DE10314070A1

DE10314070A1 - Mit einem Kratzschutz versehener flächiger Körper

Info

Publication number: DE10314070A1
Application number: DE2003114070
Authority: DE
Inventors: Monica Cotlear De Witzmann; Gerhard Weber
Original assignee: Schott Glaswerke AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2003-03-28
Filing date: 2003-03-28
Publication date: 2004-10-21
Anticipated expiration: 2023-03-29
Also published as: DE10314070B4

Abstract

Flächige Körper, beispielsweise Glasplatten oder Glaskeramikplatten, die als Kochflächen für moderne Kochfelder dienen, bedürfen zweckmäßigerweise eines Kratzschutzes, um betrieblich bedingte Gebrauchsspuren zu vermeiden. Es ist dabei bekannt, für den Kratzschutz Hartstoffpartikel einzusetzen, die in den flächigen Körper eingebettet sind. DOLLAR A Erfindungsgemäß läßt sich ein besonders wirksamer Kratzschutz erzielen, wenn dieser aus einer auf den flächigen Körper aufgebrachten, mit seinem Material verträglichen Sol-gel-Schicht, in der sehr feine Partikel aus körpermaterialverträglichen Spezialgläsern, die stochastisch feinverteilt in der Sol-gel-Schicht unter Bildung einer strukturierten Oberfläche eingebettet sind, besteht.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen mit einem Kratzschutz aus eingebetteten harten Partikeln versehenen flächigen Körper, insbesondere auf einen optisch transparenten Körper wie Glas, Glaskeramik.

Die Erfindung bezieht sich im speziellen auf eine Glaskeramikplatte, die als Kochfläche in einem Kochfeld dient und auf ihrer Oberseite eine Schutzschicht mit einer gegenüber der unbeschichteten Glaskeramik erhöhten Kratzfestigkeit besitzt.

Moderne Kochfelder besitzen eine Glaskeramikplatte als Kochfläche, wobei die Glaskeramikplatte typischerweise plan ist, aber auch zwei- oder dreidimensional verformt sein kann. Es sind sowohl Glaskeramikplatten druckschriftlich bekannt bzw. auf dem Markt, die undekoriert oder mit temperaturstabilen Farben, z.B. keramischen Farben, dekoriert sind. Die Kochfläche weist einzelne Kochzonen auf, die induktiv, oder mit elektrisch betriebenen Halogenheizkörpern, oder mit Gas-Strahlungsheizelementen beheizt werden.

Glaskeramikplatten haben typischerweise eine Mohshärte mit einem Härtegrad von 5 – 6, der vergleichbar mit Stahl ist, aus dem typischerweise das Kochgeschirr hergestellt wird. Beim Verschieben des Kochgeschirres sowie beim Reinigen der Kochflächen mit abrasiven Reinigungsmitteln und Schwämmen etc. im täglichen Gebrauch, ist daher die Kochfläche einer hohen mechanischen Belastung ausgesetzt, die zu Gebrauchsspuren, d.h. zu einer bestimmten Kratzerauffälligkeit, führt.

Die Glaskeramikplatten der früheren Generation besaßen eine orangenhautähnliche typische Oberflächenstruktur, die dadurch eine relativ geringe Kratzerauffälligkeit besaßen. Die Oberflächen der Glaskeramikplatten sind jedoch im Laufe der Zeit glatter und glänzender geworden, was aus den vorgenannten Gründen zu einer verstärkten Kratzerauffälligkeit führt.

Es sind auch Kochfelder mit einer Glaskeramikplatte als Kochfläche bekannt, die auf der Oberseite mit keramischen Farben dekoriert sind ( DE 44 26 234 C1 ; DE 197 28 881 C1 ). Diese keramischen Farben mindern zwar die Auffälligkeit von Gebrauchsspuren, verursacht durch das Topfverschieben und die Reinigung, jedoch wird die Dekorschicht ihrerseits ebenfalls der vorbeschriebenen mechanischen Belastung durch den täglichen Gebrauch ausgesetzt, wodurch sie im Laufe der Zeit ebenfalls Gebrauchsspuren zeigt und durch den Abrieb immer unansehnlicher wird. Hinzu kommt, daß die keramischen Farben aus designerischen Gründen zur Zeit immer weniger flächenbedeckend verwendet werden. Oft beschränkt sich eine Dekor-Designausführung lediglich auf die Markierung einer Kochzone und auf Firmenlogos. Der größte Teil der Kochflächen bleibt daher undekoriert, so daß eine sehr große Angriffsfläche vorhanden ist, die nur aus Glaskeramik besteht und die daher dann "direkt" der mechanischen Belastung durch Topfschieben, Reinigung etc. stark ausgesetzt ist.

Die EP 0 231 529 B1 löst das Problem der hohen Kratzempfindlichkeit und der starken Sichtbarkeit von Kratzern auf der Kochflächenoberseite sowie das Abreiben der auf der Kochfläche aufgebrachten Dekorfarbe dadurch, daß bestimmte statistisch verteilte Oberflächenbereiche der Glaskeramik-Kochfläche relativ zu ihrer Umgebung überhöht sind. Daher sind im wesentlichen nur die Überhöhungen einem Abrieb ausgesetzt.

Die EP 0 716 270 B1 beschreibt eine Kochfläche aus Glaskeramik, auf deren Oberseite ein Dekor vorgesehen ist, die zum Vermeiden von Kratz- bzw. Gebrauchsspuren eine Schutzschicht in Form einer Emaillflüsse- oder Silikatbeschichtung mit einer gegenüber der Glaskeramik erhöhten Kratzfestigkeit besitzt, wobei diese Schutzschicht die Glaskeramikkochfläche geschlossen bzw. möglichst geschlossen bedeckt, und auf diese Schutzschicht oder direkt auf die Glaskeramikoberfläche ein Dekor aufgedruckt ist. Bevorzugt ist die Schutzschicht aus einem dunklen Material ausgebildet. Durch diese Schutzschicht wird zwar die mechanische Belastbarkeit der Glaskeramik-Kochflächen grundsätzlich erhöht, so daß im Gebrauch der Kochfläche eine verminderte Kratzerauffälligkeit gegenüber einer ungeschützten Kochfläche auftritt, jedoch bieten die allein in der EP-Schrift offenbarten Emaillflüsse- bzw. Silikatschutzschichten noch keinen optimalen mechanischen Langzeitschutz.

Nachteilig ist nämlich, daß die Schutzschicht selbst ein Dekor darstellt, das mittels Siebdruck aufgebracht wird. Diese Dekorfarben basieren in der Regel auf den gleichen Flüssen wie die zur optischen Gestaltung verwendeten Dekorfarben. Hinsichtlich Abrieb unterliegen sie damit gleichen Restriktionen. Die minimale Abmessung derartiger Dekore beträgt in der Größenordnung 0,5 mm, was auf jeden Fall optisch auffällig ist und somit designerisch störend ist, insbesondere wenn optisch transparente Gläser oder Glaskeramiken gewünscht sind.

In der DE 100 00 663 A1 wird ein Verfahren und die zugehörige Vorrichtung beschrieben, mit denen ein optisch transparenter Körper mit einer Kratzschutzschicht aus Al₂O₃ ganzflächig mittels der PICVD-Technologie versehen wird, derart, daß sich eine Hartstoffschicht ausbildet.

Nachteilig ist der große Verfahrensaufwand, insbesondere wenn großflächige Beschichtungen homogen aufgebracht werden müssen. Bisher sind Inhomogenitäten nicht vermeidbar, was zudem das optische Erscheinungsbild nachhaltig stört.

Ferner beschreibt die WO 96/31995 eine induktiv beheizte Glas- oder Glaskeramikkochfläche mit integrierten Spulen, auf der eine Hartstoff-Schicht aus Al₂O₃ mittels der Technik des Plasmasprühens in einer Schichtdicke zwischen 50 und 200 μm aufgebracht ist.

Nachteilig ist hierbei, daß derart dicke Schichten sehr rauh sind und damit die Gebrauchseigenschaften, wie Topfabrieb, Handabrieb sowie das Reinigungsverhalten nachteilig beeinflußt werden. Weiterhin ändert sich das Erscheinungsbild der Kochflächen mit einer solchen Schicht gänzlich.

In der DE 101 33 478 A1 ist ein mit einem Kratzschutz aus Hartstoffen versehener flächiger Körper beschrieben, bei dem der Kratzschutz durch sehr feine Hartstoffpartikel mit Abmessungen in der Größenordnung von < 5 μm, typisch D₅₀ im Bereich von 0,1 bis 2 μm, die stochastisch feinverteilt in der Oberfläche des Körpers unter Bildung einer strukturierten Oberfläche eingebettet sind, gebildet ist. Dieser Kratzschutz stellt praktisch keine in sich abgeschlossene gleichförmige Schicht dar, sondern die Hartstoffteilchen bilden sozusagen auf der Oberfläche des Körpers eine Art "Trümmerfeld". D₅₀ bedeutet dabei, daß 50% aller Teilchen vorgenannte Größe haben.

Die vorgenannten Hartstoffe hinterlassen allerdings eine rauhe Oberfläche, die zu unangenehmen Erscheinungen wie Handabrieb (Schmirgeleffekt"), laute Geräusche bei Topfverschieben, etc. führen kann. Diese Hartstoffe haben Erweichungstemperaturen, die deutlich oberhalb von denen von Gläsern/Glaskeramiken liegen. Daher behalten die ursprünglichen Hartstoffkörper ihre Größe und kantigen Konturen im Rahmen ihrer Beschichtung.

Bei anderen optisch transparenten flächigen Körpern aus Glas, Glaskeramik oder Kunststoff, wie transparente Fenster von Scannerkassen, sind die Kratzschutzprobleme ähnlich gelagert wie bei Kochflächen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den eingangs bezeichneten flächigen Körper mit einem Kratzschutz zu versehen, der den gleichen Schutzeffekt wie die vorgenannte Schutzschicht mit eingebetteten Hartstoffpartikeln hat, der jedoch nicht die entsprechende rauhe Oberfläche besitzt.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt erfindungsgemäß dadurch, daß der Kratzschutz aus einer auf den flächigen Körper aufgebrachten, mit seinem Material verträglichen sol-gel Schicht, in der sehr feine Partikel aus körpermaterialverträglichen Spezialgläsern, die stochastisch feinverteilt in der sol-gel Schicht unter Bildung einer strukturierten Oberfläche eingebettet sind, besteht.

Durch die Zugabe substratvertäglicher, d.h. für das Material des flächigen Körpers verträglichen glasiger Partikel erreicht man, daß während der notwendigen thermischen Behandlung der Beschichtung bei deren Aufbringung auf den flächigen Körper, die eingebetteten körnigen Partikel eine Reaktion mit dem Träger eingehen und ihre Konturen derart abrunden, daß keine scharfen Kanten übrigbleiben; damit ist die Oberfläche glatter und führt nicht zu den o. g. unangenehmen Eigenschaften.

Die Erfindung bezieht sich somit auf einen mit einem Kratzschutz aus glasigen Partikeln versehenen flächigen Körper, im Gegensatz zu dem Kratzschutz nach der letztgenannten DE-Schrift mit kantigen Konturen aufweisenden Hartstoffpartikeln.

Versuche haben gezeigt, daß ein wirksamer Kratzschutz erzielbar ist, wenn die Dicke der Kratzschutz-Beschichtung im Bereich von 90 nm liegt.

Vorzugsweise weist die sol-gel Schicht als Basisstoff SiO₂ auf. Dieser Basisstoff ist mit den meisten glasigen Substraten gut verträglich.

Entsprechendes gilt, wenn die sol-gel Schicht als Basisstoff TiO₂ aufweist.

Eine gleichförmig, feinverteilte Einbettung der feinen Glaspartikel ist gegeben, wenn die Größe der Glaspartikel in Verbindung mit der Korngrößenverteilung bei d₅₀ im Bereich von 0,8 μm bis 1,0 μm und bei d₉₀ im Bereich von 2,6 μm bis 3,0 μm liegt.

Zu beschichtendes Substrat: CERAN HIGH TRANS^®
Beschichtungsmaterial bestehend aus:

– 172 g S-18 Konzentrat, einer Standard-SiO₂-Tauchlösung, wie sie auch für Entspiegelungs-Interferenzschichten verwendet wird,
– 96 g "Nano Slurry", eine Alcohol Suspersion mit 15% Feststoffgehalt, der aus einem Glasfluß besteht, mit einer Korngrößen-Verteilung d₁₀ = 0,088 μm, d₅₀ = 0,631 μm und d₉₀ = 2,538 μm, und
– 532 g EtOH.

Die Ziehgeschwindigkeit beim Aufbringen der sol-gel Schicht mit üblichen Methoden und Prozeßparametern beträgt 10 cm/min.
Das so beschichtete Substrat wurde einem Praxistest unterworfen. Dazu wurde ein Edelstahltopf (Volumen: 3 Liter) mit 2 kg belastet und 50 mal hin- und hergeschoben. Die Bewertung erfolgte optisch in einer Abmusterungskabine (Tageslichtröhre), im Vergleich zur unbeschichteten Referenz.
Das Ergebnis war eine deutlich verminderte Kratzauffälligkeit.
Die zugesetzten Partikel der Spezialgläser können bereits mit löslichen Oxiden gefärbt sein, und damit Farbeffekte erzeugen, aber dabei die Rauhigkeit zusätzlicher Farbpigmente, die nicht beliebig klein sein können, vermeiden. Somit könnten Glaskeramik-Kochflächen eine Beschichtung haben, die Flußpartikel aus den Dekorfarben beinhalten, während andere Gläser (z.B. für Scannerkassen und/oder Architekturanwendung), mit niedriger schmelzenden Glaspartikeln überzogen wären, um das o. g. "Anschmelzen" und Abrunden der Körner zu gewährleisten.
Die erfindungsgemäße Beschichtung mit eingebetteten glasigen Partikeln kann problemlos über eine bereits dekorierte Glas/Glaskeramikplatte aufgetragen werden und damit sowohl die undekorierte als auch die dekorierte Fläche vor mechanischen Angriffen schützen.

Claims

Mit einem Kratzschutz aus eingebetteten harten Partikeln versehener flächiger Körper, dadurch gekennzeichnet, daß der Kratzschutz aus einer auf den flächigen Körper aufgebrachten, mit seinem Material verträglichen sol-gel Schicht, in der sehr feine Partikel aus körpermaterialverträglichen Spezialgläsern, die stochastisch feinverteilt in der sol-gel Schicht unter Bildung einer strukturierten Oberfläche eingebettet sind, besteht.
Flächiger Körper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Kratzschutz-Beschichtung im Bereich von 90 nm liegt.
Flächiger Körper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die sol-gel Schicht als Basisstoff SiO₂ aufweist.
Flächiger Körper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die sol-gel Schicht als Basisstoff TiO₂ aufweist.
Flächiger Körper nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der Glaspartikel in Verbindung mit der Korngrößenverteilung bei d₅₀ im Bereich von 0,8 μm bis 1,0 μm und bei d₉₀ im Bereich von 2,6 μm bis 3,0 μm liegt.
Flächiger Körper nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Glaspartikel mit löslichen Oxiden eingefärbt sind.
Flächiger Körper nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der flächige Körper ein Dekor trägt und die solgel-Schicht auf der dekorierten Fläche aufgetragen ist.