DE102014008310A1 - Beschichtung zur Erzeugung staubabweisender Glasoberflächen - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Beschichtungszusammensetzung zum Beschichten eines Substrats wie einen Spiegel oder ein Glas. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Beschichtungszusammensetzung ein Polyalkylsiloxan mit terminalen Hydroxylgruppen oder eine Mischung aus verschiedenen Polyalkylsiloxanen mit terminalen Hydroxylgruppen, Siliziumtetrahalogenid oder Alkylhalogensilan oder Mischungen davon, und ein inertes aprotisches Lösemittel umfasst.

Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Beschichtungszusammensetzung, die die Anhaftung von Staub auf Glas- und Spiegeloberflächen vermindert. Ferner bezieht sich die vorliegende Erfindung auf die Herstellung davon, auf ein Substrat, versehen mit der Beschichtungszusammensetzung, auf das Beschichtungsverfahren und auf die Verwendung der erfindungsgemäßen Beschichtungszusammensetzungen.
  • Stand der Technik
  • Insbesondere bei Solaranlagen und bei solarthermischen Kraftwerken, bei denen Parabolspiegel zum Einsatz kommen, sind für eine gleichbleibend hohe Effizienz staub- und schmutzabweisende Beschichtungen auf Spiegel- und/oder Glasoberflächen unerlässlich.
  • Solarthermische Kraftwerke sind thermische Solaranlagen, welche aus Solarenergie Wärmeenergie gewinnen, welche in Solarstrom umgewandelt wird. Die elektromagnetische Strahlung der Sonne wird in Wärmeenergie umgewandelt. Dabei wird die Strahlungsenergie in Form von Strahlungsquanten, den sogenannten Photonen, abgegeben. Prallen diese Photonen auf einen Körper auf, so werden sie absorbiert oder reflektiert. Bei der Absorption werden die Atome des Körpers durch die Photonen in Schwingungen versetzt, wodurch Wärme entsteht. Es gibt mehrere Arten von solarthermischen Kraftwerken, wobei beispielhaft Solarfarm-, Solarturm und Parabolrinnenkraftwerke aufgeführt werden, die mit der Bündelung der Direktstrahlung der Sonne arbeiten. Über einen Wärmetauscher und Generator wird anschließend Strom erzeugt.
  • Im Stand der Technik gibt es eine Fülle an Dokumenten, die sich auf staub- und schmutzabweisende Beschichtungen beziehen.
  • So werden beispielsweise Substrate, die Verschmutzungen wie Stäuben mit anorganischen und organischen Komponenten oder Ruß bzw. Rauch, welche zu einem Großteil aus Kohlenstoff bestehen, ausgesetzt sind, mit einer hydrophoben Beschichtung behandelt, die zumindest für einen gewissen Zeitraum staub- und schmutzabweisend ist. Auch kommen Beschichtungen mit einem gewissen Selbstreinigungseffekt nach dem bekannten „Lotusblumeprinzip” zum Einsatz. Allerdings sind die im Stand der Technik bekannten Beschichtungen immer nur für einen gewissen Zeitraum staub- und schmutzabweisend.
  • Die DE 10 2007 039 164 A1 beschreibt eine Substratbeschichtung, die Staub abweist und leicht mit Regenwasser von anhaftendem anorganischem und organischem Schmutz gereinigt werden kann. Das dort genannte Beschichtungsmaterial enthält erste oxidische Teilchen aus beispielsweise Silantetra- oder -trialkoxiden in einem Größenbereich von 5–20 nm und zweite Teilchen mit einem Durchmesser im Größenbereich von 80–300 nm, die beispielsweise aus Aluminium-Silizium und Titanoxiden ausgewählt werden können.
  • Die WO2011/031138A2 beschreibt ein Verfahren zum Beschichten eines transparenten Substrats mit einer schmutzabweisenden Schicht, wobei eine Silikatschicht mittels Plasmaabscheiden aufgebracht wird. Es wird ein erster Vorläufer, der eine Organosilanverbindung umfasst, mit einem Lösemittel zur Bildung einer Sol-Gel-Präparation vermischt, welche zur Bildung der Beschichtung in Form eines Films auf das Substrat aufgebracht wird.
  • Die WO2007/102960A2 offenbart eine hydrophobe selbstreinigende Beschichtungszusammensetzung, die pyrogene Kieselsäure in einem Größenbereich von 1000 bis 4000 nm, ein Lösemittel oder eine Lösemittelmischung, ausgewählt aus Kohlenwasserstoffen oder linearen oder zyklischen Polydimethylsiloxanen mit 2 bis 10 Dimethylsiloxyeinheiten umfasst. Die hydrophoben Eigenschaften sind ein Ergebnis einer geeigneten Hydrophobisierungsbehandlung, d. h. die Behandlung mit wenigstens einer Verbindung aus der Gruppe von Organosilanen, Alkylsilanen, fluorierten Silanen und/oder Disilazanen.
  • WO2008/027697A1 beschreibt Perfluorpolyethersilane, Zusammensetzungen, die die Perfluorpolyethersilane enthalten und Verfahren zur Behandlung von Substraten, insbesondere Substarten mit einer harten Oberfläche wie Keramiken oder Glas, um diese um diese wasser-, öl- oder schmutzabweisend zu machen.
  • WO2011/043973A1 beschreibt eine Beschichtungszusammensetzung, die eine Silsesquioxan-Hartbeschichtungsharzkomponente und ein Perfluorpolyethersilan umfasst sowie ein Verfahren zur Beschichtung von Substraten, insbesondere Substraten mit einer harten Oberfläche wie Keramiken. Metall oder Glas, um diese wasser-, öl- oder schmutzabweisend zu machen.
  • WO2008/027698A1 beschreibt einen Antireflex-Gegenstand, der ein Substrat mit einer Antireflex-Oberfläche und eine Beschichtung eines Perfluorpolyethersilans darauf umfasst und des Weiteren ein Verfahren zum Aufbringen einer schmutzresistenten Beschichtung auf ein Substrat mit einer Antireflex-Oberfläche.
  • Aufgabe
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Beschichtungsmaterial aufzufinden, welches einfach herzustellen und zudem kostengünstig ist. Dieses Beschichtungsmaterial sollte nach dem Aufbringen auf ein Substrat wie ein Glas oder einen Spiegel oder eine andere Oberfläche eine Schicht ergeben, die die Anhaftung von Staub auf den Oberflächen nachhaltig vermindert. Die mit der Beschichtung behandelte Oberfläche sollte neben einem staubabweisenden Effekt auch eine gewisse Kratzbeständigkeit sowie eine Beständigkeit gegen Feuchtigkeit aufzeigen.
  • Detaillierte Beschreibung der Erfindung
  • Diese Aufgabe konnte überraschend durch die Bereitstellung einer Beschichtungszusammensetzung gelöst werden, die ein Polyalkylsiloxan mit terminalen Hydroxylgruppen oder eine Mischung aus verschiedenen Polyalkylsiloxanen mit terminalen Hydroxylgruppen, Siliziumtetrahalogenid oder Alkylhalogensilan oder Mischungen davon, und ein inertes aprotisches Lösemittel umfasst.
  • Als Polyalkylsiloxan wird vorzugsweise Polydimethylsiloxan, Silanol terminiert, (PDMS), eingesetzt. Allerdings ist diese Auswahl nicht einschränkend und beliebig andere Polyalkylsiloxane mit terminalen Hydroxylgruppen können zum Einsatz kommen.
  • Beispielhaft erwähnt werden Poly(methylpropyl)siloxan, Poly(methyloctyl)siloxan, Poly(trifluoropropylmethyl)siloxan und Poly(phenylmethyl)siloxan.
  • Das Siliziumtetrahalogenid kann aus Siliziumtetrachlorid oder Siliziumtetrabromid ausgewählt werden, wobei Siliziumtetrachlorid bevorzugt ist.
  • Das Alkylhalogensilan wird aus Methyltrichlorsilan, Dimethyldichlorsilan, Chlorpropyltrichlorsilan und Dodecyltrichlorsilan oder den entsprechenden Bromverbindungen ausgewählt, wobei diese Aufzählung in keinster Weise einschränkend ist.
  • Das inerte aprotische Lösemittel ist ein aliphatischer oder cycloaliphatischer oder aromatischer Kohlenwasserstoff oder ein Ether.
  • Vorzugsweise ist das Lösemittel ein Isoparaffin.
  • Als Substrat wird ein Glas oder ein Spiegel, insbesondere ein Parabol-Spiegel eingesetzt. Aber auch andere Oberflächen, die mit einer staubabweisenden Beschichtung versehen werden sollen, sind umfasst. Beispielsweise Substrate, die in der Flachglasindustrie Verwendung finden oder Beschichtungen auf Desktops, Touchpanels, etc.
  • Die Herstellung der Beschichtungszusammensetzung zeichnet sich durch die folgenden Schritte aus:
    • – Bereitstellen eines Polyalkylsiloxans mit terminalen Hydroxylgruppen oder einer Mischung aus verschiedenen Polyalkylsiloxanen mit terminalen Hydroxylgruppen in einem inerten aprotischen Lösemittel und
    • – Zugabe von Siliziumtetrahalogenid oder Alkylhalogensilan oder Mischungen davon in einem inerten aprotischen Lösemittel.
  • Das Verfahren zur Herstellung des beschichteten Substrats zeichnet sich durch die folgenden Schritte aus:
    • – Aufbringen der hergestellten Beschichtungszusammensetzung auf das Substrat,
    • – Entfernen von Überschuss Beschichtungszusammensetzung auf dem Substrat nach 1–10 Minuten,
    • – Trocknen der Beschichtungszusammensetzung auf dem Substrat und
    • – Polieren der Beschichtungszusammensetzung auf dem Substrat.
  • Die Beschichtungszusammensetzung wird dabei mittels Tauchverfahren, Filmziehrahmen, Spiralrakel, Rolle oder Spritzpistole auf das Substrat aufgebracht.
  • Ein Überschuss der Beschichtungszusammensetzung wird mit einem Rakel oder Tuch abgewischt oder mit Luft weggeblasen.
  • Bevorzugt wird der Überschuss an Beschichtungszusammensetzung nach einer Minute entfernt.
  • Anschließend wird die Beschichtungszusammensetzung für 5–120 Minuten, vorzugsweise 30 Minuten, bei einer Temperatur im Bereich von 20–150°C, vorzugsweise 120°C, getrocknet.
  • Nach dem Trocknungsvorgang wird die Oberfläche der Beschichtung mit einem Mikrofasertuch poliert.
  • Auch beschrieben wird die Verwendung der Beschichtungszusammensetzung zum Beschichten eines Substrats mit einer Beschichtungszusammensetzung, die staubabweisend und kratzbeständig ist.
  • Das Substrat ist dabei ein Glas oder ein Spiegel. Vorgesehen ist unter anderem eine Verwendung bei Parabolspiegeln für solarthermische Kraftwerke.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Beispielen und Vergleichsbeispielen weiter beschrieben, die die Erfindung nicht einschränken.
  • Verschiedene Chlorsilane werden in Kombination mit PDMS zur Beschichtung von Solarglas getestet. Es werden nur Einfachbeschichtungen hergestellt. Jeder Versuch wird doppelt ausgeführt.
  • Es werden die folgenden Lösungen in Exxol D80 verwendet:
    Silan g/Mol Lösung Konzentration
    PDMS (Polydimethylsiloxane 680 A 4,2%
    Silanol terminiert)
    DCMS (Dimethyldichlorsilan) 129 B2 1,8%
    SiCl4 170 C2 1,18%
    C3 1,58%
    C4 2,37
    Trichlormethylsilan (TCMS) 149 D2 1,39%
    D3 2,08%
    Chlorpropyltrichlorsilan (CPTCS) 212 E2 1,97%
    E3 2,96%
    Dodecyltrichlorsilan (DCTS) 304 F2 2,82%
    F3 4,24
    C8F13H4SiCl3 (TDH40) 482 G2 4,48%
    G3 6,72
  • Silan-Behandlung
    • • Reinigung der 10 cm × 10 cm × 2 mm Scheiben, mit Luft abblasen
    • • alle Lösungen (B-G) frisch mit Lösung A im angegebenen Verhältnis mischen und mit Lackrakel (24 μm) auftragen
    • • nach 1 min mit einem Tuch verreiben und abwischen
    • • Trocknung bei 120°C für 5–60 Minuten, vorzugsweise 30 Minuten,
    • • Abkühlen lassen
    • • polieren mit MFT
  • Test-Verfahren
  • Die polierten Platten werden alle zur Hälfte gestresst (100 Takte), dann einmal für 1 h auf das 90°C warme Wasserbad gelegt, mit Luft abgeblasen und getrocknet. Zum Abschluss wird der Standard-Staubtest (15 min) durchgeführt.
  • Zum Beispiel bedeutet A-B2 (1:1): 4,2% Lösung von PDMS in Exxol D80 wird mit einer 1,8% Lösung von DCMS in Exxol D80 im Verhältnis 1:1 gemischt und so eingesetzt.
  • Die Mischung A-B2 und die anderen Mischungen müssen frisch vor der Applikation angesetzt werden, da die Inhaltsstoffe, wenn auch langsam, miteinander reagieren.
  • Der Staubtest wurde mit Eisenoxidhydroxid (FeOOH) durchgeführt. Anschließend wurde eine Farbmessung (CIELAB) der bestaubten Glasplatte im Vergleich zur unbestaubten Glasplatte mit einem Farbmeßgerät der Firma Datacolor Modell Mercury durchgeführt. Je kleiner der ΔE-Wert ist, desto weniger FeOOH haftete an der Glasplatte. Ergebnisse mit ΔE-Werten < 3 (gestresst {(100 Takte/90°C)} und ungestresst {(90°C – 1 h)}) sind Beispiele, Ergebnisse mit ΔE-Werten > 3 sind Vergleichsbeispiele (hier Versuche 7, 8, 11, 12 und 15).
    Versuch Silan-Lösungen ΔE(90°C – 1 h) ΔE(100 Takte/90°C) Bemerkung
    1a A-B2 (1:1) 0,2 0,6
    1b A-B2 (1:1) 0,2 1,0
    2a A-C2 (1:1) 0,5 0,6
    2b A-C2 (1:1) 0,6 0,7
    3a A-C3 (1:1) 0,5 0,5
    3b A-C3 (1:1) 0,5 0,7
    4a A-C4 (1:1) 0,4 0,4
    4b A-C4 (1:1) 1,0 7,6
    4a2 A-C4 (1:1) 0,4 0,7 Wiederholung 4a
    4b2 A-C4 (1:1) 0,4 1,2 Wiederholung 4b
    5a A-D2 (1:1) 0,8 0,8
    5b A-D2 (1:1) 4,1 0,6
    5a2 A-D2 (1:1) 0,6 4,4 Wiederholung 5a
    5b2 A-D2 (1:1) 0,7 1,1 Wiederholung 5b
    6a A-D3 (1:1) 2,2 0,9
    6b A-D3 (1:1) 2,3 0,7
    7a A-E2 (1:1) 25,6 2,3 Grauschleier nach
    Trocknung
    7b A-E2 (1:1) 13,6 2,2
    8a A-E3 (1:1) 20,2 2,1 Grauschleier nach
    8b A-E3 (1:1) 16,4 3,2 Trocknung
    9a A-F2 (1:1) 0,3 0,2
    9b A-F2 (1:1) 0,4 0,2
    10a A-F3 (1:1) 0,3 0,2
    10b A-F3 (1:1) 0,7 0,7
    11a A-G2 (1:1) 0,6 3,6 Trübung, fällt
    11b A-G2 (1:1) 0,6 3,8 weiß aus
    12a A-G3 (1:1) 0,5 3,5 Trübung, fällt
    12b A-G3 (1:1) 0,3 5,2 weiß aus
    13a A-B2-C2 (4:3:1) 1,0 1,0
    13b A-B2-C2 (4:3:1) 0,5 0,7
    14a A-B2-D2 (4:3:1) 0,3 0,6
    14b A-B2-D2 (4:3:1) 0,1 0,8
    15a A-B2-E2 (4:3:1) 1,2 2,7
    15b A-B2-E2 (4:3:1) 1,7 3,8
    16a A-B2-F2 (4:3:1) 0,4 0,8
    16b A-B2-F2 (4:3:1) 0,3 0,5
  • Ein weiterer Punkt der Erfindung liegt darin, dass man eine Glasplatte oder einem Spiegel, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren beschichtet worden sind, wenn ihre staubabweisenden Eigenschaften mit der Zeit nachlassen, nach einer Reinigung der Oberfläche erneut beschichten kann und so die staubabweisenden Eigenschaften wieder regenerieren kann. Diese Regenerierung soll im eingebauten Zustand erfolgen. Das bedeutet, dass alle Arbeitsschritte wie bei der Grundbeschichtung erfolgen bis auf den Schritt der Trocknung bei hohen Temperaturen. Allerdings ist davon auszugehen, dass bereits die Sonneneinstrahlung den Trocknungsschritt kompensieren kann, wodurch sich lediglich eventuell die Trocknungszeit verlängert. Gegebenenfalls muss mit einem IR-Strahler oder einem Heißluftgebläse (Fön) zusätzlich die nachbeschichtete Glasscheibe oder der Spiegel erwärmt werden. Im Labor zeigte eine Trocknung bei 60°C für 60 min gute Ergebnisse bei der Nachbeschichtung.
  • Beispiel: Nach der Beschichtung mit PDMS/DCMS analog der Beschichtung in Beispiel 1 betrug der ΔE-Wert nach dem Polieren 1,3 (0,6). Anschließend wurde die Glasscheibe für 12 h auf ein 90°C heißes Wasserbad gelegt. Danach betrug der ΔE-Wert 8,5 (8,8). Dann wurde mit PDMS/DCMS nachbeschichtet, wobei 60 min bei 60°C getrocknet wurde. Nach dem Polieren betrug der ΔE-Wert 1,1 (1,9). Die Werte in Klammern sind die ΔE-Werte für die Glashälfte, die mit 100 Takte gestresst wurde, die Werte ohne Klammer sind die ΔE-Werte für die Glashälfte, die nicht gestresst wurde.
  • 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.
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Claims (16)

  1. Beschichtungszusammensetzung, umfassend ein Polyalkylsiloxan mit terminalen Hydroxylgruppen oder eine Mischung aus verschiedenen Polyalkylsiloxanen mit terminalen Hydroxylgruppen, Siliziumtetrahalogenid oder Alkylhalogensilan oder Mischungen davon, und ein inertes aprotisches Lösemittel.
  2. Beschichtungszusammensetzung nach Anspruch 1, wobei das Polyalkylsiloxan Polydimethylsiloxan ist.
  3. Beschichtungszusammensetzung nach den Ansprüchen 1–2, wobei das Siliziumtetrahalogenid aus Siliziumtetrachlorid oder Siliziumtetrabromid ausgewählt wird.
  4. Beschichtungszusammensetzung nach den Ansprüchen 1–3, wobei das Alkylhalogensilan aus Methyltrichlorsilan, Dimethyldichlorsilan, Chlorpropyltrichlorsilan und Dodecyltrichlorsilan oder den entsprechenden Bromverbindungen ausgewählt wird.
  5. Beschichtungszusammensetzung nach den Ansprüchen 1–4, wobei das inerte aprotische Lösemittel ein aliphatischer oder cycloaliphatischer oder aromatischer Kohlenwasserstoff oder ein Ether, vorzugsweise ein Isoparaffin, ist.
  6. Substrat, versehen mit einer Beschichtungszusammensetzung nach den Ansprüchen 1–5.
  7. Substrat nach Anspruch 6, wobei das Substrat ein Glas oder ein Spiegel ist.
  8. Verfahren zur Herstellung der Beschichtungszusammensetzung nach den Ansprüchen 1–5, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: – Bereitstellen eines Polyalkylsiloxans mit terminalen Hydroxylgruppen oder einer Mischung aus verschiedenen Polyalkylsiloxanen mit terminalen Hydroxylgruppen in einem inerten aprotischen Lösemittel. und – Zugabe von Siliziumtetrahalogenid oder Alkylhalogensilan oder Mischungen davon in einem inerten aprotischen Lösemittel.
  9. Verfahren zur Herstellung des beschichteten Substrats nach den Ansprüchen 6–7, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: – Aufbringen einer Beschichtungszusammensetzung nach den Ansprüchen 1–5 und hergestellt nach Anspruch 8 auf das Substrat, – Entfernen von Überschuss Beschichtungszusammensetzung auf dem Substrat nach 1–10 Minuten, – Trocknen der Beschichtungszusammensetzung auf dem Substrat und – Polieren der Beschichtungszusammensetzung auf dem Substrat.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Beschichtungszusammensetzung auf das Substrat mittels Filmziehrahmen, Spiralrakel, Rolle oder Spritzpistole oder mittels Tauchverfahren aufgebracht wird.
  11. Verfahren nach den Ansprüchen 9–10, wobei ein Überschuss der Beschichtungszusammensetzung mit einem Rakel oder Tuch abgewischt wird oder mit Luft weggeblasen wird.
  12. Verfahren nach den Ansprüchen 9–11, wobei die Beschichtungszusammensetzung für 5–120 Minuten, vorzugsweise 30 Minuten, bei einer Temperatur im Bereich von 20–150°C, vorzugsweise 120°C, getrocknet wird.
  13. Verfahren nach den Ansprüchen 9–12, wobei die Oberfläche der Beschichtung mit einem Mikrofasertuch poliert wird.
  14. Verfahren nach den Ansprüchen 9–13, wobei bei nachlassender Staubabweisung die Beschichtung durch Wiederholen der in den Ansprüchen 9–13 genannten Verfahrensschritte regeneriert wird.
  15. Verwendung der Beschichtungszusammensetzung nach den Ansprüchen 1–5 zum Beschichten eines Substrats mit einer Beschichtung, die staubabweisend und kratzbeständig ist.
  16. Verwendung nach Anspruch 15, wobei das Substrat ein Glas oder ein Spiegel ist.
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