß einzusetzender Photokatalysatoren herabgesetzt wird, wenn das Träger-/Bindermaterial und/oder das Funktionsmaterial neben den oben genannten Bestandteilen Atome und/oder Ionen eines oder mehrerer Elemente aus der Gruppe bestehend aus Ag, Au, Pd, Co, Ni, Cr, Cu, N, P und S enthält.
Diese Elemente modifizieren und/oder funktionalisieren beispielsweise das Funktionsmaterial durch starke Adhäsion an der Oberfläche des Photokatalysators („Nanodot“). Die nichtmetallischen Elemente bilden dabei auch kovalente Bindungen mit dem Kristallgitter des Photokatalysators aus. Alternativ lagern sich Atome oder Ionen der genannten Elemente an der Oberfläche des Photokatalysators und/oder an der Oberfläche und/oder zwischen den Schichten und/oder in Hohlräumen des Träger-/Bindermaterials an. Dabei liegen die genannten Elemente entweder in elementarer Form, d.h. als Atome oder in gebundener Form vor, d.h. als Atome im Falle einer kovalenten Bindung bzw. als Ionen im Falle einer Ionenbindung. Bevorzugt liegen die genannten Elemente in elementarer Form vor, insbesondere gilt dies für die Metalle Ag, Au, Pd, Co, Ni, Cr und Cu. Die Nichtmetalle N, P und S hingegen bilden kovalente Bindungen mit dem Katalysatormaterial.
Unabhängig von der tatsächlichen Art der Wechselwirkungen werden Träger-/Bindermaterialien bzw. Funktionsmaterialien, die neben den oben genannten Bestandteilen Atome (gegebenenfalls kovalent gebunden) und/oder Ionen eines oder mehrere Elemente aus der Gruppe bestehend aus Ag, Au, Pd, Co, Ni, Cr, Cu, N, P und S enthalten, nachfolgend als modifizierte Funktionsmaterialien bzw. modifizierte Träger-/Bindermaterialien bezeichnet.
Erfindungsgemäß einzusetzende modifizierte Funktionsmaterialien umfassen eine oder mehrere Substanzen ausgewählt aus der Gruppe der Photokatalysatoren sowie Atome (gegebenenfalls kovalent gebunden) und/oder Ionen eines oder mehrerer Elemente aus der Gruppe bestehend aus Ag, Au, Pd, Co, Ni, Cr, Cu, N, P und S bzw. bestehen aus einer oder mehreren Substanzen ausgewählt aus der Gruppe der Photokatalysatoren sowie Atomen (gegebenenfalls kovalent gebunden) und/oder Ionen eines oder mehrerer Elemente aus der Gruppe bestehend aus Ag, Au, Pd, Co, Ni, Cr, Cu, N, P und S.
Erfindungsgemäß besonders bevorzugt ist somit ein Funktionslack nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Träger-/Bindermaterial und/oder das Funktionsmaterial neben den oben genannten Bestandteilen Atome (gegebenenfalls kovalent gebunden) und/oder Ionen eines oder mehrerer Elemente aus der Gruppe bestehend aus Ag, Au, Pd, Co, Ni, Cr, Cu, N, P und S enthält.
Kompositmaterialien, in denen das Träger-/Bindermaterial und/oder das Funktionsmaterial Atome (gegebenenfalls kovalent gebunden) und/oder Ionen eines oder mehrere Elemente aus der Gruppe bestehend aus Ag, Au, Pd, Co, Ni, Cr, Cu, N, P und S enthält, werden nachfolgend unter der Bezeichnung „modifiziertes Kompositmaterial“ zusammengefasst. Zur Herstellung eines derartigen modifizierten Kompositmaterials stehen insbesondere zwei verschiedene Wege zur Verfügung. Entweder wird zuerst ein Photokatalysator bzw. ein den Photokatalysator enthaltendes nicht modifiziertes Funktionsmaterial mit dem gewünschten Element in Kontakt gebracht und dotiert bzw. modifiziert, und dann das so erhaltene dotierte bzw. modifizierte Funktionsmaterial an ein Träger-/Bindematerial gebunden. Alternativ wird ein nicht modifiziertes Träger-/Bindematerial mit dem gewünschten Element in Kontakt gebracht und modifiziert, und dann ein Funktionsmaterial an das so erhaltene modifizierte Träger/Bindermaterial gebunden. Natürlich ist es auch möglich, ein modifiziertes Träger-/Bindermaterial und ein modifiziertes Funktionsmaterial miteinander zu kombinieren.
Für die Modifizierung eines Funktions- bzw. Träger-/Bindermaterialien mit Silber, Nickel, Cobalt, Kupfer bzw. Chrom wird das zu modifizierende Funktions- bzw. Träger-/Bindermaterial z.B. mit Ag(I)-, Ni(II)-, Co(II)-, Cu(II)- oder Cr(III)-nitrat in Kontakt gebracht.
Für die Berechnung des Gewichtsverhältnisses zwischen Träger-/Bindermaterial und Funktionsmaterial sind gegebenenfalls enthaltene Elemente aus der Gruppe bestehend aus Ag, Au, Pd, Co, Ni, Cr, Cu, N, P und S dem Funktionsmaterial hinzuzurechnen, unabhängig davon, ob diese bei der Herstellung des modifizierten Kompositmaterials dem Funktionsmaterial oder dem Träger-/Bindermaterial zugesetzt wurden.
Besonders bevorzugt sind modifizierte Kompositmaterialien, die als Modifizierungs- bzw. Dotierungselement Silber und als Photokatalysator Titandioxid enthalten. Durch die Modifizierung mit Silber wird die Aktivierungsenergie des Photokatalysators Titandioxid so weit gesenkt, dass das Titandioxid bereits durch sichtbares Licht angeregt wird. In Abwesenheit von Silber hingegen lässt sich TiO₂ nur mit UV-Licht anregen, d.h. es können lediglich 5 % des Sonnenlichtes genutzt werden. Aufgrund der besseren Ausnutzung des Sonnenlichts durch den Photokatalysator TiO₂ in einem erfindungsgemäß durch Zusatz von Silber modifiziertem Kompositmaterial kann bei gleicher Sonneneinstrahlung eine höhere Umsetzungsgeschwindigkeit der durch den Photokatalysator umzusetzenden Substanz erreicht werden.
Zur Herstellung eines mit Silber modifizierten Kompositmaterials werden das Träger-/Bindermaterial und/oder das Funktionsmaterial eines erfindungsgemäßen Kompositmaterials mit Silber-Ionen, z.B. in Form von AgNO₃-Lösung, in Kontakt gebracht. Unter dem Einfluss von Licht und/oder mit Hilfe eines chemischen Reduktionsmittels, insbesondere ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Hydrazin, LiNaBH₄, NaBH₄ oder Hydrochinon werden aus den Silber-Ionen elementares Silber enthaltende Nanoteilchen (Durchmesser von 4–5 nm) gebildet. Im Bereich des sichtbaren Lichtes ist Silber wegen seiner plasmonischen Eigenschaften nur in elementarer Form wirksam. Es ist dabei jedoch nicht ausgeschlossen, dass die äußere Oberfläche von Silber eine molekulare Schicht Ag₂O enthält.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein mit einem erfindungsgemäßen Funktionslack beschichtetes Substrat. Das Material des Substrats ist beispielsweise ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Glas, Keramik, Metall, Polymer, Holz, Zement, Beton und anderen Baustoffen.
Der erfindungsgemäße Funktionslack wird entweder bei Bedarf oder dauerhaft auf die Oberfläche eines Substrats, das eine mit unerwünschten organischen Substanzen kontaminierte Oberfläche aufweist oder einer mit unerwünschten organischen Substanzen kontaminierten Atmosphäre ausgesetzt ist, aufgetragen, z.B. auf eine Gebäudefassade, eine Gebäudeinnenwand, einen Fußboden, eine Zimmerdecke, ein Dach oder eine Innen- oder Außenwand eines Fahrzeugs.
Ein Anwendungsbeispiel für die Beschichtung eines Substrats in Form einer Gebäudeinnenwand sind die Wände, Decken und Fußböden von Räumen in Krankenhäusern und Arztpraxen, in denen eine hohe Konzentration an Krankheitserregern herrscht. Der photokatalytische Abbau von Krankheitserregern ist im Stand der Technik grundsätzlich bekannt.
Ein weiteres Anwendungsgebiet ist die Applikation eines erfindungsgemäßen Funktionslacks an einer Fassade. Hier wäre neben dem kontinuierlichen Abbau von Umweltgiften gegebenenfalls ein selbstreinigender Effekt der Fassade aus optischen Gründen von Interesse.
Ein anderes Anwendungsgebiet ist die Applikation eines erfindungsgemäßen Funktionslacks an der Oberfläche von Ausrüstungsgegenständen zur Aufbereitung von Trinkwasser.
Um einem erfindungsgemäßen Funktionslack eine für das Auftragen auf ein Substrat gewünschte Viskosität zu verleihen, enthält der anwendungsfertige Funktionslack typischerweise Verdünnungs- und/oder Lösungsmittel ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Wasser, Ethanol, Dioxan, DMSO, DMF. Ein derartiger anwendungsfertiger erfindungsgemäßer Funktionslack liegt in Form einer Suspension vor.
Üblicherweise wird zur Herstellung eines solchen anwendungsfertigen Funktionslacks eine Lösung des Lackmatrixmaterials in einem geeigneten Lösungsmittel hergestellt, wobei die Konzentration des Lackmatrixmaterials in dieser Lösung vorzugsweise 25 bis 35 Gew.-%, besonders bevorzugt 30 Gew.-% beträgt. In diese Lösung wird ein Kompositmaterial wie oben definiert d.h. das Träger-/Bindermaterials mit dem daran gebundenen Funktionsmaterial, eindispergiert. Gegebenenfalls wird die Suspension durch Zugabe von Lösungs- oder Verdünnungsmitteln weiter verdünnt, bis die gewünschte Viskosität erreicht ist. Vorzugsweise wird die Suspension in einem Ultraschallbad oder durch andere geeignete Mittel vor dem Auftragen auf die Substratoberfläche homogenisiert.
Gegenstand der Erfindung ist auch ein Kit of Parts zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Funktionslackes, umfassend.

– ein Lackmatrixmaterial
– ein Kompositmaterial umfassend ein Träger-/Bindermaterial wie oben definiert und ein Funktionsmaterial wie oben definiert
– ein oder mehrere Lösungs- und/oder Verdünnungsmittel.

Zum Auftragen der Schicht auf das zu beschichtende Substrat eignen sich z.B. Lackier- oder Sprühverfahren, aber auch ein Auftrag mittels Rakel, Pinsel, Walze o.ä. Das Sprühverfahren hat den Vorteil, dass große Flächen mit einer homogenen Beschichtung versehen werden können. Hierbei können jedoch nur sehr dünne Schichten aufgetragen werden, da die Gefahr besteht, dass bereits aufgetragenes Lackmatrixmaterial durch das Lösungsmittel des im weiteren Verlauf des Beschichtungsprozesses darauf gesprühten Funktionslacks gelöst und somit die Haftung der Beschichtung beeinträchtigt wird.
Die Dicke der den erfindungsgemäßen Funktionslack enthaltenden Schicht liegt vorzugsweise im Bereich von 15 bis 90 µm.
Erfindungsgemäß besonders bevorzugt ist ein beschichtetes Substrat, wobei der Funktionslack mit dem Substrat über eine Haftvermittlerschicht verbunden ist, insbesondere über eine Haftvermittlerschicht bestehend aus dem Lackmatrixmaterial oder enthaltend das Lackmatrixmaterial des Funktionslackes. Durch das Vorsehen einer Haftvermittlerschicht zwischen dem Substrat und der den erfindungsgemäßen Funktionslack enthaltenden Schicht wird die Haftung zwischen Funktionslack und Substrat verbessert. In der bevorzugten Variante entspricht die Haftung der Haftvermittlerschicht am Substrat der Haftung einer konventionellen Lackschicht ohne das in dem erfindungsgemäßen Funktionslack enthaltene Kompositmaterial. Die Haftung zwischen Haftvermittlerschicht und der den erfindungsgemäßen Funktionslack enthaltenden Schicht wird durch das in beiden Schichten enthaltene Lackmatrixmaterial bewirkt. Außerdem wird durch diesen Schichtaufbau gewährleistet, dass der (im Vergleich zu den anderen Komponenten des Funktionslacks teure) Photokatalysator sich ausschließlich in einem Bereich nahe der Oberfläche der Beschichtung befindet, so dass er effizient ausgenutzt wird.
Die Dicke der Haftvermittlerschicht beträgt vorzugweise 50 bis 70 µm. Bei erfindungsgemäßen Substraten, die eine solche Haftvermittlerschicht aufweisen, beträgt die Dicke der den erfindungsgemäßen Funktionslack enthaltenden Schicht vorzugsweise 15 bis 40 µm, vorzugsweise 15 bis 20 µm oder 20 bis 30 µm. Wenn keine Haftvermittlerschicht vorgesehen ist, beträgt die Dicke der den erfindungsgemäßen Funktionslack enthaltenden Schicht vorzugsweise 30 bis 100 µm, bevorzugt 60 bis 80 µm.
Ein Verbesserung der Haftung der des erfindungsgemäßen Funktionslacks am Substrat lässt sich auch erreichen durch einen Konzentrationsgradienten des Kompositmaterials über die Schichtdicke, wobei die Konzentration des Kompositmaterials in der Beschichtung in der Nachbarschaft zum Substrat null beträgt und mit zunehmender Entfernung von der Grenzfläche zwischen Substrat und Beschichtung bevorzugt kontinuierlich ansteigt, bevorzugt bis eine Endkonzentration erreicht ist, die mit weiter zunehmender Entfernung vom Substrat dann konstant sein kann.
Die vorliegende Erfindung umfasst auch ein Verfahren zum Herstellen eines erfindungsgemäßen Funktionslackes. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die Schritte:

a) Bereitstellen eines Lackmatrixmaterials,
b) Bereitstellen eines Träger-/Bindermaterials enthaltend eine oder mehrere Substanzen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Schichtsilikaten, Fullerenen, Graphit, Graphen, Perowskiten, Zirkondioxid, Nanotubes, Aluminiumoxid und Kieselgel,
c) Bereitstellen eines Funktionsmaterials enthaltend eine oder mehrere Substanzen ausgewählt aus der Gruppe der Photokatalysatoren,
d) Binden des Funktionsmaterials an das Träger-/Bindermaterial und
e) Einbringen des Funktionsmaterials und des Träger-/Bindermaterials in das Lackmatrixmaterial.

Hinsichtlich der Auswahlkriterien für Lackmatrixmaterial, Träger-/Bindermaterial und Funktionsmaterial gilt dabei das oben Ausgeführte. Bevorzugt werden für das erfindungsgemäße Verfahren die oben beschriebenen bevorzugten Lackmatrixmaterialien und/oder die oben beschriebenen bevorzugten Träger-/Bindermaterialien und/oder die oben beschriebenen bevorzugten Funktionsmaterialien eingesetzt.
Durch das Binden des Funktionsmaterials an das Träger-/Bindermaterial in Schritt d) wird ein Kompositmaterial umfassend ein Träger-/Bindermaterial und ein an das Träger-/Bindermaterial gebundenes Funktionsmaterial enthaltend eine oder mehrere Substanzen ausgewählt aus der Gruppe der Photokatalysatoren gebildet. Durch das Einbringen des Funktionsmaterials und des Träger-/Bindematerials in das Lackmatrixmaterial in Schritt e) wird ein erfindungsgemäßer Funktionslack gebildet.
Das Binden des Funktionsmaterials an das Träger-/Bindermaterial in Schritt d) erfolgt beispielsweise durch gemeinsames Vermahlen beider Materialien, vorzugsweise in einer Vibrationsmühle.
Das Einbringen des Funktionsmaterials und des Träger-/Bindermaterials in das Lackmatrixmaterial in Schritt e) erfolgt beispielsweise wie oben beschrieben durch Eindispergieren des Träger-/Bindermaterials mit dem daran gebundenen Funktionsmaterial in eine Lösung des Lackmatrixmaterials und anschließendes Homogenisieren der erhaltenen Suspension.
In einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in Schritt b) ein wie oben beschrieben Atome (gegebenenfalls kovalent gebunden) und/oder Ionen eines oder mehrerer Elemente aus der Gruppe bestehend aus Ag, Au, N, Pd, Co, Ni, Cr, Cu, P und S enthaltendes Träger-/Bindermaterial (modifiziertes Träger-/Bindermaterial wie oben beschrieben) und/oder ein wie oben beschrieben Atome (gegebenenfalls kovalent gebunden) oder Ionen eines oder mehrerer Elemente aus der Gruppe bestehend aus Ag, Au, Pd, Co, Ni, Cr, Cu, N, P und S enthaltendes Funktionsmaterial (modifiziertes Funktionsmaterial wie oben beschrieben) bereitgestellt, so dass in Schritt d) ein modifiziertes Kompositmaterial wie oben beschrieben gebildet wird.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung eines Träger-/Bindermaterials enthaltend eine oder mehrere Substanzen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Schichtsilikaten, Fullerenen, Graphit, Graphen, Perowskiten, Zirkondioxid, Nanotubes, Aluminiumoxid und Kieselgel, zum Einbringen eines Funktionsmaterials enthaltend eine oder mehrere Substanzen ausgewählt aus der Gruppe der Photokatalysatoren in ein Lackmatrixmaterial
Hinsichtlich der Auswahlkriterien für Lackmatrixmaterial, Träger-/Bindermaterial und Funktionsmaterial gilt dabei das oben Ausgeführte. Bevorzugt werden die oben beschriebenen bevorzugten Träger-/Bindermaterialien verwendet, insbesondere zum Einbringen eines der oben als bevorzugt beschriebenen Funktionsmaterialien in eines der oben als bevorzugt beschriebenen Lackmatrixmaterialien.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren und Beispielen erläutert. Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf diese Figuren und Beispiele beschränkt.
Es stellen dar:
1 eine schematische Veranschaulichung der Herstellung eines modifizierten Kompositmaterials
2 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen beschichteten Substrats
3 eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen beschichteten Substrats
4 eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen beschichteten Substrats
5 den zeitlichen Verlauf des Abbaus von Ethanol an einem mit einem erfindungsgemäßen Funktionslack beschichteten Substrat.
Ausführungsbeispiele
1. Herstellung von Kompositmaterialien für erfindungsgemäße Funktionslacke
Als Photokatalysator wurde Titandioxid (Hersteller: Evonik) ausgewählt. Als Träger-/Bindermaterial wurden Schichtsilikate ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Montmorillonit (Hersteller: Südchemie AG), Bentonit (Hersteller: Südchemie AG) und Hectorit (Hersteller: Firma Laporte, England) eingesetzt.
Ein durch Zusatz von Silber dotiertes bzw. modifiziertes Funktionsmaterial ist wie folgt erhältlich:
4,0 g TiO₂ (P25, Hersteller: Evonik) werden in 160 ml Wasser und 40 ml Propanol dispergiert. Zu dieser Suspension wird eine 0,1 mol/l AgNO₃-Lösung gegeben, dabei wird über die Menge der zugegebenen AgNO₃-Lösung die Konzentration von Silber je 100 g TiO₂ eingestellt. Als sinnvoll haben sich Konzentrationen zwischen 0,5 und 1 % Gew.-% bezogen auf die Masse des TiO₂ erwiesen. Danach wird die Suspension mit einer Hamamatsu L8251 Lampe eine Stunde lang bestrahlt und anschließend zentrifugiert. Danach wird das modifizierte Funktionsmaterial dreimal mit destilliertem Wasser gewaschen und getrocknet. Durch die Bestrahlung werden die Silber-Ionen zu elementarem Silber reduziert.
Ein durch Zusatz von Silber modifiziertes Träger-/Bindermaterial ist wie folgt erhältlich:
1 g Montmorillonit (EXM838, Hersteller: Südchemie AG) wird zum Quellen in 100 ml Wasser dispergiert. Nach 24 Stunden wird eine durch Auflösen von 1 mmol AgNO₃ in 400 ml Wasser hergestellte Lösung zugegeben. Für den Austauschprozess wird diese Dispersion zwei Tage lang in einem Trockenschrank bei 35 °C gelagert. Dann wird das Material dreimal ausgewaschen und zentrifugiert, anschließend bei 65 °C getrocknet. Die Reduktion der Silber-Ionen zu elementarem Silber erfolgt durch die Bestrahlung beim photokatalytischen Prozess.
Ein Kompositmaterial (wie oben definiert) ist wie folgt erhältlich: Zum Binden des Funktionsmaterials an das Träger-/Bindermaterial werden die beiden Komponenten Tonmineral (Träger-/Bindermaterial) und Funktionsmaterial (wie oben beschrieben) im gewünschten Verhältnis, bevorzugt 1:1,5 bis 1:4, in einer Vibrations-Achatmühle in wässrige Suspensionen überführt und 30 min gemahlen. Anschließend werden die Ansätze bei 110 °C getrocknet und mittels 90 µm-Sieben fraktioniert, d.h.es werden die Partikel ausgewählt, die ein Sieb von 90 µm Maschenweite passieren.
1 zeigt schematisch die Herstellung eines modifizierten Kompositmaterials 1 über die Zwischenstufe eines modifizierten Träger-/Bindermaterials, das im ersten Schritt durch in Kontakt bringen des Träger-/Bindermaterials 2, z.B. Na-Bentonit, mit Ionen eines Elements 3, z.B. Silber, hergestellt wird. Diese lagern sich an der Oberfläche und/oder zwischen den Schichten und/oder in Hohlräumen des Träger-/Bindermaterials 2 an. Im zweiten Schritt wird das modifizierte Träger-/Bindermaterial mit einem Photokatalysator 4, z.B. TiO₂, in Kontakt gebracht. Dieses lagert sich an der Oberfläche und/oder zwischen den Schichten und/oder in Hohlräumen des modifizierten Träger-/Bindermaterials an, so dass ein modifiziertes Kompositmaterial 1 gebildet wird.
2. Herstellung erfindungsgemäßer Funktionslacke
Durch Auflösen von Lackmatrixmaterialien in Form von Polymerlacken in einem für den jeweiligen Polymerlack geeigneten Lösungsmittel wurden Lösungen enthaltend jeweils 30 Gew.-% Lackmatrixmaterial hergestellt und darin die gemäß Beispiel 1 hergestellten Kompositmaterialien eindispergiert. Das Ergebnis ist eine dichte und viskose Suspension, die bei Bedarf mit Lösungs- oder Dispersionsmitteln verdünnt wird. Die Suspension enthält vorzugswiese 20 bis 40 Gew.-% feste Komponenten (Kompositmaterial und Lackmatrixmaterial) und 60 bis 80 Gew. % Lösungsmittel, vorzugsweise in Form eines Alkohol-Wasser-Gemisches oder anderer für Polymerlacke geeignete Lösungs- bzw. Verdünnungsmittel.
Die Suspension wird mittels Ultraschallbehandlung 2 bis 3 Stunden lang homogenisiert und ist dann zur Herstellung beschichteter Substrate einsetzbar.
3. Herstellung erfindungsgemäßer beschichteter Substrate
Schichten enthaltend einen erfindungsgemäßen Funktionslack werden mittels Rakel oder Pinsel, mittels Sprühverfahren oder ähnlichen gängigen Beschichtungsverfahren auf das zu beschichtende Substrat aufgebracht. Die Beschichtungen werden anschließend bei Raumtemperatur trocknen gelassen.
2 zeigt ein beschichtetes Substrat 7, wobei das Substrat 6 mit einer Schicht (Funktionsschicht) aus einem erfindungsgemäßen Funktionslack 8 beschichtet ist. Das Kompositmaterial 1 umfassend das Träger-/Bindermaterial 2, den daran gebundenen Photokatalysator 4 und gegebenenfalls Atome oder Ionen 3 eines Elements aus der Gruppe bestehend aus Ag, Au, Pd, Co, Ni, Cr, Cu, N, P und S ist homogen in dem Lackmatrixmaterial 5 der auf das Substrat 6 aufgetragenen Schicht 8 verteilt.
3 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäß beschichteten Substrats 7‘, wobei das Substrat 6 mit einer Haftvermittlerschicht 9 aus dem Lackmatrixmaterial 5 des erfindungsgemäßen Funktionslacks beschichtet ist, auf die eine Schicht (Funktionsschicht) aus einem erfindungsgemäßen Funktionslack 8 folgt. Das Kompositmaterial 1 umfassend das Träger-/Bindermaterial 2 und den daran gebundenen Photokatalysator 4 und gegebenenfalls Atome oder Ionen 3 eines Elements aus der Gruppe bestehend aus Ag, Au, Pd, Co, Ni, Cr, Cu, N, P und S ist homogen in dem Lackmatrixmaterial 5 der auf die Haftvermittlerschicht 9 folgenden Funktionsschicht 8 verteilt. Durch diesen Aufbau der Beschichtung wird nicht nur die Haftung an der Substratoberfläche sichergestellt, sondern auch gewährleistet, dass der (im Vergleich zu den anderen Komponenten des Funktionslacks teure) Photokatalysator sich ausschließlich in einem Bereich nahe der Oberfläche befindet, so dass er effizient ausgenutzt wird.
Bei der Herstellung eines beschichteten Substrats gemäß 3 wird in einem ersten Schritt eine Haftvermittlerschicht 9 aus einem Lack, vorzugsweise aus dem Lackmatrixmaterial des anschließend aufzutragenden Funktionslacks 8, auf die Oberfläche des Substrates 6 aufgetragen und bei Raumtemperatur getrocknet. Danach wird die zweite Schicht (Funktionsschicht) aus erfindungsgemäßem Funktionslack 8 auf die Haftvermittlerschicht 9 aufgebracht.
Mit diesem Verfahren können mehrere dünne Schichten auf die Substratoberfläche gebracht werden, die jeweils trocknen gelassen werden, bevor die jeweils nächste Schicht aufgesprüht wird. Auf diese Weise wird die bereits aufgetragene Lackschicht nicht so stark angefeuchtet, wenn der Lack der nächsten Schicht aufgetragen wird, und es wird eine mechanisch stabile Beschichtung erhalten.
4 zeigt eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäß beschichteten Substrats 7‘‘, wobei auf das Substrat 6 eine Schicht aus einem Funktionslack 8‘ aufgetragen ist, in welcher die Konzentration des Kompositmaterials 4 in der Nachbarschaft zum Substrat 6 null beträgt und mit zunehmender Entfernung von der Grenzfläche zwischen Substrat 6 und Schicht 8 ansteigt.
In Tabelle 1 sind die Zusammensetzungen verschiedener Beschichtungen aufgelistet, die auf Substraten aus Glas aufgetragen wurden. Bei den angegebenen Schichtdicken handelt es sich um die Gesamtdicke von Haftvermittlerschicht und Funktionsschicht. Die Haftvermittlerschicht besteht jeweils aus handelsüblichem Polyurethanlack mit unterschiedlichen Farbtönen, z.B. Bronzegrün, der auch das Lackmatrixmaterial des Funktionslacks in der Funktionsschicht bildet, außer in den Beispielen mit einer Funktionsschicht, die zu 100 % aus Kompositmaterial besteht. Der Photokatalysator ist TiO₂. Als Träger-/Bindermaterialien wurden Schichtsilikate eingesetzt, als Modifizierungselement Silber. Das Kompositmaterial wurde hergestellt durch in Kontakt Bringen von Montmorillonit mit Silbernitratlösung und anschließendes Vermahlen des so modifizierten Montmorillonits mit TiO₂.
4. Demonstration der katalytischen Wirkung
Die Wirkung des Photokatalysators in einer erfindungsgemäßen Funktionslackschicht umfassend ein Kompositmaterial umfassend ein Träger-/Bindermaterial in Form von mit Silber modifiziertem Montmorillonit und ein Funktionsmaterial umfassend Titandioxid als Photokatalysator wird am Beispiel des Abbaus von Ethanol demonstriert. Der Versuch erfolgte in einem Photoreaktor mit einem Volumen von 165 ml. Die anfängliche Konzent- ration an Ethanol beträgt c = 0,35 mmol·dm^–3(16,72 ppm).
Das System wurde, nachdem sich das mit dem erfindungsgemäßen Funktionslack beschichtete Substrat (Glas) bereits eine gewisse Zeit lang (30 min) im Photoreaktor befand, mittels einer Lichtquelle mit einer Wellenlänge λ ≥ 435 nm eine Stunde lang bestrahlt. Der Abstand der Lichtquelle zur Oberfläche betrug 5 cm. Die Strömungsgeschwindigkeit im Zirkulationssystem wurde auf 375 ml·min^–1 eingestellt, die relative Feuchtigkeit auf 70 %. Der Abbauprozess von Ethanol wurde mit einem Shimadzu GC-14B Typ Gaschromatograph (mit TCD, oder FID Detektor) bestimmt.

Die Zusammensetzung der untersuchten Funktionslackschichten ist in Tabelle 2 angegeben. Tabelle 2:

Lackmatrixmaterial	Anteil des Kompositmaterials an der Funktionslackschicht/ Gew.-%	Zusammensetzung des Kompositmaterials
Lackmatrixmaterial		Montmorillonit/ Gew.-%	TiO₂/ Gew%	Ag/ Gew-%
handelsüblicher Polyurethanlack mit Farbton Bronzegrün	90	18,4	80	1,6
handelsüblicher Polyurethanlack mit Farbton Braunbeige	90	19	80	1,0

Die Dicke der Funktionslackschicht beträgt 20 bis 30 µm. Die Funktionslackschicht ist über eine aus dem Lackmatrixmaterial des Funktionslacks gebildete Haftvermittlerschicht an das Substrat gebunden. Die Dicke der Haftvermittlerschicht beträgt 50 bis 60 µm.
5 zeigt die Konzentration an Ethanol als Funktion der Zeit. Es ist deutlich erkennbar, dass bereits vor dem Einsetzen der Bestrahlung eine signifikante Verminderung der Konzentration an Ethanol erfolgt. Dies lässt sich auf die Adsorption des Ethanols am Binder/Träger-Material zurückführen, die unabhängig von der Belichtung erfolgt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

Menesi et al. beschreiben in Catalysis Today 144 (2009) 160–165 [0007]
DIN EN 927-1: 1996-10) [0012]

Claims

Funktionslack, umfassend ein Lackmatrixmaterial und ein Kompositmaterial, das Kompositmaterial umfassend – ein Träger-/Bindermaterial enthaltend eine oder mehrere Substanzen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Schichtsilikaten, Fullerenen, Graphit, Perowskiten, Graphen, Zirkondioxid Aluminiumoxid, Kieselgel und Nanotubes und – ein Funktionsmaterial, gebunden an das Träger-/Bindermaterial, wobei das Funktionsmaterial eine oder mehrere Substanzen ausgewählt aus der Gruppe der Photokatalysatoren enthält.
Funktionslack nach Anspruch 1, wobei das Träger-/Bindermaterial ein Schichtsilikat enthält.
Funktionslack nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Photokatalysator ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus TiO₂, ZnO, SnO₂ und WO₃ sowie deren Mischungen.
Funktionslack nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Träger-/Bindermaterial und/oder das Funktionsmaterial weiterhin Atome und/oder Ionen eines oder mehrerer Elemente aus der Gruppe bestehend aus Ag, Au, Pd, Co, Ni, Cr, Cu, N, P und S enthält.
Funktionslack nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Lackmatrixmaterial und/oder eine oder mehrere der im Träger-/Bindermaterial enthaltenen Substanzen transparent gegenüber UV-Licht und/oder sichtbarem Licht ist.
Funktionslack nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Gewichtsverhältnis von Träger-/Bindermaterial zu Funktionsmaterial 1:1 bis 1:10 beträgt.
Funktionslack nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Gewichtsverhältnis von Träger-/Bindermaterial und Funktionsmaterial gemeinsam zu Lackmatrixmaterial 2:1 bis 1:2 beträgt.
Substrat, beschichtet mit einem Funktionslack nach einem der vorangehenden Ansprüche.
Substrat nach Anspruch 8, wobei der Funktionslack mit dem Substrat über eine Haftvermittlerschicht verbunden ist, insbesondere über eine Haftvermittlerschicht bestehend aus dem Lackmatrixmaterial oder enthaltend das Lackmatrixmaterial des Funktionslackes.
Verwendung eines Träger-/Bindermaterials enthaltend eine oder mehrere Substanzen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Schichtsilikaten, Fullerenen, Graphit, Graphen, Perowskite, Zirkondioxid, Nanotubes, Aluminiumoxid und Kieselgel zum Einbringen eines Funktionsmaterials enthaltend eine oder mehrere Substanzen ausgewählt aus der Gruppe der Photokatalysatoren in ein Lackmatrixmaterial.
Verfahren zum Herstellen eines Funktionslackes nach einem der Ansprüche 1 bis 7, umfassend die Schritte: a) Bereitstellen eines Lackmatrixmaterials, b) Bereitstellen eines Träger-/Bindermaterials enthaltend eine oder mehrere Substanzen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Schichtsilikaten, Fullerenen, Graphit, Graphen, Perowskiten, Zirkondioxid, Nanotubes, Aluminiumoxid und Kieselgel, c) Bereitstellen eines Funktionsmaterials enthaltend eine oder mehrere Substanzen ausgewählt aus der Gruppe der Photokatalysatoren, d) Binden des Funktionsmaterials an das Träger-Bindematerial und e) Einbringen des Funktionsmaterials und des Träger-Bindematerials in das Lackmatrixmaterial.
Kit of Parts zum Herstellen eines Funktionslackes nach einem der Ansprüche 1 bis 7, umfassend: – ein Lackmatrixmaterial – ein Kompositmaterial umfassend – ein Träger-/Bindermaterial enthaltend eine oder mehrere Substanzen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Schichtsilikaten, Fullerenen, Graphit, Perowskiten, Graphen, Zirkondioxid Aluminiumoxid, Kieselgel und Nanotubes und – ein Funktionsmaterial, gebunden an das Träger-/Bindermaterial, wobei das Funktionsmaterial eine oder mehrere Substanzen ausgewählt aus der Gruppe der Photokatalysatoren enthält, – ein oder mehrere Lösungs- und/oder Verdünnungsmittel.