DE102014018464A1 - THERMOCHROMIC PIGMENTS, THERMOCHROME COATING, METHOD FOR THE PRODUCTION THEREOF AND THEIR USE - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft thermochrome Pigmente, ausgewählt aus einem oder mehreren der Pigmente mit der allgemeinen Formel (1) bis (6) sowie eine thermochrome Beschichtung, umfassend mindestens eine Schicht, enthaltend oder bestehend aus einem oder mehreren der thermochromen Pigment der Formeln (1), (2), (3), (4), (5) und/oder (6), und optional enthaltend eine temperaturbeständige Matrix, basierend auf einem oder mehreren Bindemitteln oder einer Glasfritte. Die thermochromen Pigmente und die hieraus erzeugten thermochromen Beschichtungen zeichnen sich durch besonders vorteilhafte Eigenschaftskombinationen aus, wodurch diese auch für die Verwendung in Haushaltsgeräten, insbesondere als Temperaturindikatoren, geeignet sind.The invention relates to thermochromic pigments selected from one or more of the pigments of the general formula (1) to (6) and a thermochromic coating comprising at least one layer comprising or consisting of one or more of the thermochromic pigment of the formulas (1) (2), (3), (4), (5) and / or (6), and optionally containing a temperature-resistant matrix based on one or more binders or a glass frit. The thermochromic pigments and the thermochromic coatings produced therefrom are characterized by particularly advantageous combinations of properties, whereby they are also suitable for use in household appliances, in particular as temperature indicators.
Description
Die Erfindung betrifft thermochrome Pigmente, eine die thermochromen Pigmente enthaltende oder aus diesen bestehende thermochrome Beschichtung, ein Verfahren zur Herstellung von thermochromen Pigmenten und einer thermochromen Beschichtung sowie deren Verwendung.The invention relates to thermochromic pigments, to a thermochromic coating containing or consisting of thermochromic pigments, to a process for the preparation of thermochromic pigments and to a thermochromic coating, and to the use thereof.
HINTERGRUND DES STANDES DER TECHNIKBACKGROUND OF THE PRIOR ART
Thermochrome Materialien werden heute in vielen Bereichen als Temperaturindikatoren eingesetzt. Thermochrome Materialien sind Materialien, die bei Erwärmung eine Farbänderung zeigen. Man unterscheidet zwischen irreversibler Thermochromie, d. h. die Farbänderung bleibt auch nach dem Abkühlen erhalten, und reversibler Thermochromie, bei der die Materialien nach dem Abkühlen wieder ihre ursprüngliche Farbe annehmen. Irreversibel thermochrome Materialien kommen beispielsweise zum Einsatz, um einen visuellen Eindruck der Temperaturhistorie eines Produkts zu erhalten. Beispielsweise wird in der
Die Mechanismen hinter diesen Farbveränderungen sind vielfältig. Je nach Art des Mechanismus erfolgt der Farbwechsel fortlaufend über ein Temperaturintervall oder aber bei einer definierten Umschlagstemperatur. Während thermochrome Effekte, die auf der zunehmenden Dispersion der elektronischen Zustände mit steigender Temperatur beruhen, keine eindeutige Umschlagstemperatur aufweisen, können für solche, die auf Phasenumwandlungen oder Koordinationsänderungen des Chromophors beruhen, genaue Umschlagtemperaturen oder enge Temperaturintervalle angegeben werden. Ein Beispiel für erstere ist die Thermochromie von ZnO oder TiO2, die mit zunehmender Temperatur einen Farbwechsel von weiß nach gelb zeigen. Mit steigender Temperatur verringert sich die Bandlücke aufgrund der thermisch induzierten Verbreiterung von Valenz- und Leitungsband, so dass bei höheren Temperaturen die Absorptionskante vom UV-A-Bereich in den sichtbaren Spektralbereich verschoben wird. infolgedessen werden zunehmend Anteile des blauen Spektralbereiches absorbiert, was wiederum eine gelbe Körperfarbe nach sich zieht. Je nach Lage der Bandlücke können mit diesem Mechanismus Farbwechsel von weiß (bei niedrigen Temperaturen) über gelb zu orange, rot bis hin zu schwarz (bei höheren Temperaturen) erreicht werden.The mechanisms behind these color changes are manifold. Depending on the type of mechanism, the color change occurs continuously over a temperature interval or at a defined transition temperature. While thermochromic effects, which are due to the increasing dispersion of electronic states with increasing temperature, do not have a clear turnover temperature, for those based on phase transitions or coordination changes of the chromophore, accurate turnover temperatures or narrow temperature intervals may be indicated. An example of the former is the thermochromism of ZnO or TiO 2 , which shows a change in color from white to yellow with increasing temperature. As the temperature increases, the band gap decreases due to the thermally induced broadening of valence and conduction band, so that at higher temperatures, the absorption edge is shifted from the UV-A region into the visible spectral range. As a result, portions of the blue spectral region are increasingly absorbed, which in turn causes a yellow body color. Depending on the position of the band gap, this mechanism allows color changes from white (at low temperatures) to yellow to orange, red to black (at higher temperatures).
Ebenfalls eine kontinuierliche Änderung der Farbe mit steigender Temperatur wird bei Materialien beobachtet, deren Farbigkeit durch Absorption auf der Basis elektronischer Übergänge innerhalb der Elektronenhülle eines Atoms oder Ions basieren. So liegen bspw. die d-d-Absorptionen des Cr3+ im Rubin (Al2O3:Cr3+) zumindest teilweise im sichtbaren Spektralbereich. Bei Temperaturerhöhung verringert sich die Kristallfeldaufspaltung und damit der Energieabstand zwischen den besetzten und unbesetzten d-Orbitalen; es kommt zu einer kontinuierlichen Rotverschiebung der Absorptionsbanden mit steigender Temperatur.Also, a continuous change in color with increasing temperature is observed in materials whose color is based on absorption based on electronic transitions within the electron shell of an atom or ion. For example, the dd absorptions of Cr 3+ in the ruby (Al 2 O 3 : Cr 3+ ) are at least partially in the visible spectral range. When the temperature increases, the crystal field splitting and thus the energy gap between the occupied and unoccupied d orbitals decreases; There is a continuous red shift of the absorption bands with increasing temperature.
Liegen den Farbwechseln dagegen wirkliche Strukturänderungen zugrunde, so ist diesen eine Übergangstemperatur zugeordnet. So sind Kupfer(II)verbindungen bekannt, die das komplexe Anion [CuCl4]2– enthalten und bei Temperaturerhöhung einen Farbumschlag zeigen. Für Bis(diethylammonium)tetrachlorocuprat(II) [(C2H5)2NH2]2[CuCl4] liegt die Umschlagstemperatur für den Farbwechsel von grün zu gelb bei 43°C, bei dieser Temperatur ändert sich die Koordinationsgeometrie im [CuCl4]2–-Anion von verzerrt quadratisch-planar (T < 43°C) zu verzerrt tetraedrisch (T > 43°C).If, on the other hand, color changes are based on real structural changes, they are assigned a transition temperature. Thus, copper (II) compounds are known which contain the complex anion [CuCl 4 ] 2- and show a change in temperature a color change. For bis (diethylammonium) tetrachlorocuprate (II) [(C 2 H 5 ) 2 NH 2 ] 2 [CuCl 4 ] the transition temperature for the color change from green to yellow is 43 ° C, at which temperature the coordination geometry changes in [CuCl 4 ] 2- anion of distorted square-planar (T <43 ° C) distorted tetrahedral (T> 43 ° C).
Es gibt eine Vielzahl von organischen thermochromen Materialien und anorganischen thermochromen Komplexen, deren Einsatzbereich allerdings auf niedrige Temperaturen begrenzt ist. Für einen Einsatz bei höheren Temperaturen, z. B. bei Haushaltsgeräten, wie einem Ofen, einem Herd, einem Kochfeld usw., müssen jedoch anorganische thermochrome Materialien bereitgestellt werden, die bei Temperaturen von ≥ 200°C dauerhaft beständig sind. In extremen Belastungsfällen (z. B. ein leerer Topf auf eingeschaltetem Kochfeld) müssen diese anorganischen Materialien sogar bei Temperaturen von 600 bis 700°C beständig sein.There are a variety of organic thermochromic materials and inorganic thermochromic complexes, but their application is limited to low temperatures. For use at higher temperatures, eg. As in household appliances such as an oven, a stove, a hob, etc., but inorganic thermochromic materials must be provided, which are durable at temperatures of ≥ 200 ° C. In extreme load cases (eg an empty pot with activated hob), these inorganic materials must be resistant even at temperatures of 600 to 700 ° C.
Zu den bekannten anorganischen thermochromen Materialien gehören beispielsweise HgI2, Agl, Ag2HgI4, Cu2HgI4 und das Ag2HgI4-Cu2HgI4-Eutektoid, welches 43 mol-% Cu2HgI4 enthält. CdS und CdSe zeigen ebenfalls einen Farbwechsel mit Temperaturänderung. Diese zeigen jedoch Nachteile: Zum einen sind quecksilber- und cadmiumhaltige Pigmente aufgrund ihrer Toxizität für den Einsatz im Hausgerätebereich unerwünscht, zum anderen ist die Temperaturstabilität dieser Iodide, Sulfide und Selenide in extremen Belastungsfällen nicht gegeben, da es sich hier um sog. „softframework crystals”, also Materialien mit einem weichen bzw. stark polarisierbaren Netzwerk, handelt. Edelmetallhalogenide tendieren unter Erwärmung zur Dissoziation unter Freisetzung des elementaren Halogens, außerdem können diese Materialien hydrolyseempfindlich sein. Im Konzept ”Principles of soft and hard acids and bases” (HSAB-Konzept) (s.
Ein weiteres bekanntes anorganisches thermochromes Material ist der Rubin, d. h. Cr-dotiertes Al2O3. Bei Zimmertemperatur liegen zwei die Körperfarbe verursachende Absorptionsbanden (d-d-Übergänge von Cr3+ mit der Elektronenkonfiguration [Ar]3d3) im UV-A- und im grünen Spektralbereich, weshalb der Eindruck eines Magentafarbtons entsteht. Mit steigender Temperatur wird die Kristallfeldaufspaltung geringer, weshalb es zu einer Rotverschiebung der beiden Absorptionsbanden kommt, so dass die Absorption dann im blauen und roten Spektralbereich liegt, wodurch ein grüner Farbeindruck entsteht. Problematisch bei Cr-dotiertem Al2O3 (Rubin) ist insbesondere, dass dieses einen Farbwechsel von rot (kalt) nach grün (heiß) aufweist. Das Farbänderungsverhalten dieses Materials ist gegenüber der von einem Temperaturindikator erwarteten Farbänderung gerade vertauscht, weshalb dieses Material als Indikator für den Heißbereich ausscheidet.Another known inorganic thermochromic material is the ruby, ie Cr-doped Al 2 O 3 . At room temperature, two absorption bands (dd-transitions of Cr 3+ with the electron configuration [Ar] 3d 3 ) causing the body color lie in the UV-A and green spectral range, giving the impression of a magenta color. With increasing temperature, the crystal field splitting becomes smaller, which leads to a red shift of the two absorption bands, so that the absorption then lies in the blue and red spectral range, whereby a green color impression is produced. A particular problem with Cr-doped Al 2 O 3 (ruby) is that it has a color change from red (cold) to green (hot). The color change behavior of this material is just reversed from that expected by a temperature indicator color change, which is why this material precipitates as an indicator of the hot area.
Ein weiteres bekanntes Beispiel für ein anorganisches Material mit Farbänderung bei Temperaturänderung ist VO2, welches einen Halbleiter-Metall-Übergang bei Temperaturen von 65 bis 69°C zeigt, mit dem eine Änderung der optischen Konstanten einhergeht. In der
Weiterhin offenbart die
Ferner beschreibt die
Auch die Thermochromie von Bismutvanadat (BiVO4) ist bekannt. BiVO4 zeigt bei ca. 255°C einen reversiblen Farbwechsel (s.
Auch im Zusammenhang mit beheizbaren Oberflächen im Haushaltsgerätebereich ist der Einsatz thermochromer Materialien bekannt geworden:
So wird in der
So will in the
In der
Problematisch an Bismut-reichen Oxiden ist generell, dass diese bei hohen Temperaturen einen Bismut-Verlust wegen des hohen Dampfdrucks zeigen. Bei der Pigmentherstellung kommt es aufgrund des Abdampfens von Bismut leicht zu Kreuz-Kontaminationen, was sich besonders nachteilig auf die Kosteneffizienz auswirkt, da die Bismut-haltigen Pigmente gesondert verarbeitet werden müssen. Die Dotierung bismutreicher Oxide mit bspw. Natrium kann zu einer Verstärkung des thermochromen Effektes führen. Dies führt aber gleichzeitig zu einer Schmelzpunkterniedrigung, was die Verdampfungsproblematik von Bismut verstärkt und zu einer verminderten Temperaturstabilität führt.The problem with bismuth-rich oxides is generally that they show a bismuth loss at high temperatures because of the high vapor pressure. In the case of pigment production, cross-contamination easily occurs due to the evaporation of bismuth, which has a particularly disadvantageous effect on cost efficiency, since the bismuth-containing pigments have to be processed separately. The doping of bismutreicher oxides with, for example, sodium can lead to an enhancement of the thermochromic effect. At the same time, however, this leads to a lowering of the melting point, which increases the evaporation problem of bismuth and leads to a reduced temperature stability.
In der
In der
In der
Das vanadiumhaltige Material, insbesondere VO2, weist keinen wirklichen Farbumschlag auf, sondern vielmehr einen Übergang von transparent in spiegelnd.The vanadium-containing material, in particular VO 2 , has no real color change, but rather a transition from transparent to specular.
In der
In der
So sind bisher keine Produkte auf dem Markt, die geeignete Eigenschaften bereitstellen. Der Umschlagpunkt für die Anzeige einer erhöhten Temperatur für die bekannten Materialien ist in der Regel zu hoch, beispielsweise deutlich oberhalb von 200°C, so dass diese Materialien sich für den Hausgeräte-Bereich nicht eignen. Ferner müssen die zur Verfügung gestellten Materialien für die Anwendungsbedingungen zugelassen sein. Hierbei muss die entsprechende EG-Richtlinie (RoHS-Richtline 2011/65/EU oder RoHS 2) zur Beschränkung der Verwendung bestimmter gefährlicher Stoffe in Elektro- und Elektronikgeräten beachtet werden, die die Verwendung von Gefahrstoffen in Geräten und Bauteilen regelt. Beispielsweise sind Cadmium- bzw. quecksilberhaltiges Pigmente wie diese in der
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein thermochromes Material bereitzustellen, welches die oben geschilderten Nachteile aus dem Stand der Technik überwindet. Insbesondere soll ein Material zur Verfügung gestellt werden, das auch im Haushaltsgeräte-Bereich einsetzbar ist, um den Nutzer des Haushaltsgerätes oder eines anderen Gegenstands vor heißen Oberflächen zu warnen, ohne dass dafür zusätzliche Elektronik oder Sensorik im Haushaltsgerät oder Gegenstand eingebaut werden muss. Es soll eine deutlich wahrnehmbare Farbänderung bei Erhöhung der Temperatur, bevorzugt im Bereich oberhalb von 60°C, zeigen und das Farbänderungsverhalten soll sich möglichst über die Betriebsdauer des Hauhaltsgeräts oder Benutzungsdauer des Gegenstands nicht ändern. Ferner soll das thermochrome Material kostengünstig herstellbar und verarbeitbar sein.The present invention is therefore based on the object to provide a thermochromic material which overcomes the above-described disadvantages of the prior art. In particular, a material is to be made available, which can also be used in the household appliance sector, to warn the user of the household appliance or other object against hot surfaces, without having to be installed in the household appliance or object for additional electronics or sensors. It should show a clearly perceptible color change with increasing temperature, preferably in the range above 60 ° C, and the color change behavior should not change as far as possible over the service life of the household appliance or the duration of use of the object. Furthermore, the thermochromic material should be inexpensive to produce and processable.
BESCHREIBUNG DER VORLIEGENDEN ERFINDUNGDESCRIPTION OF THE PRESENT INVENTION
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein thermochromes Pigment, ausgewählt aus einem der Pigmente mit der allgemeinen Formel (1) bis (6):
B ein oder mehrere Elemente der Gruppe B = Si, Ge, Zr, Sn, Hf umfasst oder darstellt,
X ein oder mehrere Elemente der Gruppe X = O, S, N umfasst oder darstellt und
C ein oder mehrere Elemente der Gruppe C = Mn(IV), Cr(IV), Mo(VI), Ru(II), Nb(V), Fe(III) umfasst oder darstellt,
und 0 < n ≤ 10;
B ein oder mehrere Elemente der Gruppe B = Mo, W umfasst oder darstellt,
X ein oder mehrere Elemente der Gruppe X = O, S, N umfasst oder darstellt und
C ein oder mehrere Elemente der Gruppe C = Eu, Fe, Mn, Co, Ni, Cu, Ru umfasst oder darstellt,
und 0 < n ≤ 20;
B ein oder mehrere Elemente der Gruppe B = P, Mo, W, Nb, Ta umfasst oder darstellt, wobei 0 ≤ y ≤ 0,2;
B ein oder mehrere Elemente der Gruppe B = P, Mo, W, Nb, Ta umfasst oder darstellt, wobei 0 < y ≤ 0,2;
wobei L ein oder mehrere Elemente der Gruppe L = Mg, Ca, Sr, Ba umfasst oder darstellt, mit 1 ≤ x ≤ 10 und
M ein oder mehrere Elemente der Gruppe M = C, Si, Ge umfasst oder darstellt mit 1 ≤ y ≤ 10; oder
wobei L ein oder mehrere Elemente der Gruppe L = Mg, Ca, Sr, Ba umfasst oder darstellt, mit 1 ≤ x ≤ 10 und
M ein oder mehrere Elemente der Gruppe M = C, Si, Ge umfasst oder darstellt, wobei 1 ≤ y ≤ 10 sowie 0 < z ≤ 10.The object according to the invention is achieved according to the invention by a thermochromic pigment selected from one of the pigments of the general formula (1) to (6):
B comprises or represents one or more elements of the group B = Si, Ge, Zr, Sn, Hf
X comprises or represents one or more elements of the group X = O, S, N and
C comprises or represents one or more elements of the group C = Mn (IV), Cr (IV), Mo (VI), Ru (II), Nb (V), Fe (III),
and 0 <n ≤ 10;
B comprises or represents one or more elements of the group B = Mo, W
X comprises or represents one or more elements of the group X = O, S, N and
C comprises or represents one or more elements of the group C =Eu, Fe, Mn, Co, Ni, Cu, Ru
and 0 <n ≤ 20;
B comprises or represents one or more elements of the group B = P, Mo, W, Nb, Ta, where 0 ≤ y ≤ 0.2;
B comprises or represents one or more elements of the group B = P, Mo, W, Nb, Ta, where 0 <y ≤ 0.2;
wherein L comprises or represents one or more elements of the group L = Mg, Ca, Sr, Ba, with 1 ≤ x ≤ 10 and
M comprises one or more elements of the group M = C, Si, Ge or represents with 1 ≤ y ≤ 10; or
wherein L comprises or represents one or more elements of the group L = Mg, Ca, Sr, Ba, with 1 ≤ x ≤ 10 and
M comprises or represents one or more elements of the group M = C, Si, Ge, where 1 ≦ y ≦ 10 and 0 <z ≦ 10.
Ein Pigment der Gruppe (1) ist bevorzugt Na4Ge9O20:Mn4+ (2Na2O·9GeO2 dotiert mit Mn4+). Ein Pigment der Gruppe (2) ist bevorzugt Sr2MgMoO6:Eu2+ (2SrO·MgO·MoO3 dotiert mit Eu2+).A pigment of group (1) is preferably Na 4 Ge 9 O 20 : Mn 4+ (2Na 2 O.9GeO 2 doped with Mn 4+ ). A pigment of group (2) is preferably Sr 2 MgMoO 6 : Eu 2+ (2SrO.MgO.MoO 3 doped with Eu 2+ ).
Gegenstand der Erfindung ist auch eine thermochrome Beschichtung, umfassend mindestens eine Schicht, enthaltend oder bestehend aus einem oder mehreren der thermochromen Pigmente der Formeln (1), (2), (3), (4), (5) und/oder (6), optional enthaltend eine temperaturbeständige Matrix, basierend auf einem oder mehreren Bindemitteln oder einer Glasfritte. The invention also provides a thermochromic coating comprising at least one layer comprising or consisting of one or more of the thermochromic pigments of the formulas (1), (2), (3), (4), (5) and / or (6 ), optionally containing a temperature-resistant matrix, based on one or more binders or a glass frit.
Die Erfindung bezieht sich auch auf die Verwendung der thermochromen Beschichtung, umfassend mindestens eine Schicht, enthaltend oder bestehend aus einem oder mehreren der Pigmente der allgemeinen Formeln (1) bis (6), auf einem Glas- und/oder Glaskeramiksubstrat als Temperaturindikator, bevorzugt auf Oberflächen von (Haushalts-)Geräten oder Gegenständen aller Art, die erhitzt oder heiß werden können, insbesondere Herdplatten von Küchenherden, Kochfeldern, der Innen- oder Außenseite von Backofenscheiben, Ofenfenstern oder Kaminsichtscheiben, Kochgeschirr, Backformen, (keramischen) Backblechen, und/oder heizbare Platten von Bügeleisen, Lockenstäben, Glätteisen und dergleichen.The invention also relates to the use of the thermochromic coating comprising at least one layer, containing or consisting of one or more of the pigments of the general formulas (1) to (6), on a glass and / or glass ceramic substrate as a temperature indicator, preferably Surfaces of (domestic) appliances or objects of all kinds which may become hot or hot, in particular cooking hobs of cookers, hobs, the inside or outside of oven panes, oven windows or fireplace panes, cookware, bakeware, (ceramic) baking trays, and / or heatable plates of irons, curling irons, straighteners and the like.
Die thermochromen Pigmente bzw. die thermochrome Beschichtung gemäß der vorliegenden Erfindung erfüllen damit ihren Zweck, den Nutzer eines Haushaltsgerätes oder Gegenstands vor heißen Oberflächen zu warnen, ohne dass dafür zusätzliche Elektronik oder Sensorik im Haushaltsgerät eingebaut werden muss.The thermochromic pigments or the thermochromic coating according to the present invention thus fulfill their purpose to warn the user of a household appliance or object against hot surfaces without having to install additional electronics or sensors in the household appliance.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung in Einzelheiten erläutert: Hereinafter, the present invention will be explained in detail.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNGDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
THERMOCHROME PIGMENTETHERMOCHROME PIGMENTS
Die erfindungsgemäßen thermochromen Pigmente sind ausgewählt aus ein oder mehreren Pigmenten der allgemeinen Formeln (1) bis (6), wie oben angegeben. Diese Pigmente weisen einen Farbumschlag bei Erhöhung der Temperatur auf. Dieser Farbumschlag ist reversibel, d. h. die Pigmente nehmen nach dem Abkühlen wieder ihre Ausgangsfarbe an. Die thermochromen Pigmente der vorliegenden Erfindung zeigen bei Erhöhung der Temperatur um 50 K oder mehr, ausgehend von Zimmertemperatur, eine deutliche und visuell wahrnehmbare Farbänderung. Der Farbwechsel ist reversibel und gut sichtbar, d. h. die Materialien zeigen eine deutliche Verschiebung des Farbpunktes (gemäß CIE-Luv-Farbraumsystem von 1976) bei Temperaturänderung. Bei Temperaturerhöhung kann die Farbumschlags- bzw. Farbänderungstemperatur eine andere sein, als beim Abkühlen, d. h. es kann eine Hysterese auftreten.The thermochromic pigments according to the invention are selected from one or more pigments of the general formulas (1) to (6), as indicated above. These pigments show a color change as the temperature increases. This color change is reversible, d. H. the pigments return to their original color after cooling. The thermochromic pigments of the present invention exhibit a distinct and visually discernible color change as the temperature is increased by 50 K or more, starting from room temperature. The color change is reversible and clearly visible, d. H. the materials show a marked shift of color point (according to CIE-Luv color space system of 1976) with temperature change. When the temperature increases, the color change or color change temperature may be different than when cooling, d. H. There may be a hysteresis.
Die thermochromen Pigmente zeigen somit eine deutlich wahrnehmbare Farbänderung bei Erhöhung der Temperatur von Raumtemperatur auf Temperaturen im Bereich von 60 bis 200°C, sodass Farbunterschiede ab einer Erhöhung der Temperatur um 50 K visuell erfasst werden können und diese als Temperaturindikatoren in Heißbereichen eingesetzt werden können. Die Farbänderung wird mittels Messung der temperaturabhängigen diffusen Reflexion bestimmt. Zur Beurteilung des Farbänderungseffektes werden dabei die Farbpunkte in einem Farbdiagramm gemäß dem CIE-Luv-Farbraumsystem (auch L*u*v*) von 1976 dargestellt, was den Vorteil einer Visualisierung der Farbpunktverschiebung unter der Prämisse der Vergleichbarkeit bietet, da in der zweidimensionalen Darstellung der normierten Farbkoordinaten u' und v' empfindungsgemäß gleiche Farbtonunterschiede einen näherungsweise gleichen geometrischen Farbpunktabstand aufweisen (s.
Zur Berechnung des Farbtonunterschiedes werden nicht die normierten Farbtonkoordinaten u' und v' verwendet, sondern daraus abgeleitete Werte u* und v*, die unter anderem auch den Weißpunkt und die Helligkeit beinhalten. E*uv-Werte von 4 oder größer werden als visuell wahrnehmbar beschrieben. Die besonders guten Farbänderungseffekte, die für die erfindungsgemäßen Pigmente im Vergleich zu Pigmenten aus dem Stand der Technik erreicht werden, sind bei den Beispielen angegeben.For the calculation of the color difference, the normalized color coordinates u 'and v' are not used, but derived values u * and v *, which among other things also include the white point and the brightness. E * uv values of 4 or greater are described as visually perceptible. The particularly good color change effects which are achieved for the pigments according to the invention in comparison with pigments from the prior art are given in the examples.
Die erfindungsgemäßen Pigmente erfüllen die Voraussetzungen der oben erwähnten EU-Richtlinie, d. h. diese sind RoHS-konform und für die Anwendung auf beheizten Flächen in (Haushalts-)Geräten generell geeignet. Im Allgemeinen sind in den erfindungsgemäßen Pigmenten nicht enthalten: Zr, Cd, Se, Te, Hg, Tl, As, Sb, U, Th.The pigments of the invention meet the requirements of the above-mentioned EU Directive, ie they are RoHS compliant and generally for use on heated surfaces in (household) appliances suitable. In general, the pigments of the invention do not contain Zr, Cd, Se, Te, Hg, Tl, As, Sb, U, Th.
Die erfindungsgemäßen thermochromen Pigmente sind vorzugsweise bismutfrei oder bismutarm, vanadiumfrei oder vanadiumarm, wolframarm und molybdänarm. Bismut-, Molybdän- oder Wolframfrei bedeutet in der vorliegenden Erfindung, dass bis auf unvermeidbare Verunreinigungen kein Bismut, Molybdän oder Wolfram in dem Pigment oder den Pigmenten der Erfindung vorliegt. Dabei bedeutet Bismut-, Molybdän- oder Wolfram-arm im Rahmen der vorliegenden Erfindung, dass der Anteil an Bi2O3, MoO3 oder WO3 unterhalb von 50 mol-%, bezogen auf die Gesamtoxidzusammensetzung, liegt.The thermochromic pigments according to the invention are preferably bismuth-free or bismutarm, vanadium-free or vanadium-poor, tungsten-poor and molybdenum-poor. In the present invention, bismuth, molybdenum or tungsten-free means that, except for unavoidable impurities, there is no bismuth, molybdenum or tungsten in the pigment or pigments of the invention. Bismuth, molybdenum or tungsten arm in the context of the present invention means that the proportion of Bi 2 O 3 , MoO 3 or WO 3 is below 50 mol%, based on the total oxide composition.
Die thermochromen Pigmente enthalten farbgebende oder farbverstärkende ionische Dotierungen, z. B. Mn4+, Eu2+ oder Ce3+, deren Absorptionsbanden den Farbeindruck des undotierten Wirtsgitters vertiefen oder verändern. Die energetische Lage der Absorptionsbanden hängt stark von den Metall-Anionen-Abständen ab, die wiederum von der Temperatur beeinflusst werden. Zusätzlich beobachtet man die thermische Abhängigkeit der Bandlücke. Da sich die allermeisten Materialien thermisch ausdehnen, wird bei der Erwärmung eine Farbverschiebung beobachtet.The thermochromic pigments contain coloring or color-enhancing ionic dopants, eg. As Mn 4+ , Eu 2+ or Ce 3+ , whose absorption bands deepen or change the color impression of the undoped host lattice. The energetic position of the absorption bands depends strongly on the metal-anion distances, which in turn are influenced by the temperature. In addition, the thermal dependence of the band gap is observed. Since the vast majority of materials thermally expand, a color shift is observed in the heating.
Der Einsatz von nitridischen und oxinitridischen thermochromen Materialien gemäß der allgemeinen Formel (5) und/oder (6) ist besonders vorteilhaft, weil diese mit dem Nitridanion ein im Vergleich zum Oxidanion gemäß dem bereits erläuterten HSAB-Konzept weicheres und somit leichter polarisierbares Anion enthalten, was wiederum in einer stärkeren Abhängigkeit der Bandlücke von der Temperatur und damit einem ausgeprägten thermochromen Effekt resultiert. Aufgrund der größeren Polarisierbarkeit des Nitridanions im Vergleich zum Oxidanion wird bei oxinitridischen und nitridischen Verbindungen daher der thermochrome Effekt verstärkt.The use of nitridic and oxinitridischen thermochromic materials according to the general formula (5) and / or (6) is particularly advantageous because they contain with the nitride an softer and thus more easily polarizable anion compared to the Oxidanion according to the already discussed HSAB concept, which in turn results in a stronger dependence of the band gap on the temperature and thus a pronounced thermochromic effect. Owing to the greater polarizability of the nitride anion in comparison to the oxide anion, the thermochromic effect is therefore enhanced in oxinitridic and nitridic compounds.
Das thermochrome Pigment der vorliegenden Erfindung kann mit einem oder mehreren weiteren Pigmenten gemischt sein, um eine Mischfarbe zu erhalten und/oder den thermochromen Effekt durch Kontrasterhöhung zu verstärken bzw. „in die richtige Richtung” im Farbdiagramm zu schieben. Das heißt, neben den thermochromen Pigmenten können weitere, auch nicht-thermochrome und thermostabile Pigmente zugegeben werden, z. B. CoAl2O4, BaMgAl10O17:Co2+ oder andere Co2+-haltige Aluminate, Borate oder Silikate.The thermochromic pigment of the present invention may be blended with one or more further pigments to obtain a blend color and / or enhance the contrast enhancement thermochromic effect in the "right direction" in the color chart. That is, in addition to the thermochromic pigments other, non-thermochromic and thermostable pigments can be added, for. B. CoAl 2 O 4 , BaMgAl 10 O 17 : Co 2+ or other Co 2+ -containing aluminates, borates or silicates.
Die thermochromen Pigmente weisen bevorzugt einen mittleren Partikeldurchmesser d50 von 0,1 μm bis 100 μm, bevorzugter 0,5 μm bis 5 μm und vorzugsweise einen maximalen Partikeldurchmesser dmax von < 200 μm, bevorzugter < 100 μm, besonders bevorzugt < 10 μm auf. Es können alternativ auch Nanopigmente zum Einsatz kommen, deren Abmessungen bevorzugt in eine, zwei oder drei Raumrichtungen < 100 nm betragen, wie beispielsweise Nanopartikel, Nanodrähte, Nanoröhren oder Nanoplättchen.The thermochromic pigments preferably have an average particle diameter d 50 of 0.1 μm to 100 μm, more preferably 0.5 μm to 5 μm and preferably a maximum particle diameter d max of <200 μm, more preferably <100 μm, particularly preferably <10 μm , Alternatively, it is also possible to use nanopigments whose dimensions are preferably in one, two or three spatial directions <100 nm, for example nanoparticles, nanowires, nanotubes or nanoplates.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform können die thermochromen Pigmente gemäß der allgemeinen Formeln (1), (2), (3), (4), (5) und (6) zusätzlich umhüllt sein. Dabei kann die Hülle organisch oder anorganisch sein. Die Hülle kann beispielsweise aus Siliziumoxid, Aluminiumoxid, Zinnoxid, Titanoxid, Aluminiumphosphat, Aluminium-Zink-Phosphat, einem Organopolysiloxan, Siliziumnitrid, Siliziumcarbid und/oder Aluminiumnitrid bestehen. Die thermochromen Pigmente können auch mit mehreren Hüllen umgeben sein. Bevorzugt ist die Hülle oxidisch, nitridisch, oxinitridisch oder besteht aus einem Organopolysiloxan. Eine solche Verkapselung erhöht die Temperatur- und Hydrolysebeständigkeit sowie die Beständigkeit der Pigmente gegen Öle und Fette. Die Verkapselung der Pigmentpartikel kann dabei sowohl über nasschemische (Sol-Gel-Methoden) wie auch Gas-Partikel-Konversionsverfahren (Plasma-, MO- oder Fluidised-Bed-CVD-Prozesse) erfolgen. Während erste in einem inerten Lösungsmittel auf die Abscheidung von Schichten zur Umhüllung der Primärpartikel (Pigment) abzielen, werden bei letzteren reaktive gasförmige Edukte zu den Pigmentpartikeln gegeben, die aufgrund ihrer hohen Reaktivität bei den vorliegenden Reaktionsbedingungen umgehend abreagieren und so schichtartige Überzüge der Pigmentpartikel erzeugen.According to a preferred embodiment, the thermochromic pigments according to the general formulas (1), (2), (3), (4), (5) and (6) may additionally be enveloped. The shell may be organic or inorganic. The shell may for example consist of silica, alumina, tin oxide, titanium oxide, aluminum phosphate, aluminum-zinc phosphate, an organopolysiloxane, silicon nitride, silicon carbide and / or aluminum nitride. The thermochromic pigments may also be surrounded by multiple shells. Preferably, the shell is oxidic, nitridic, oxynitridic or consists of an organopolysiloxane. Such an encapsulation increases the temperature and hydrolysis resistance and the resistance of the pigments to oils and greases. The encapsulation of the pigment particles can take place both via wet-chemical (sol-gel methods) and gas-particle conversion methods (plasma, MO or fluidized-bed CVD processes). While the first in an inert solvent aimed at the deposition of layers for the coating of the primary particles (pigment), in the latter reactive gaseous reactants are added to the pigment particles, which react immediately due to their high reactivity under the present reaction conditions and thus produce layered coatings of the pigment particles.
Die Herstellung der thermochromen Pigmente kann über nasschemische Verfahren oder über Festkörperreaktion stattfinden. Im Fall von nasschemischem Präparationsverfahren werden die Edukte in einem Lösungsmittel homogen durchmischt und anschließend durch Fällung, Komplexierung, Sol-Gel-Verfahren oder andere Prozesse in einen Präkursor überführt, der dann bei Temperaturen oberhalb von 400°C für mindestens vier Stunden zwecks Bildung der gewünschten kristallographischen Struktur in einem oder mehreren Kalzinierschritten thermisch behandelt wird. Ebenso ist die Herstellung über Festkörperreaktionen geeignet. Dazu werden die Ausgangstoffe in Form von oxidischen, nitridischen oder sulfidischen Verbindungen, ggf. unter Luft- und Feuchtigkeitsausschluss, vermahlen und ggf. unter Zusatz von Sinterhilfsmitteln bei Temperaturen oberhalb von 400°C für mindestens vier Stunden zwecks Bildung der gewünschten kristallographischen Struktur in einem oder mehreren Kalzinierschritten thermisch behandelt. Sowohl bei den nasschemischen als auch bei den Festkörpermethoden kann die thermische Behandlung in oxidierender (Luft, Sauerstoff), inerter (Stickstoff, Argon, andere Edelgase) oder auch in reduzierender (Kohlenmonoxid, Formiergas (N2/H2), Wasserstoff, Ammoniak, andere Reduktionsmittel) Atmosphäre erfolgen, wobei bei mehreren Kalzinierschritten unterschiedliche Atmosphären zum Einsatz kommen können.The preparation of the thermochromic pigments can take place by wet-chemical processes or by solid-state reaction. In the case of wet-chemical preparation method, the starting materials are homogeneously mixed in a solvent and then converted by precipitation, complexation, sol-gel process or other processes in a precursor, which then at temperatures above 400 ° C for at least four hours to form the desired crystallographic structure is thermally treated in one or more calcination steps. Likewise, production via solid-state reactions is suitable. For this purpose, the starting materials in the form of oxidic, nitridic or sulfidic compounds, optionally with exclusion of air and moisture, ground and optionally with the addition of sintering aids at temperatures above 400 ° C for at least four hours to form the desired crystallographic structure in one or thermally treated several calcination steps. Both at the wet chemical and at The solid state methods, the thermal treatment in oxidizing (air, oxygen), inert (nitrogen, argon, other noble gases) or in reducing (carbon monoxide, forming (N 2 / H 2 ), hydrogen, ammonia, other reducing agents) atmosphere, wherein Different atmospheres can be used in several calcining steps.
THERMOCHROME BESCHICHTUNGTHERMOCHROME COATING
Die erfindungsgemäße thermochrome Beschichtung, umfasst mindestens eine Schicht, enthaltend oder bestehend aus einem oder mehreren der erfindungsgemäßen thermochromen Pigmente der Formeln (1), (2), (3), (4), (5) und/oder (6). Die thermochrome Beschichtung kann aus ein oder mehreren Schichten aufgebaut sein.The thermochromic coating according to the invention comprises at least one layer comprising or consisting of one or more of the thermochromic pigments according to the invention of the formulas (1), (2), (3), (4), (5) and / or (6). The thermochromic coating may be composed of one or more layers.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die thermochrome Beschichtung nur eine Schicht umfassen oder hieraus bestehen, die die erfindungsgemäßen Pigmente enthält oder hieraus besteht. Die thermochrome Beschichtung kann direkt auf ein Glas- und/oder Glaskeramiksubstrat aufgebracht werden, was in der Regel bevorzugt ist. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform können die Pigmente in der thermochromen Beschichtung in einer temperaturbeständigen Matrix vorliegen.According to one embodiment of the present invention, the thermochromic coating may comprise or consist of only one layer containing or consisting of the pigments of the invention. The thermochromic coating can be applied directly to a glass and / or glass ceramic substrate, which is generally preferred. According to a preferred embodiment, the pigments may be present in the thermochromic coating in a temperature-resistant matrix.
Vorzugsweise wird die temperaturbeständige Matrix ausgewählt aus einem oder mehreren Bindemittel oder einer Glasfritte, worin das oder die Pigmente eingearbeitet und dann zusammen mit der Matrix, bevorzugt unmittelbar, auf das Glas- und/oder Glaskeramiksubstrat aufgebracht werden.Preferably, the temperature-resistant matrix is selected from one or more binders or a glass frit, in which the pigment (s) are incorporated and then applied to the glass and / or glass-ceramic substrate together with the matrix, preferably directly.
Die erfindungsgemäße Beschichtung wird durch das Vorhandensein der Pigmente zur thermochromen Beschichtung, insbesondere zur reversibel thermochromen Beschichtung.The coating according to the invention is characterized by the presence of the pigments for the thermochromic coating, in particular for the reversibly thermochromic coating.
Die Beschichtung der vorliegenden Erfindung erfüllt die Anforderungen hinsichtlich der Gebrauchseigenschaften eines thermochromen Temperaturindikators, der bevorzugt im Zusammenhang mit Spezialgläsern/-glaskeramiken verwendet wird; beispielsweise ist die thermochrome Beschichtung für Kochflächen geeignet. Die Beschichtung erfüllt hierfür die erforderlichen Voraussetzungen: Die Beschichtung weist eine Temperaturbeständigkeit größer 400°C auf. Die thermochrome Beschichtung besitzt eine hohe thermische Beständigkeit, d. h. die notwendige Haltbarkeit von 400°C für 100 h, kurzzeitig können sogar 500°C toleriert werden. Es tritt keine Farbpunktänderung bei Zimmertemperatur auf und keine Veränderung des Farbänderungsverhaltens mit einer Temperaturänderung. Zudem treten im Gebrauch einer beheizbaren Fläche, insbesondere bei Haushaltsgeräten, Belastungen mit Wasserdampf auf, welcher hochkorrosiv sein kann. Es wurde weiterhin festgestellt, dass die erfindungsgemäße Beschichtung gegenüber heißem Wasserdampf und auch gegenüber Ölinfiltration für mindestens 1 Std. beständig ist, d. h. die Beschichtung weist Kondenswasserbeständigkeit bzw. Beständigkeit im Kontakt mit feuchten Medien auf. Auch die geforderte hohe mechanische Beständigkeit (Kratzbeständigkeit über 500 g im Skierometertest) und chemische Beständigkeit, insbesondere gegen Öl und Wasserdampf, liegen vor.The coating of the present invention meets the requirements for the performance characteristics of a thermochromic temperature indicator, which is preferably used in the context of special glasses / glass ceramics; For example, the thermochromic coating is suitable for cooking surfaces. The coating fulfills the required conditions for this: The coating has a temperature resistance greater than 400 ° C. The thermochromic coating has a high thermal resistance, i. H. the necessary durability of 400 ° C for 100 h, for a short time even 500 ° C can be tolerated. There is no color point change at room temperature and no change in color change behavior with a temperature change. In addition, when using a heatable surface, especially in household appliances, loads of water vapor occur, which can be highly corrosive. It has further been found that the coating according to the invention is resistant to hot steam and also to oil filtration for at least 1 hour, ie. H. the coating exhibits condensation resistance in contact with wet media. The required high mechanical resistance (scratch resistance above 500 g in the skierometer test) and chemical resistance, in particular against oil and water vapor, are also present.
Es versteht sich, dass wenn mehr als eine Schicht in der Beschichtung der vorliegenden Erfindung vorliegt, sämtliche Schichten die geeigneten Eigenschaften für die beabsichtigte Verwendung aufweisen sollen.It is understood that if more than one layer is present in the coating of the present invention, all layers should have the appropriate properties for the intended use.
Bevorzugt wird die thermochrome Beschichtung, umfassend oder bestehend aus mindestens einer Schicht, die aus den erfindungsgemäßen thermochromen Pigmenten besteht oder diese enthält, voll- oder teilflächig auf ein Kochfeld, eine Backofenscheibe, ein Ofenfenster oder eine Kaminsichtscheibe aufgebracht. Die thermochrome Beschichtung erfüllt dabei den Zweck, den Nutzer des (Haushalts-)Gerätes oder Gegenstands vor heißen Oberflächen zu warnen, ohne dass dafür zusätzliche Elektronik oder Sensorik eingebaut werden muss. Der Temperaturindikator stellt daher eine elektrisch autarke Temperaturanzeigevorrichtung dar.Preferably, the thermochromic coating, comprising or consisting of at least one layer consisting of or containing the thermochromic pigments according to the invention, fully or partially applied to a hob, an oven disc, a furnace window or a chimney panel. The thermochromic coating fulfills the purpose of warning the user of the (household) device or object against hot surfaces, without having to install additional electronics or sensors for this purpose. The temperature indicator therefore represents an electrically self-contained temperature display device.
Die thermochrome Beschichtung wird vorzugsweise direkt auf die beheizbare oder heiß-werdende Oberfläche aufgebracht, ohne Zwischenlage- oder Zwischenschicht. In anderen Ausführungsformen sind auch Zwischenlagen oder Zwischenschichten möglich.The thermochromic coating is preferably applied directly to the heatable or hot-going surface, without interlayer or intermediate layer. In other embodiments, also intermediate layers or intermediate layers are possible.
Es wurde erfindungsgemäß festgestellt, dass die thermochrome Beschichtung über eine hervorragende Haltbarkeit verfügt, nicht nur im Hinblick auf die Lebensdauer und Beständigkeit, sondern sich auch deren Farbänderungsverhalten über 10 Jahre nicht ändert, d. h. es wurde keine vom Menschen wahrnehmbare Farbpunktänderung bei Zimmertemperatur oder erhöhter Temperatur beobachtet.It has been found according to the invention that the thermochromic coating has an excellent durability, not only in terms of durability and durability, but also their color change behavior does not change over 10 years, d. H. no human-perceivable color point change was observed at room temperature or elevated temperature.
Die Eigenschaften der thermochromen Pigmente und damit auch der thermochromen Beschichtung können zum Teil noch verbessert werden, wenn die thermochromen Pigmente mit einer anorganischen oder organischen Hülle umgeben sind, wie bereits im Einzelnen erläutert wurde. Die thermochrome Beschichtung kann die thermochromen Pigmente daher verkapselt oder unverkapselt enthalten. The properties of the thermochromic pigments and thus also of the thermochromic coating can be improved in part if the thermochromic pigments are surrounded by an inorganic or organic shell, as already explained in detail. The thermochromic coating may therefore contain the thermochromic pigments encapsulated or unencapsulated.
Der Masseanteil des oder der thermochromen Pigmente in der gehärteten bzw. eingebrannten Farbe/Schicht beträgt 0,5 bis 50 Gew.-%, bevorzugt 2 bis 40 Gew.-% und besonders bevorzugt 10 bis 30 Gew.-%.The mass fraction of the thermochromic pigment or pigments in the cured or baked ink / layer is 0.5 to 50 wt .-%, preferably 2 to 40 wt .-% and particularly preferably 10 to 30 wt .-%.
Neben den thermochromen Pigmenten können ein oder mehrere weitere thermostabile Pigmente in die Matrix eingearbeitet werden, um eine Mischfarbe zu erhalten und/oder den thermochromen Effekt durch Kontrasterhöhung zu verstärken. Durch die Einarbeitung dieser thermostabilen Pigmente in eine temperatur- und chemisch beständige Matrix wird der Farbeindruck der Temperaturanzeige optimiert.In addition to the thermochromic pigments, one or more further thermostable pigments can be incorporated into the matrix to obtain a mixed color and / or enhance the thermochromic effect by increasing the contrast. By incorporating these thermostable pigments in a temperature and chemical resistant matrix, the color impression of the temperature display is optimized.
Wenn weitere Zusätze in der Matrix enthalten sind, so sind diese temperaturstabil und zeigen keine nachteiligen Einfluss auf die thermochrome Beschichtung bzw. die thermochromen Pigmente.If further additives are contained in the matrix, they are temperature-stable and have no adverse effect on the thermochromic coating or the thermochromic pigments.
MATRIXMATRIX
Die temperaturbeständige Matrix ist erfindungsgemäß vorzugsweise ausgewählt aus einem oder mehreren Bindemitteln oder einer Glasfritte. Die Matrix ist bevorzugt transparent mit einer Transmission des Lichts im sichtbaren Bereich von über 75% bei einer Schichtdicke der Matrix von 1 mm. Die Matrix ist erfindungsgemäß farblos oder kann eingefärbt sein. Eine farblose Matrix bewirkt, dass ein maximaler Farbeindruck durch das oder die thermochromen Pigmente erhalten wird. Eine eingefärbte Matrix führt zusammen mit der Farbe durch das oder die thermochromen Pigmente zu einer Mischfarbe und einem in gewünschter Weise veränderten Farbgesamteindruck. Durch Auswahl der Matrix kann daher eine Optimierung des Farbeindrucks erfolgen.The temperature-resistant matrix according to the invention is preferably selected from one or more binders or a glass frit. The matrix is preferably transparent with a transmission of the light in the visible range of more than 75% with a layer thickness of the matrix of 1 mm. The matrix is colorless according to the invention or may be colored. A colorless matrix ensures that a maximum color impression is obtained by the thermochromic or the pigments. A dyed matrix, together with the color through the thermochromic or the pigments, leads to a mixed color and a desired overall color impression. By selecting the matrix, it is therefore possible to optimize the color impression.
Für die Herstellung einer erfindungsgemäßen thermochromen Beschichtung auf einem Glas- oder Glaskeramiksubstrat werden das/die thermochrome/n Pigmente und ggf. Zusätze in einem flüssigen oder pastenförmigen matrixbildenden Material bzw. einer Matrixvorstufe verteilt und in einem oder mehreren Beschichtungsschritten auf das Substrat aufgebracht.For the production of a thermochromic coating according to the invention on a glass or glass-ceramic substrate, the thermochromic / n pigments and optionally additives are distributed in a liquid or pasty matrix-forming material or a matrix precursor and applied to the substrate in one or more coating steps.
Die Matrix verleiht der thermochromen Beschichtung dabei eine optimale Haftung und eine hohe Kratzbeständigkeit auf dem Substrat und erfüllt die Gebrauchseigenschaften hinsichtlich der thermischen, mechanischen und chemischen Beständigkeit. Die Kratzbeständigkeit, bestimmt mittels eines Sklerometertests, ergibt bevorzugt Schichten mit einer Kratzbeständigkeit > 500 g, besonders bevorzugt > 700 g.The matrix gives the thermochromic coating thereby an optimal adhesion and a high scratch resistance on the substrate and meets the performance characteristics in terms of thermal, mechanical and chemical resistance. The scratch resistance, determined by means of a sclerometer test, preferably gives layers with a scratch resistance> 500 g, particularly preferably> 700 g.
Die Prüfung der Beständigkeit der thermochromen Beschichtung gegenüber heißem Wasserdampf, indem die Beschichtung für mindestens eine Stunde heißem Wasserdampf ausgesetzt wird, zeigt, dass die thermochrome Beschichtung auch dieses Kriterium erfüllt.Examination of the resistance of the thermochromic coating to hot steam by exposing the coating to hot steam for at least one hour shows that the thermochromic coating also meets this criterion.
Das Vorsehen einer Matrix ist besonders vorteilhaft, da die Matrix die thermochromen Pigmente zusätzlich vor Degradation (Schutz vor Sauerstoff, Schwefel, H2O, Säureangriff, Öl, Fetten) bzw. Korrosion schützt. Hierdurch wird die Langzeitbeständigkeit des Farbwechseleffekts des beschichteten Substrats zusätzlich verbessert und sichergestellt.The provision of a matrix is particularly advantageous since the matrix additionally protects the thermochromic pigments from degradation (protection against oxygen, sulfur, H 2 O, acid attack, oil, grease) or corrosion. As a result, the long-term stability of the color-changing effect of the coated substrate is additionally improved and ensured.
Als Matrixmaterial kommen beispielsweise ein oder mehrere Bindemittel zum Einsatz, bevorzugt ein oder mehrere Polymere. Insbesondere können UV- oder thermisch härtbare Polymere eingesetzt werden, wie beispielsweise Polyacrylat, Polymethacrylat, Polyvinylalkohol, Polyvinylchlorid, Polyvinylacetale, Polyvinylpyrrolidon, Polystyrol, Polyolefine, Polyethylen, Polypropylen, Polycarbonat, Polyethylenterephthalat, perfluorierte Polymere, wie Polytetrafluorethylen, Polyurethane, wie silikonmodifizierte Polyurethane, Polyester, Epoxydharze, Methacrylatharze, Polyimide, Polyamide, Polycarbonat, Cycloolefincopolymere, Polyethersulfon und Mischungen dieser,
Polysiloxane, wie beispielsweise Methyl-Polysiloxan, Phenyl-Polysiloxane, Methyl/Phenyl-Polysiloxane, acrylatmodifizierte, polyestermodifizierte, polyurethanmodifizierte, epoxidmodifizierte oder nanopartikelfunktionalisierte Polysiloxane und/oder Silikone, Silikonharze, polyestermodifizierte, polyethermodifizierte oder epoxidfunktionalisierte Silikonharze, Silazane, SiliXane, und/oder
Sol-Gel-Materialien, bevorzugt UV- oder thermisch organisch vernetzbare hybridpolymere Sol-Gel-Materialien, hybridpolymere Sol-Gel-Materialien, nanopartikelfunktionalisierte Sol-Gel-Materialien, Sol-Gel-Materialien mit nanopartikulären Füllstoffen, anorganische Sol-Gel-Materialien. Dabei handelt es sich bei nanopartikulären Füllstoffen um Additive, die nicht in das Sol-Gel-Netzwerk eingebaut werden, wohingegen Nanopartikel in nanopartikelfunktionalisierten Sol-Gel-Materialien reaktiv in das Matrixnetzwerk eingebaut sind.As matrix material, for example, one or more binders are used, preferably one or more polymers. In particular, UV or thermally curable polymers can be used, such as polyacrylate, polymethacrylate, polyvinyl alcohol, polyvinyl chloride, polyvinyl acetals, polyvinylpyrrolidone, polystyrene, polyolefins, polyethylene, polypropylene, polycarbonate, polyethylene terephthalate, perfluorinated polymers such as polytetrafluoroethylene, polyurethanes such as silicone-modified polyurethanes, polyesters , Epoxy resins, methacrylate resins, polyimides, polyamides, polycarbonate, cycloolefin copolymers, polyethersulfone and mixtures of these,
Polysiloxanes, such as, for example, methylpolysiloxane, phenylpolysiloxanes, methyl / phenylpolysiloxanes, acrylate-modified, polyester-modified, polyurethane-modified, epoxy-modified or nanoparticle-functionalized polysiloxanes and / or silicones, silicone resins, polyester-modified, polyether-modified or epoxide-functionalized silicone resins, silazanes, silicans, and / or
Sol-gel materials, preferably UV or thermally organically crosslinkable hybrid polymer sol-gel materials, hybrid polymer sol-gel materials, nanoparticle-functionalized sol-gel materials, sol-gel materials with nanoparticulate fillers, inorganic sol-gel materials. These are nanoparticulate Fillers contain additives that are not incorporated into the sol-gel network, whereas nanoparticles in nanoparticle-functionalized sol-gel materials are reactively incorporated into the matrix network.
Als Sol-Gel-Ausgangsstoffe werden bevorzugt Metallalkoholate verwendet, bevorzugt Alkoxysilane, beispielsweise TEOS: Tetraethoxysilan, Aluminiumalkoholate, Titanalkoholate, Zirkonalkoholate und/oder Organometallalkoholate. Bevorzugt wird ein Tetraalkoxysilan Si(OR1)4 (mit R1 = Methyl, Ethyl, Propyl, iso-Propyl, Butyl, sec. Butyl, Phenyl) oder ein Aluminiumalkoholat oder ein Titanalkoholat oder ein Zirkonalkoholat in Kombination mit einem Alkoxysilan Si(OR1)3R2 (R2 = Glycidoxy, Methacryloxy, Acryl, Vinyl, Allyl, Amino, Mercapto, Isocyanato, Epoxy, ...), welches eine organisch vernetzbare Funktionalität besitzt, eingesetzt. Organisch vernetzbare Alkoxysilane können beispielsweise sein: GPTES: Glycidoxypropyltriethoxysilan, MPTES: Methacryloxypropyltriethoxysilan, GPTMS: Glycidyloxypropyltrimethoxysilan, MPTMS: Methacryloxypropyltrimethoxysilan, VTES: Vinyltriethoxysilan, ATES: Allyltriethoxysilan, APTES: Aminopropyltriethoxysilan, MPTES: Mercaptopropyltriethoxysilan, ICPTES: 3-Isocyanatopropyltriethoxysilan. Wahlweise wird noch ein weiteres Metallalkoholat eingesetzt, beispielsweise Zr(OR1)4, Ti(OR1)4, Al(OR1)3, wie Zirkontetrapropylat, Titantetraethylat, Alumimium-sec.-butylat. Wahlweise wird noch ein weiteres Organoalkoxysilan eingesetzt, beispielsweise Si(OR1)3R3, Si(OR1)2R3 2, Si(OR1)R3 3, (mit R1 = Methyl, Ethyl, Propyl, Butyl, sec. Butyl; R3: Methyl, Phenyl, Ethyl, iso-Propyl, Butyl, sec. Butyl), beispielsweise MTEOS: Methyltriethoxysilan, PhTEOS: Phenyltriethoxysilan, DEMDEOS: Dimethyldiethoxysilan, Mercaptosilan, APTES Aminosilane.The sol-gel starting materials used are preferably metal alcoholates, preferably alkoxysilanes, for example TEOS: tetraethoxysilane, aluminum alkoxides, titanium alcoholates, zirconium alcoholates and / or organometalic alcoholates. Preference is given to a tetraalkoxysilane Si (OR 1 ) 4 (with R 1 = methyl, ethyl, propyl, isopropyl, butyl, sec-butyl, phenyl) or an aluminum alcoholate or a titanium alkoxide or a zirconium alcoholate in combination with an alkoxysilane Si (OR 1 ) 3 R 2 (R 2 = glycidoxy, methacryloxy, acrylic, vinyl, allyl, amino, mercapto, isocyanato, epoxy, ...), which has an organically crosslinkable functionality used. Organic linkable alkoxysilanes may be, for example: GPTES: glycidoxypropyltriethoxysilane, MPTES: Methacryloxypropyltriethoxysilane, GPTMS: Glycidyloxypropyltrimethoxysilane, MPTMS: methacryloxypropyltrimethoxysilane, VTES: vinyltriethoxysilane, ATES: allyltriethoxysilane, APTES: aminopropyltriethoxysilane, MPTES: mercaptopropyl, ICPTES: 3-isocyanatopropyltriethoxysilane. Optionally, a further metal alcoholate is used, for example Zr (OR 1 ) 4 , Ti (OR 1 ) 4 , Al (OR 1 ) 3 , such as zirconium tetrapropylate, titanium tetraethylate, alumimium sec-butoxide. Optionally, a further organoalkoxysilane is used, for example Si (OR 1 ) 3 R 3 , Si (OR 1 ) 2 R 3 2 , Si (OR 1 ) R 3 3 , (where R 1 = methyl, ethyl, propyl, butyl, butyl, R 3 : methyl, phenyl, ethyl, iso-propyl, butyl, sec-butyl), for example MTEOS: methyltriethoxysilane, PhTEOS: phenyltriethoxysilane, DEMDEOS: dimethyldiethoxysilane, mercaptosilane, APTES aminosilanes.
Die Herstellung des (Sol-Gel-)Hydrolysats erfolgt durch die gezielte Umsetzung der Monomere mit H2O. Bevorzugt wird dies in Gegenwart einer Säure durchgeführt, beispielsweise HCl, H2SO4, p-Toluolsulfonsäure, Essigsäure. Die wässrige Hydrolyselösung hat bevorzugt einen pH < 4. In einer besonderen Ausführungsform kann die Hydrolyse auch in alkalischer Umgebung durchgeführt werden (z. B. NH3, NaOH). In einer weiteren speziellen Ausführungsform erfolgt die Hydrolyse mit einer wässrigen Nanopartikeldispersion. Der Vernetzungsgrad des Hydrolysates wird über das Verhältnis von H2O zu hydrolysierbaren Monomeren eingestellt. Der Vernetzungsgrad beträgt dabei bevorzugt 5–50%, bevorzugt 11–40%, ganz besonders bevorzugt 15–35%. Der Vernetzungsgrad wird über 29Si-NMR-Spektroskopie bestimmt. Die Viskosität des Hydrolysates liegt bei 5–30 mPas, bevorzugt 9–25 mPas. Der Restlösungsmittelgehalt liegt bei bevorzugt < 10 Gew.-%.The preparation of the (sol-gel) hydrolyzate is carried out by the specific reaction of the monomers with H 2 O. This is preferably carried out in the presence of an acid, for example HCl, H 2 SO 4 , p-toluenesulfonic acid, acetic acid. The aqueous hydrolysis solution preferably has a pH <4. In a particular embodiment, the hydrolysis can also be carried out in an alkaline environment (eg NH 3 , NaOH). In a further specific embodiment, the hydrolysis is carried out with an aqueous nanoparticle dispersion. The degree of crosslinking of the hydrolyzate is adjusted via the ratio of H 2 O to hydrolyzable monomers. The degree of crosslinking is preferably 5-50%, preferably 11-40%, most preferably 15-35%. The degree of crosslinking is determined by 29 Si NMR spectroscopy. The viscosity of the hydrolyzate is 5-30 mPas, preferably 9-25 mPas. The residual solvent content is preferably <10% by weight.
Der Beschichtungslösung können UV-aktivierbare oder thermische Starter für kationische oder radikalische Polymerisation wie Triarylsulphoniumsalze, Diaryliodiniumsalze (z. B. Irgacure 250), Ferroceniumsalze, Benzoinderivate, alpha-Hydroxyalkylphenone (z. B. Irgacure 184), alpha-Aminoacetophenone (z. B. 2-Methyl-1-[4-(methylthio)phenyl]-2-morpholinopropanone), Acylphosphinoxide (z. B. Irgacure 819) oder 1,5-Diazabicyclo[4.3.0]non-5-ene (DBN) zugegeben werden.The coating solution may include UV-activatable or thermal initiators for cationic or free-radical polymerization such as triarylsulphonium salts, diaryliodinium salts (e.g., Irgacure 250), ferrocenium salts, benzoin derivatives, alpha-hydroxyalkylphenones (e.g., Irgacure 184), alpha-aminoacetophenones (e.g. 2-methyl-1- [4- (methylthio) phenyl] -2-morpholinopropanone), acylphosphine oxides (e.g., Irgacure 819) or 1,5-diazabicyclo [4.3.0] non-5-ene (DBN) become.
Zur Verbesserung der Siebdruckfähigkeit, Dispergierbarkeit, Vermeidung von Defekten und Bernardschen Zellen können der Beschichtungslösung Hilfs- und Anpaststoffe, Entschäumer, Entlüfter, Nivellierer, Netz- und Dispergieradditive, Gleit-, Verlauf- und Substratnetzadditive zugegeben werden.To improve screen printability, dispersibility, avoidance of defects and Bernardian cells, auxiliary and anodic substances, defoamers, deaerators, levelers, wetting and dispersing additives, lubricants, leveling agents and substrate wetting additives may be added to the coating solution.
Je nach Beschichtungsverfahren können auch noch verschiedene Verlaufsmittel, Entschäumer, Entlüfter oder Dispergierungsadditive wie beispielsweise PEG, BYK 302, BYK 306, BYK 307, DC11, DC57 oder Airex 931 bzw. Airex 930 zugegeben werden, um homogene Schichtdicken und eine homogene Verteilung der Additive in der Beschichtung zu erreichen.Depending on the coating process, it is also possible to add various leveling agents, defoamers, deaerators or dispersing additives such as, for example, PEG, BYK 302, BYK 306, BYK 307, DC11, DC57 or Airex 931 or Airex 930 in order to achieve homogeneous layer thicknesses and a homogeneous distribution of the additives in to achieve the coating.
Als Lösungsmittel können beispielsweise Methanol, Ethanol, Isopropanol, Ethoxynonafluorbutan oder auch hochsiedende Lösungsmittel mit einem niedrigen Dampfdruck von < 5 bar, bevorzugt < 1 bar, besonders bevorzugt < 0,1 bar eingesetzt werden. Es werden bevorzugt Lösungsmittel zugesetzt, welche einen Siedepunkt von mehr als 120°C und eine Verdunstungszahl von > 10 haben. Vorzugsweise wird ein Lösungsmittel mit einem Siedepunkt über 150°C und einer Verdunstungszahl von > 500, besonders bevorzugt mit einem Siedepunkt über 200°C und einer Verdunstungszahl von > 1000 verwendet. Derartige hoch siedende Lösungsmittel sind insbesondere Glykole und Glykolether, Terpene und Polyole, sowie Mischungen aus mehreren dieser Lösungsmittel. Es können Butylacetat, Methoxybutylacetat, Butyldiglykol, Butyldiglykolacetat, Butylglykol, Butylglykolacetat, Cyclohexanon, Diacetonalkohol, Diethylenglykol, Dipropylenglykolmonomethylether, Dipropylenglykolmonobutylether, Propylenglykolmonobutylether, Propylenglykolmonopropylether, Propylenglykolmonoethylether, Ethoxypropylacetat, Hexanol, Methoxypropylacetat, 1,3-Diethoxy-2-propanol, 1,5-Pentandiol, 1-Methoxy-2-propanol, 2-(2-Butoxyethoxy)ethylacetat (Carpitolacetat), 2-Butoxyethylacetat, 4-Hydroxy-4-methyl-2-pentanon, Acetessigsäureethylester, Butylcarbitolacetat F4789, N,N-Dimethylacetamid, Polyethylenglycol 200, Propylencarbonat, Monoethylenglykol, Ethylpyrrolidon, Methylpyrrolidon, Dipropylenglykoldimethylether, Propylenglykol, Propylenglykolmonomethylether, Gemische aus parafinischen und naphthenischen Kohlenwasserstoffen, aromatische Kohlenwasserstoffgemische, Mischungen aromatischer alkylkierter Hydrocarbone und Gemische von n-, i- und cyclo-Aliphaten als Lösungsmittel verwendet werden. Insbesondere können Polyethylenglykolether, wie beispielsweise Diethylenglykolmonoethylether, Tripropylenglykolmonomethylether und Terpineol als Lösungsmittel verwendet werden. Weiterhin können Mischungen aus zwei oder mehreren dieser Lösungsmittel verwendet werden. Hierbei können die Lösungsmittel sowohl der Matrix-Vorstufe als auch zu den Zusätzen zugegeben werden.For example, methanol, ethanol, isopropanol, ethoxynonafluorobutane or else high-boiling solvents having a low vapor pressure of <5 bar, preferably <1 bar, particularly preferably <0.1 bar, can be used as the solvent. Solvents which have a boiling point of more than 120 ° C. and an evaporation number of> 10 are preferably added. Preferably, a solvent having a boiling point above 150 ° C and an evaporation number of> 500, more preferably having a boiling point above 200 ° C and an evaporation rate of> 1000 is used. Such high-boiling solvents are in particular glycols and glycol ethers, terpenes and polyols, as well as mixtures of several of these solvents. It may be butyl acetate, methoxybutyl acetate, butyl diglycol, butyl diglycol acetate, butyl glycol, butyl glycol acetate, cyclohexanone, diacetone alcohol, diethylene glycol, dipropylene glycol monomethyl ether, dipropylene glycol monobutyl ether, propylene glycol monobutyl ether, propylene glycol monopropyl ether, propylene glycol monoethyl ether, ethoxypropyl acetate, hexanol, methoxypropyl acetate, 1,3-diethoxy-2-propanol, 1,5- Pentanediol, 1-methoxy-2-propanol, 2- (2-butoxyethoxy) ethyl acetate (carbitol acetate), 2-butoxyethyl acetate, 4-hydroxy-4-methyl-2-pentanone, ethyl acetoacetate, butyl carbitol acetate F4789, N, N-dimethylacetamide, polyethylene glycol 200, propylene carbonate, monoethylene glycol, ethylpyrrolidone, methylpyrrolidone, dipropylene glycol dimethyl ether, propylene glycol, propylene glycol monomethyl ether, mixtures of paraffinic and naphthenic hydrocarbons, aromatic hydrocarbon mixtures, mixtures of alkylated aromatic Hydrocarbons and mixtures of n-, i- and cyclo-aliphatic be used as solvent. In particular, polyethylene glycol ethers such as diethylene glycol monoethyl ether, tripropylene glycol monomethyl ether and terpineol may be used as the solvent. Furthermore, mixtures of two or more of these solvents can be used. In this case, the solvents can be added both to the matrix precursor and to the additives.
Die Matrix kann zusätzlich Nanopartikel aus oxidischen Materialien wie TiO2 (Anatas und/oder Rutil), ZrO2 (amorpher monokline und/oder tetragonale Phase), Ca oder Y2O3 dotiertes ZrO2, MgO dotiertes ZrO2, CeO2, Gd2O3 dotiertes CeO2, Y dotiertes ZrO2, SiO2, B2O3, Al2O3 (alpha-, gamma- oder amorphe Form), SnO2, ZnO, Bi2O3, Li2O, K2O, SrO, NaO, CaO, BaO, La2O3 und/oder HfO2, Böhmit, Andalusit, Mullit und deren Mischoxide enthalten. Bevorzugt kann die Matrix SiO2-haltige Nanopartikel enthalten.The matrix may additionally contain nanoparticles of oxidic materials such as TiO 2 (anatase and / or rutile), ZrO 2 (amorphous monoclinic and / or tetragonal phase), Ca or Y 2 O 3 doped ZrO 2 , MgO doped ZrO 2 , CeO 2 , Gd 2 O 3 doped CeO 2 , Y doped ZrO 2 , SiO 2 , B 2 O 3 , Al 2 O 3 (alpha, gamma or amorphous form), SnO 2 , ZnO, Bi 2 O 3 , Li 2 O, K 2 O, SrO, NaO, CaO, BaO, La 2 O 3 and / or HfO 2 , boehmite, andalusite, mullite and their mixed oxides. The matrix may preferably contain SiO 2 -containing nanoparticles.
Es können der Matrix auch nicht-nanoskalige Füllstoffe hinzugesetzt werden, dies können insbesondere sein: SiOx-Partikel, Alumina-Partikel, pyrogene Kieselsäuren, Kalk-Natron-, Alkali-Alumosilicat- oder Borosilicatglaskugeln, Glashohlkugeln.Non-nanoscale fillers may also be added to the matrix; these may be, in particular: SiO x particles, alumina particles, pyrogenic silicas, soda-lime, alkali aluminosilicate or borosilicate glass spheres, glass hollow spheres.
Das Matrixmaterial kann auf Glasfritten bzw. Glasflüssen basieren. Die Glasfritte ist ein feinkörniges Glas, welches durch Schmelzen eines Rohstoffgemenges und anschließender Mahlung (beispielsweise Korngrößen ≤ 20 μm) erhalten wurde.The matrix material can be based on glass frits or glass flows. The glass frit is a fine-grained glass, which was obtained by melting a mixture of raw materials and subsequent grinding (for example, grain sizes ≤ 20 microns).
Die erhaltene Glasfritte wird gegebenenfalls mit Zusatzstoffen vermischt. Der Glasfritte können Pigmente, Pigmentmischungen, Füllstoffe und strukturgebende Partikel zugesetzt werden. Als Pigmente werden vorzugsweise Metalloxide verwendet, die insbesondere schwarze, graue, weiße, blaue, grüne, gelbe, orange, rote, pinkfarbene als auch braune Farben erzeugen können. Dies können insbesondere sein: Cobalt-Oxide/-Spinelle, Cobalt-Aluminium-Spinelle, Co-Al-Zn-Oxide, Co-Al-Si-Oxide, Cobalt-Titan-Spinelle, Cobalt-Chrom-Spinelle, Cobalt-Al-Cr-Oxide, Cobalt-Nickel-Mangan-Eisen-Chrom-Oxide/-Spinelle, Cobalt-Nickel-Zink-Titan-Aluminium-Oxide/-Spinelle, Eisen-Oxide, Eisen-Chrom-Oxide, Eisen-Chrom-Zinn-Titan-Oxid, Kupfer-Chrom-Spinelle, Nickel-Chrom-Antimon-Titan-Oxide, Titan-Oxide, Zirkon-Silizium-Eisen-Oxide/-Spinelle etc. Als Pigmente kommen auch alle denkbaren Absorptionspigmente in Betracht, insbesondere plättchen- oder stäbchenförmige Pigmente. Auch ist es möglich, beschichtete Effektpigmente einzusetzen.The resulting glass frit is optionally mixed with additives. The glass frit can be added to pigments, pigment mixtures, fillers and structuring particles. The pigments used are preferably metal oxides, which in particular can produce black, gray, white, blue, green, yellow, orange, red, pink and brown colors. These may be, in particular: cobalt oxides / spinels, cobalt-aluminum spinels, Co-Al-Zn oxides, Co-Al-Si oxides, cobalt-titanium spinels, cobalt-chromium spinels, cobalt-aluminum spinels. Cr oxides, cobalt nickel manganese iron chromium oxides / spinels, cobalt nickel zinc titanium aluminum oxides / spinels, iron oxides, iron chromium oxides, iron chromium tin Titanium oxide, copper-chromium spinels, nickel-chromium-antimony-titanium oxides, titanium oxides, zirconium-silicon-iron oxides / spinel, etc. Suitable pigments are also all conceivable absorption pigments, in particular platelet or rod-shaped pigments. It is also possible to use coated effect pigments.
Das so erhaltene Pulver wird dann beispielsweise mit einem auf das Applizierverfahren angepassten Dispergiermittel versetzt und mittels eines geeigneten Verfahrens auf das Substrat aufgebracht. Um eine optimale Verarbeitbarkeit zu gewährleiten, können je nach Beschichtungsmethode verschiedene Hilfsmittel, Dispergiermittel, Additive, Lösungsmittel, Thixotropierungsmittel etc. zugegeben werden. Anschließend erfolgt der Einbrennprozess, wobei die Glasfritte erweicht und die Zusatzstoffe eingebettet und auf dem Trägersubstrat fixiert werden.The powder thus obtained is then admixed, for example, with a dispersant adapted to the application process and applied to the substrate by means of a suitable process. In order to ensure optimal processability, depending on the coating method, various auxiliaries, dispersants, additives, solvents, thixotropic agents, etc. may be added. Subsequently, the baking process takes place, wherein the glass frit softens and the additives are embedded and fixed on the carrier substrate.
Als Glasfritte werden vorzugsweise folgende Glasarten verwendet, z. B. alkalifreie und alkalihaltige Gläser, Silikatgläser, Borosilikatgläser, Zink-Borat-Gläser, Zink-Phosphat-Gläser, Wismut-Borat-Gläser, Phosphatgläser, Lithium-Aluminium-Silikatgläser, Alumosilikatgläser.As a glass frit, the following types of glass are preferably used, for. B. alkali-free and alkaline glasses, silicate glasses, borosilicate glasses, zinc borate glasses, zinc phosphate glasses, bismuth borate glasses, phosphate glasses, lithium aluminum silicate glasses, aluminosilicate glasses.
In der nachfolgenden Tabelle 1 sind besonders bevorzugte Zusammensetzungen von Glasfritten angegeben, welche als Matrixmaterialien für die Herstellung einer erfindungsgemäßen thermochromen Beschichtung bevorzugt auf einem Glaskeramiksubstrat eingesetzt werden können. Tabelle 1: Zusammensetzungen von Glasfritten in Gew.-% als Matrixmaterialien für den Einsatz auf einem Glaskeramiksubstrat
Insbesondere zum Einsatz auf Glassubstraten werden die in der nachfolgenden Tabelle 2 aufgeführten Zusammensetzungen bevorzugt. Tabelle 2: Zusammensetzung von Glasfritten in Gew.-% als Matrixmaterialien für den Einsatz auf einem Glassubstrat
HERSTELLUNG DER BESCHICHTUNGPREPARATION OF COATING
Als (Beschichtungs-)Verfahren zum Auftragen des Matrixmaterials mit den darin verteilten thermochromen Pigmenten werden bevorzugt Druckverfahren, insbesondere Siebdruck, Rakeln, Off-Set-Druck, Inkjet oder Tampondruck, sowie Sprühverfahren, Roll-Coating und Spin-Coating eingesetzt. Es kann daher erfindungsgemäß ein kostengünstiges Verfahren zum Einsatz kommen, mit dem die thermochrome Beschichtung aufgebracht wird.As (coating) method for applying the matrix material with the thermochromic pigments dispersed therein, printing methods, in particular screen printing, doctoring, off-set printing, inkjet or pad printing, as well as spraying, roll coating and spin coating are preferably used. It can therefore be used according to the invention, a cost-effective method, with which the thermochromic coating is applied.
Bevorzugt wird die thermochrome Beschichtung gehärtet. Die Härtung der thermochromen Beschichtung kann durch UV-Bestrahlung oder thermisch erfolgen. Eine thermische Aushärtung erfolgt bevorzugt im Temperaturbereich von 150–500°C für 10 min bis 3 h. Preferably, the thermochromic coating is cured. The curing of the thermochromic coating can be carried out by UV irradiation or thermally. A thermal curing is preferably carried out in the temperature range of 150-500 ° C for 10 min to 3 h.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird zur Herstellung einer erfindungsgemäßen thermochromen Beschichtung auf einem Substrat eine Beschichtungslösung in Form einer Siebdruckfarbe eingesetzt, die aus einem matrixbildenden Material und thermochromen Pigmenten der Formeln (1), (2), (3), (4), (5) und/oder (6), ggf. weiteren thermochromen oder thermostabilen Pigmenten und weiteren Zusatzstoffen besteht, wobei die Zusatzstoffe bevorzugt ausgewählt sind aus Dispergiermitteln, Oberflächenreaktanten (Surfactants), Lösungsmitteln, Verdickern, Verlaufshilfsmitteln, Entlüftern, Entschäumern, Vernetzern, Härtern, Startern, Korrosionsinhibitoren, Haftvermittlern und dergleichen.According to a preferred embodiment of the invention, a coating solution in the form of a screen printing ink is used for producing a thermochromic coating according to the invention on a substrate, consisting of a matrix-forming material and thermochromic pigments of the formulas (1), (2), (3), (4), (5) and / or (6), optionally further thermochromic or thermostable pigments and further additives, wherein the additives are preferably selected from dispersants, surface reactants (surfactants), solvents, thickeners, flow control agents, deaerators, defoamers, crosslinkers, hardeners, Starters, corrosion inhibitors, adhesion promoters and the like.
Die thermochrome Beschichtung weist bevorzugt eine Dicke von 10 nm bis 500 μm, bevorzugt 20 nm bis 100 μm, besonders bevorzugt von 50 nm bis 10 μm auf.The thermochromic coating preferably has a thickness of 10 nm to 500 .mu.m, preferably 20 nm to 100 .mu.m, more preferably from 50 nm to 10 .mu.m.
Die thermochrome Beschichtung kann teil- oder vollflächig aufgebracht werden. Die thermochrome Beschichtung kann auch in einem oder mehreren Teilbereichen oder auch vollflächig auf dem Substrat strukturiert (bspw. mit Strukturen im nm-, μm-, mm- oder cm-Bereich versehen) sein. Beispielsweise können die Kochzonen eines Kochfeldes durch kreisförmige Strukturen hervorgehoben werden.The thermochromic coating can be applied partially or completely. The thermochromic coating may also be structured (for example, provided with structures in the nm, μm, mm or cm range) in one or more partial areas or even over the entire surface. For example, the cooking zones of a hob can be highlighted by circular structures.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Substrat zusätzlich mit einer oder mehreren zusätzlichen Beschichtungen versehen, die dekorativen und/oder funktionalen Zwecken dienen, und pigmentiert sein können oder nicht. Diese Beschichtungen können sich dabei auf der gleichen Seite des Substrats wie die thermochrome Beschichtung oder auf der gegenüberliegenden Seite des Substrats befinden. Die weiteren Beschichtungen können dabei sowohl teilflächig oder vollflächig aufgebracht sein und können auch strukturiert sein. Diese Beschichtungen können nebeneinander und/oder auch übereinander aufgetragen sein.In a preferred embodiment, the substrate is additionally provided with one or more additional coatings which serve decorative and / or functional purposes, and may or may not be pigmented. These coatings may be located on the same side of the substrate as the thermochromic coating or on the opposite side of the substrate. The further coatings may be applied over part of the area or over the entire surface and may also be structured. These coatings can be applied next to one another and / or also above one another.
SUBSTRATSubstrate
Als Substrat für die erfindungsgemäße thermochrome Beschichtung kommen Gläser bevorzugt sog. Spezialgläser, und/oder Glaskeramiken zum Einsatz. Das Substrat ist vorzugsweise transparent und kann auch farbig sein, wobei hiermit jede Art von Färbung gemeint ist. In bestimmten Ausführungsformen kann das Substrat transluzent oder opak sein.As the substrate for the thermochromic coating according to the invention, glasses are preferably so-called special glasses, and / or glass ceramics are used. The substrate is preferably transparent and may also be colored, by which is meant any kind of dyeing. In certain embodiments, the substrate may be translucent or opaque.
Die Form und Größe des Substrats sind zunächst nicht beschränkt: bevorzugt sind platten- oder scheibenförmige Substrate oder auch zum Kochen und/oder Backen geeignete Formen. Das Substrat kann ein Teil eines Geräts oder Gegenstands sein oder den Gegenstand bilden.The shape and size of the substrate are initially not limited: preferred are plate-shaped or disc-shaped substrates or also forms suitable for cooking and / or baking. The substrate may be part of a device or article or form the article.
Bevorzugte Glaskeramiken sind insbesondere transparent eingefärbte Lithiumalumosilikat(LAS)-Glaskeramiken, transparente LAS-Glaskeramiken oder Magnesiumalumosilikat-Glaskeramiken oder Lithiumdisilikat-Glaskeramiken. Bevorzugte Gläser sind Silikatgläser, beispielsweise Borosilikatgläser, Zink-Borosilikatgläser, Boroalumosilikatgläser, Alumosilikatgläser, alkalifreie Gläser, Kalk-Natron-Gläser, oder Laminate, zusammengesetzt aus mehreren der oben angegeben Materialien.Preferred glass ceramics are, in particular, transparent-colored lithium aluminosilicate (LAS) glass ceramics, transparent LAS glass ceramics or magnesium aluminosilicate glass ceramics or lithium disilicate glass ceramics. Preferred glasses are silicate glasses, for example borosilicate glasses, zinc borosilicate glasses, boroaluminosilicate glasses, aluminosilicate glasses, alkali-free glasses, soda-lime glasses, or laminates composed of several of the materials indicated above.
Bevorzugt wird als Substrat ein thermoschockbeständiges Glas oder eine Glaskeramik, bevorzugt mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten kleiner 5,0 10–6/K, bevorzugt kleiner 4,0 10–6/K, besonders bevorzugt kleiner 3,4 10–6/K verwendet. Bevorzugt wird ein Borosilikatglas oder eine Lithiumaluminiumsilikatglaskeramik mit Hochquarzmischkristallphase bzw. Keatit eingesetzt. Der Kristallphasengehalt liegt dabei bevorzugt zwischen 60–85%.Is preferred as the substrate, a thermal shock resistant glass or a glass ceramic, preferably with a thermal expansion coefficient of less than 5.0 10 -6 / K, preferably less than 4.0 10 -6 / K, particularly preferably less than 3.4 10 -6 / K. A borosilicate glass or a lithium aluminum silicate glass ceramic with high quartz mixed crystal phase or keatite is preferably used. The crystal phase content is preferably between 60-85%.
In einer besonderen Ausführungsform wird ein vorgespanntes Substrat verwendet, insbesondere bevorzugt sind hierfür Boroalumosilikatgläser (bspw. SCHOTT XensationTM, Corning GorillaTM I-III, Asahi DragontrailTM). Die Vorspannung kann dabei chemisch oder thermisch erhalten werden.In a particular embodiment, a preloaded substrate is used, particularly preferred are boroalumosilicate glasses (eg SCHOTT Xensation ™ , Corning Gorilla ™ I-III, Asahi Dragontrail ™ ). The bias voltage can be obtained chemically or thermally.
Das Substrat kann dabei starr oder flexibel, gebogen oder verformt sein. Das Substrat kann Oberflächenstrukturen wie beispielsweise Erhöhungen und/oder Vertiefungen aufweisen.The substrate may be rigid or flexible, bent or deformed. The substrate may have surface structures such as elevations and / or depressions.
Bevorzugte Dicken des Substrats liegen im Bereich von 10 μm bis 6 cm, besonders bevorzugt 30 μm bis 2 cm, ganz besonders bevorzugt 50 μm bis 6 mm, insbesondere bevorzugt 1 mm bis 6 mm.Preferred thicknesses of the substrate are in the range of 10 .mu.m to 6 cm, more preferably 30 .mu.m to 2 cm, most preferably 50 .mu.m to 6 mm, particularly preferably 1 mm to 6 mm.
Es können beidseitig glatte oder auch einseitig genoppte Substrate verwendet werden. It can be used both sides smooth or one-sided knopped substrates.
Bei transparenten Substraten wird die Substrattransmission bei 4 mm Substratdicke und Wellenlängen größer 450 nm im sichtbaren Bereich bevorzugt größer 80%, bevorzugter größer 90%, ausgewählt. Die erfindungsgemäße thermochrome Beschichtung kann auf der Oberseite und/oder der Unterseite eines transparenten Substrats aufgebracht sein.For transparent substrates, the substrate transmission is selected at 4 mm substrate thickness and wavelengths greater than 450 nm in the visible range, preferably greater than 80%, more preferably greater than 90%. The thermochromic coating according to the invention can be applied to the top side and / or the underside of a transparent substrate.
Bei Substraten, beispielsweise bestehend aus transparent eingefärbter Glaskeramik, wird die Lichttransmission des Substrats im Sichtbaren (Lichttransmission gemäß
VERWENDUNGUSE
Die Erfindung bezieht sich auch auf die Verwendung der thermochromen Beschichtung, umfassend mindestens eine Schicht, enthaltend oder bestehend aus den thermochromen Pigmenten der allgemeinen Formeln (1), (2), (3), (4), (5) und/oder (6) auf einem Glas- oder Glaskeramiksubstrat als Temperaturindikator, bevorzugt auf Oberflächen von (Haushalts-)Geräten oder Gegenständen, die erhitzt oder heiß werden können, insbesondere Herdplatten von Küchenherden, Kochfeldern, der Innen- oder Außenseite von Backofenscheiben, Ofenfenstern oder Kaminsichtscheiben, Kochgeschirr, Backformen, (keramischen) Backblechen, und/oder heizbare Platten von Bügeleisen, Lockenstäben, Glätteisen und dergleichen.The invention also relates to the use of the thermochromic coating comprising at least one layer comprising or consisting of the thermochromic pigments of the general formulas (1), (2), (3), (4), (5) and / or ( 6) on a glass or glass-ceramic substrate as a temperature indicator, preferably on surfaces of (household) appliances or items that can be heated or heated, in particular stoves of cookers, hobs, the inside or outside of oven panes, oven windows or fireplace viewing panes, cookware , Baking molds, (ceramic) baking trays, and / or heatable plates of irons, curling irons, straighteners and the like.
Die auf dem Substrat vorliegende thermochrome Beschichtung dient dabei als Temperaturindikator entweder für beheizte Oberflächen, z. B. einer Kochfläche, oder für heiß-werdende Oberflächen, z. B. einer Kaminabdeckung. Je nach Anwendungsfall kann das Substrat auf der Ober- oder Außenseite und/oder der Unter- oder Innenseite mit einer thermochromen Beschichtung versehen werden. Eine transparent eingefärbte Glaskeramik wird bevorzugt auf der Oberseite mit einer thermochromen Beschichtung versehen.The present on the substrate thermochromic coating serves as a temperature indicator for either heated surfaces, eg. As a cooking surface, or for hot-expectant surfaces, eg. B. a fireplace cover. Depending on the application, the substrate can be provided on the top or outside and / or the bottom or inside with a thermochromic coating. A transparent colored glass ceramic is preferably provided on the upper side with a thermochromic coating.
Die Vorteile der vorliegenden Erfindung sind außerordentlich vielschichtig:
Erfindungsgemäß werden thermochrome Pigmente der allgemeinen Formeln (1) bis (6) zur Verfügung gestellt, die als reversible Temperaturindikatoren dienen können. Die thermochromen Pigmente der vorliegenden Erfindung zeigen eine deutlich wahrnehmbare Farbänderung bei Erhöhung der Temperatur von 60°C bis 200°C und sind für die Anwendung auf beheizten oder heißen Flächen in (Haushalts-)Geräten oder Gegenständen aller Art geeignet.The advantages of the present invention are extremely complex:
According to the invention, thermochromic pigments of the general formulas (1) to (6) are provided which can serve as reversible temperature indicators. The thermochromic pigments of the present invention exhibit a noticeable color change upon increasing the temperature from 60 ° C to 200 ° C and are suitable for use on heated or hot surfaces in (household) appliances or objects of all kinds.
Thermochrome Beschichtungen, umfassend die thermochromen Pigmente, ggf. zusammen mit einer temperaturstabilen Matrix, können direkt auf ein Substrat, beispielsweise aus Glas- und/oder Glaskeramik aufgebracht werden. Die Matrix ist beispielsweise ausgewählt aus einem temperaturstabilen, bevorzugt transparenten Material, insbesondere einem oder mehreren Polymeren, Sol-Gel-Materialien oder Glasfritten.Thermochromic coatings comprising the thermochromic pigments, optionally together with a temperature-stable matrix, can be applied directly to a substrate, for example of glass and / or glass ceramic. The matrix is for example selected from a temperature-stable, preferably transparent material, in particular one or more polymers, sol-gel materials or glass frits.
Die thermochrome Beschichtung besitzt eine hohe thermische, mechanische und chemische Beständigkeit, die sich insbesondere in einer hohen Haltbarkeit widerspiegelt. Die Eigenschaften der thermochromen Pigmente und damit auch der thermochromen Beschichtung können zum Teil noch verbessert werden, wenn die thermochromen Pigmente mit einer anorganischen oder organischen Hülle umgeben sind, d. h. verkapselt werden.The thermochromic coating has a high thermal, mechanical and chemical resistance, which is reflected in particular in a high durability. The properties of the thermochromic pigments and thus also of the thermochromic coating can be partially improved if the thermochromic pigments are surrounded by an inorganic or organic shell, i. H. be encapsulated.
Neben den thermochromen Pigmenten kann ein weiteres thermostabiles Pigment in der Matrix vorliegen, um eine Mischfarbe zu erhalten und/oder den thermochromen Effekt durch Kontrasterhöhung zu verstärken.In addition to the thermochromic pigments, another thermostable pigment may be present in the matrix to obtain a mixed color and / or enhance the thermochromic effect by increasing the contrast.
Im Gegensatz zu organischen Materialien, die keine ausreichende Temperaturbeständigkeit bei Anwendungen im Heißbereich, bspw. eines Kochfeldes, aufweisen, zeigen die erfindungsgemäßen anorganischen thermochromen Materialien eine deutlich erhöhte Temperaturbeständigkeit.In contrast to organic materials which do not have sufficient temperature resistance in applications in the hot region, for example a cooktop, the inorganic thermochromic materials according to the invention exhibit a significantly increased temperature resistance.
Auch bekannte anorganische Komplexe können die Eigenschaften der erfindungsgemäßen thermochromen Pigmente nicht erreichen. So weisen diese oftmals organische Liganden auf, wodurch ein wesentlich größerer Abstand zwischen Kation und Liganden als in kristallinen Festkörpern vorliegt. Dies führt zu einer deutlich verminderten Bindungsstärke zwischen Kation und Ligand, wodurch die Stabilität und damit wiederum die Temperaturbeständigkeit anorganischer Komplexe für Anwendungen bei erhöhten Temperaturen nicht ausreicht. Stabilere anorganische Komplexe können beispielsweise mit Ruthenium oder Iridium als Metallkation synthetisiert werden. Jedoch sind sowohl diese Metalle selbst als auch die Herstellung von Komplexen mit diesen Kationen extrem teuer. Im Gegensatz dazu weisen die erfindungsgemäßen thermochromen Pigmente die erforderliche Temperaturstabilität auf. Weiterhin bestehen sie aus deutlich preiswerteren Grundmaterialien und können über kostengünstige Verfahren hergestellt werden.Also known inorganic complexes can not achieve the properties of the thermochromic pigments of the invention. Thus, they often have organic ligands, which results in a much larger distance between cation and ligand than in crystalline solids. This leads to a significantly reduced bond strength between cation and ligand, whereby the stability and, in turn, the temperature resistance of inorganic complexes for applications at elevated temperatures is insufficient. More stable inorganic complexes can be used, for example, with ruthenium or iridium Metal cation can be synthesized. However, both these metals themselves and the preparation of complexes with these cations are extremely expensive. In contrast, the thermochromic pigments according to the invention have the required temperature stability. Furthermore, they consist of significantly cheaper basic materials and can be produced by inexpensive methods.
Die erfindungsgemäße thermochrome Beschichtung kann durch die direkte Aufbringung auf eine beheizbare oder heiß-werdende Oberfläche die Temperaturänderung autark anzeigen, d. h. ohne dass zusätzliche Elektronik (z. B. LEDs) oder Sensorik (z. B. Temperatursensoren) verbaut werden müssen.The thermochromic coating of the invention can indicate the change in temperature autonomously by direct application to a heatable or hot-going surface, d. H. without having to install additional electronics (eg LEDs) or sensors (eg temperature sensors).
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen weiter veranschaulicht, welche die vorliegende Erfindung nicht beschränken sollen.The invention will be further illustrated by means of drawings which are not intended to limit the present invention.
Die
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben, welche die vorliegende Erfindung nicht beschränken sollen.The present invention will be described below with reference to embodiments which are not intended to limit the present invention.
AUSFÜHRUNGSBEISPIELEEMBODIMENTS
AUSFÜHRUNGSBEISPIEL 1
Für die Synthese von Na4(Ge0,99Mn0,01)9O20 wurden 2,1198 g (20 mmol) Na2CO3, 9,3233 g (89,100 mmol) GeO2 und 0,1611 g (0,900 mmol) MnC2O4·2H2O unter Zugabe von Aceton verrieben. Das Pulver wurde getrocknet und 2 Stunden bei 600°C kalziniert. Das erhaltene Pulver wurde mit 5 Gew.-% NaF versetzt, erneut gemörsert und für 4 Stunden bei 800°C erhitzt. Das Pigment zeigt eine Farbänderung von Orange zu einem bläulichen Rot bei Temperaturerhöhung. Die Farbänderung ist ab einer Temperatur von 75°C deutlich wahrnehmbar.For the synthesis of Na 4 (Ge 0.99 Mn 0.01 ) 9 O 20 , 2.1198 g (20 mmol) of Na 2 CO 3 , 9.3233 g (89.100 mmol) of GeO 2 and 0.1611 g (0.900 mmol) MnC 2 O 4 • 2H 2 O triturated with addition of acetone. The powder was dried and calcined at 600 ° C for 2 hours. The resulting powder was mixed with 5 wt% NaF, resorbed and heated at 800 ° C for 4 hours. The pigment shows a color change from orange to a bluish red with temperature increase. The color change is clearly noticeable from a temperature of 75 ° C.
AUSFÜHRUNGSBEISPIEL 2EMBODIMENT 2
Für die Synthese von (Sr0,95Eu0,05)2MgMoO6 wurden 2,8049 g (19,000 mmol) SrCO3, 1,4835 g (10,000 mmol) MgC2O4·2H2O, 1,4394 g (10,000 mmol) MoO3 und 0,1760 g (0,500 mmol) Eu2O3 unter Zugabe von Aceton verrieben. Das Pulver wurde getrocknet und für 8 Stunden bei 1300°C an Luft erhitzt. Das Pigment zeigt eine Farbänderung von Blau nach Grün bei Temperaturerhöhung. Die Farbänderung ist ab einer Temperatur von 100°C deutlich wahrnehmbar.For the synthesis of (Sr 0.95 Eu 0.05 ) 2 MgMoO 6 , 2.8049 g (19.000 mmol) SrCO 3 , 1.4835 g (10.000 mmol) MgC 2 O 4 · 2H 2 O, 1.4394 g (10,000 mmol) MoO 3 and 0.1760 g (0.500 mmol) Eu 2 O 3 were triturated with the addition of acetone. The powder was dried and heated in air at 1300 ° C for 8 hours. The pigment shows a color change from blue to green with temperature increase. The color change is clearly noticeable from a temperature of 100 ° C.
AUSFÜHRUNGSBEISPIEL 3
Für die Synthese von (Bi0,96Nd0,04)VO4 wurden 6,70981 g (14,4 mmol) Bi2O3, 0,20189 g (0,6 mmol) Nd2O3 und 2,7282 g (15 mmol) V2O5 unter Zugabe von Aceton verrieben. Das Pulver wurde getrocknet und für 24 Stunden bei 500°C an Luft erhitzt. Das Pigment zeigt eine Farbänderung von Orange nach Rot bei Temperaturerhöhung. Die Farbänderung ist ab einer Temperatur von 75°C deutlich wahrnehmbar.For the synthesis of (Bi 0.96 Nd 0.04 ) VO 4 , 6.70981 g (14.4 mmol) of Bi 2 O 3 , 0.20189 g (0.6 mmol) of Nd 2 O 3 and 2.7282 were obtained g (15 mmol) V 2 O 5 triturated with the addition of acetone. The powder was dried and heated in air at 500 ° C for 24 hours. The pigment shows a color change from orange to red with temperature increase. The color change is clearly noticeable from a temperature of 75 ° C.
AUSFÜHRUNGSBEISPIEL 4 EMBODIMENT 4
Für die Synthese von (Bi0,96Er0,04)(V0,9Mo0,1)O4 wurden 6,70981 g (14,4 mmol) Bi2O3, 0,222951 g (0,6 mmol) Er2O3, 2,45538 g (13,5 mmol) V2O5 und 0,43181 g (3 mmol) MoO3 unter Zugabe von Aceton verrieben. Das Pulver wurde getrocknet und für 24 Stunden bei 500°C an Luft erhitzt. Das Pigment zeigt eine Farbänderung von Orange nach Rot bei Temperaturerhöhung. Die Farbänderung ist ab einer Temperatur von 75°C deutlich wahrnehmbar.For the synthesis of (Bi 0.96 Er 0.04 ) (V 0.9 Mo 0.1 ) O 4 , 6.70981 g (14.4 mmol) Bi 2 O 3 , 0.222951 g (0.6 mmol) of Er 2 O 3 , 2.45538 g (13.5 mmol) of V 2 O 5 and 0.43181 g (3 mmol) of MoO 3 with the addition of acetone. The powder was dried and heated in air at 500 ° C for 24 hours. The pigment shows a color change from orange to red with temperature increase. The color change is clearly noticeable from a temperature of 75 ° C.
AUSFÜHRUNGSBEISPIEL 5EMBODIMENT 5
Für die Synthese von (Bi0,95Er0,05)VO4 wurden 6,63992 g (14,25 mmol) Bi2O3, 0,28689 g (0,75 mmol) Er2O3 und 2,7282 g (15 mmol) V2O5 unter Zugabe von Aceton verrieben. Das Pulver wurde getrocknet, für 8 Stunden bei 600°C an Luft erhitzt, erneut im Mörser verrieben und für 8 Stunden bei 650°C an Luft erhitzt. Das Pigment zeigt eine Farbänderung von Orange zu einem bläulichen Rot bei Temperaturerhöhung. Die Farbänderung ist ab einer Temperatur von 75°C deutlich wahrnehmbar.For the synthesis of (Bi 0.95 Er 0.05 ) VO 4 , 6.63992 g (14.25 mmol) Bi 2 O 3 , 0.28689 g (0.75 mmol) Er 2 O 3 and 2.7282 were obtained g (15 mmol) V 2 O 5 triturated with the addition of acetone. The powder was dried, heated for 8 hours at 600 ° C in air, triturated again in a mortar and heated for 8 hours at 650 ° C in air. The pigment shows a color change from orange to a bluish red with temperature increase. The color change is clearly noticeable from a temperature of 75 ° C.
AUSFÜHRUNGSBEISPIEL 6EMBODIMENT 6
Für die Synthese von (Bi0,975Er0,025)VO4 wurden 6,81465 g (14,625 mmol) Bi2O3, 0,14344 g (0,375 mmol) Er2O3 und 2,7282 g (15 mmol) V2O5 unter Zugabe von Aceton verrieben. Das Pulver wurde getrocknet und für 24 Stunden bei 500°C an Luft erhitzt. Das Pigment zeigt eine Farbänderung von Orange zu einem bläulichen Rot bei Temperaturerhöhung. Die Farbänderung ist ab einer Temperatur von 75°C deutlich wahrnehmbar.For the synthesis of (Bi 0.975 Er 0.025 ) VO 4 , 6.81465 g (14.625 mmol) of Bi 2 O 3 , 0.144344 g (0.375 mmol) of Er 2 O 3 and 2.7282 g (15 mmol) of V 2 O were added 5 triturated with the addition of acetone. The powder was dried and heated in air at 500 ° C for 24 hours. The pigment shows a color change from orange to a bluish red with temperature increase. The color change is clearly noticeable from a temperature of 75 ° C.
AUSFÜHRUNGSBEISPIEL 7EMBODIMENT 7
Für die Synthese von (Bi0,995Ce0,005)(V0,9P0,1)O4 wurden 6,9544 g (14,925 mmol) Bi2O3, 0,02582 g (0,15 mmol) CeO2, 2,45538 g (13,5 mmol) V2O5 und 0,34508 g (3 mmol) NH4H2PO4 unter Zugabe von Aceton verrieben. Das Pulver wurde getrocknet, für 24 Stunden bei 550°C an Luft erhitzt, erneut im Mörser verrieben und für 12 Stunden bei 600°C an Luft erhitzt. Das Pigment zeigt eine Farbänderung von Orange nach Rot bei Temperaturerhöhung. Die Farbänderung ist ab einer Temperatur von 75°C deutlich wahrnehmbar.For the synthesis of (Bi 0.995 Ce 0.005 ) (V 0.9 P 0.1 ) O 4 , 6.9544 g (14.925 mmol) Bi 2 O 3 , 0.02582 g (0.15 mmol) CeO 2 , 2 , 45538 g (13.5 mmol) of V 2 O 5 and 0.34508 g (3 mmol) of NH 4 H 2 PO 4 are triturated with the addition of acetone. The powder was dried, heated in air at 550 ° C for 24 hours, triturated in a mortar and heated in air at 600 ° C for 12 hours. The pigment shows a color change from orange to red with temperature increase. The color change is clearly noticeable from a temperature of 75 ° C.
AUSFÜHRUNGSBEISPIEL 8EMBODIMENT 8
Für die Synthese von (Bi0,96Ce0,04)(V0,9P0,1)O4 wurden 6,70981 g (14,4 mmol) Bi2O3, 0,222951 g (0,6 mmol) Er2O3, 2,45538 g (13,5 mmol) V2O5 und 0,34508 g (3 mmol) NH4H2PO4 unter Zugabe von Aceton verrieben. Das Pulver wurde getrocknet, für 24 Stunden bei 550°C an Luft erhitzt, erneut im Mörser verrieben und für 12 Stunden bei 600°C an Luft erhitzt. Das Pigment zeigt eine Farbänderung von Orange nach Rot bei Temperaturerhöhung. Die Farbänderung ist ab einer Temperatur von 75°C deutlich wahrnehmbar.For the synthesis of (Bi 0.96 Ce 0.04 ) (V 0.9 P 0.1 ) O 4 , 6.70981 g (14.4 mmol) of Bi 2 O 3 , 0.222951 g (0.6 mmol) of Er 2 O 3 , 2.45538 g (13.5 mmol) of V 2 O 5 and 0.34508 g (3 mmol) of NH 4 H 2 PO 4 are triturated with the addition of acetone. The powder was dried, heated in air at 550 ° C for 24 hours, triturated in a mortar and heated in air at 600 ° C for 12 hours. The pigment shows a color change from orange to red with temperature increase. The color change is clearly noticeable from a temperature of 75 ° C.
AUSFÜHRUNGSBEISPIEL 9
Zur Herstellung einer thermochromen Beschichtung auf Basis von Pigmenten gemäß Ausführungsbeispiel 4 wurden 9 g Binder auf Basis von Glycidoxypropyltriethoxysilan und Tetraethoxysilan im Verhältnis von 4:1,18,43 g SiO2-Nanopartikel und 8,25 g Diethyleneglycolmonoethylether mit 14,46 g thermochromem Pigment vermengt. Nach Zugabe eines UV-Starters wurden mit einem 140er Sieb thermochrome Schichten gedruckt und für 1 h bei 400°C getrocknet. Die thermochromen Schichten zeigten einen reversiblen Farbumschlag von Gelb nach Orange, der bei einer Temperaturänderung von 50 K deutlich wahrnehmbar ist.To prepare a thermochromic coating based on pigments according to embodiment 4, 9 g of binder based on glycidoxypropyltriethoxysilane and tetraethoxysilane in a ratio of 4: 1.18.43 g of SiO 2 nanoparticles and 8.25 g of diethylene glycol monoethyl ether with 14.46 g of thermochromic pigment mixed. After addition of a UV initiator thermochromic layers were printed with a 140 sieve and dried for 1 h at 400 ° C. The thermochromic layers showed a reversible color change from yellow to orange, which is clearly perceptible at a temperature change of 50 K.
AUSFÜHRUNGSBEISPIEL 10EMBODIMENT 10
Es wurden die Farbtonunterschiede für die erfindungsgemäßen Pigmente gemäß der Ausführungsbeispielen 1 bis 9 im Vergleich zu einem Pigment aus dem Stand der Technik berechnet. ΔE*uv-Werte von 4 oder größer sind visuell wahrnehmbar. Die besonders guten Farbänderungseffekte, die für die erfindungsgemäßen Pigmente im Vergleich zu einem Pigment aus dem Stand der Technik erreicht werden, sind in der nachfolgenden Tabelle 3 zusammengefasst: Tabelle 3: Quantifizierung der Farbtonunterschied ΔE*uv von erfindungsgemäßen Pigmenten
Wie in Tabelle 3 dargestellt ist, weisen die erfindungsgemäßen Pigmente Na4G9O20:Mn, BiVO4:Nd, BiVO4:Er und Bi(V, Mo)O4:Er bei Erhöhung der Temperatur von 300 auf 350 K einen höheren Farbpunktunterschied ΔE*uv als das angegebene Pigment aus dem Stand der Technik auf. Die mit Er dotierten Proben erzielen auch bei Erhöhung der Temperatur auf 400 K einen stärkeren Farbumschlag als das Pigment aus dem Stand der Technik. Ursache für die Verstärkung des thermochromen Effektes durch die Dotierung mit Seltenen Erden wie Neodym im Vergleich zum undotierten BiVO4 ist die zusätzliche Absorption im orange-roten Spektralbereich. Weiterhin wird ein deutlicher Einfluss der Co-Dotierung mit Molybdän oder Phosphor auf die Richtung der Farbverschiebung deutlich (siehe Farbpunktdiagramme in den Ausführungsbeispielen 5 und 6 im Vergleich zu 4).As shown in Table 3, the pigments of the present invention have Na 4 G 9 O 20 : Mn, BiVO 4 : Nd, BiVO 4 : Er, and Bi (V, Mo) O 4 : Er as the temperature increases from 300 to 350K higher color point difference ΔE * uv than the indicated pigment of the prior art. The Er-doped samples also achieve a greater color change than the prior art pigment as the temperature is increased to 400K. The reason for the enhancement of the thermochromic effect by doping with rare earths such as neodymium compared to undoped BiVO 4 is the additional absorption in the orange-red spectral range. Furthermore, a marked influence of the co-doping with molybdenum or phosphorus on the direction of the color shift becomes clear (see color point diagrams in the embodiments 5 and 6 in comparison with FIG. 4).
Das erfindungsgemäße Pigment Sr2MgMoO6:Eu zeigt einen Farbwechsel von blau nach grün bei steigender Temperatur, der aufgrund der hohen Augenempfindlichkeit sehr gut wahrgenommen werden kann. Da dieses Pigment aber nur sehr geringe Helligkeitswerte besitzt, stößt die Quantifizierung von Farbunterschieden mit Hilfe von ΔE*uv hier an ihre Grenzen, denn der wahrnehmbare Farbunterschied ist größer als es der im Vergleich geringe Wert für ΔE*uv vermuten lässt. Deutlich wird dies auch in der Darstellung der berechneten Farbkoordinaten u' und v' (siehe Ausführungsbeispiel 2).The inventive pigment Sr 2 MgMoO 6 : Eu shows a color change from blue to green with increasing temperature, which can be perceived very well due to the high sensitivity of the eyes. However, since this pigment has only very low brightness values, the quantification of color differences with the aid of ΔE * uv reaches its limits here, since the perceivable color difference is greater than the comparatively low value for ΔE * uv suggests. This is also clear in the representation of the calculated color coordinates u 'and v' (see embodiment 2).
Mit der vorliegenden Erfindung werden somit erstmals thermochrome Pigmente mit besonders vorteilhaften Eigenschaftskombinationen sowie mit diesen erzeugbare thermochrome Beschichtungen zur Verfügung gestellt. Die thermochromen Pigmente und mit diesen hergestellte Beschichtungen sind auch für die Verwendung in Haushaltsgeräten, insbesondere als Temperaturindikatoren, geeignet.The present invention thus provides for the first time thermochromic pigments having particularly advantageous combinations of properties as well as thermochromic coatings which can be produced therewith. The thermochromic pigments and coatings made therewith are also suitable for use in household appliances, especially as temperature indicators.
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