DE10314070B4

DE10314070B4 - Mit einem Kratzschutz versehener flächiger Glas- oder Glaskeramikkörper

Info

Publication number: DE10314070B4
Application number: DE2003114070
Authority: DE
Inventors: Monica Cotlear De Witzmann; Gerhard Weber
Original assignee: Schott AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2003-03-28
Filing date: 2003-03-28
Publication date: 2005-03-17
Anticipated expiration: 2023-03-29
Also published as: DE10314070A1

Abstract

Mit einem Kratzschutz aus eingebetteten, harten Partikeln versehener, flächiger Glas- oder Glaskeramikkörper, bei dem sehr feine Partikel stochastisch feinverteilt in einer körpermaterialverträglichen Schicht unter Bildung einer strukturierten Oberfläche eingebettet sind, und die Größe der Partikel in Verbindung mit der Korngrößenverteilung bei d₅₀ im Bereich von 0,6 um bis 1,0 μm und bei d₉₀ im Bereich von 2,5 μm bis 3,0 μm liegt, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikel aus körpermaterialverträglichen Spezialgläsern bestehen, die nach Einbettung in eine Sol-Gel-Schicht auf Basis von SiO₂ oder TiO₂ abgerundete Konturen aufweisen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen mit einem Kratzschutz aus eingebetteten, harten Partikeln versehenen flächigen Glas- oder Glaskeramikkörper, bei dem sehr feine Partikel stochastisch feinverteilt in einer körpermaterialverträglichen Schicht unter Bildung einer strukturierten Oberfläche eingebettet sind, und die Größe der Partikel in Verbindung mit der Korngrößenverteilung bei d₅₀ im Bereich von 0,6 μm bis 1,0 μm und bei d₉₀ im Bereich von 2,5 μm bis 3,0 μm liegt.
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 Kochgeschirrs 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 Emailleflüsse- 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 Emailleflüsse- 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 A1 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 nachveröffentlichten DE 101 33 478 C1 sowie in der prioritätsgleichen, vorveröffentlichten WO 03/008355 A1, die den nächstliegenden Stand der Technik bildet, ist ein mit einem Kratzschutz aus Hartstoffen versehener flächiger Glas- oder Glaskeramikkörper 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 oder Glaskeramik, wie transparente Fenster von Scannerkassen, sind die Kratzschutzprobleme ähnlich gelagert wie bei Kochflächen.

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

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt erfindungsgemäß dadurch, daß die Partikel aus körpermaterialverträglichen Spezialgläsern bestehen, die nach Einbettung in eine Sol-Gel-Schicht auf Basis von SiO₂ oder TiO₂ abgerundete Konturen aufweisen.

Durch die Zugabe substratverträglicher, d.h. für das Glas- bzw. Glaskeramikmaterial des flächigen Körpers verträglicher glasiger Partikel erreicht man, daß während der notwendigen thermischen Behandlung der Beschichtung bei deren Aufbringung auf den flächigen Körper, die eingebetteten körnigen glasigen Partikel eine Reaktion mit dem glasigen Träger eingehen und ihre Konturen derart abrunden, daß keine scharten 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, abgerundeten Partikeln versehenen flächigen Glas- oder Glaskeramikkörper, im Gegensatz zu dem Kratzschutz nach der letztgenannten WO-Schrift mit kantigen Konturen aufweisenden Hartstoffpartikeln.

In der DE 201 06 167 U1 wird eine Glaskeramikplatte beschrieben, die als Kochfläche in einem Kochfeld dient und auf ihrer Oberseite eine Schutzschicht mit einer gegenüber der Glaskeramik erhöhten Kratzfestigkeit besitzt, wobei die Schutzschicht aus einer Hartstoffschicht oder einer Weichstoffschicht oder einer Schmierstoffschicht oder aus Kombinationen von diesen Schichten besteht.

Je nach zu erzielenden Eigenschaften der Schutzschicht mit erhöhter Kratzfestigkeit werden unterschiedliche Materialien verwendet, die beispielsweise durch die Sol-Gel-Technik aufgebracht sind. Ein Hinweis auf harte Partikel aus körpermaterialverträglichen Spezialgläsern, eingebettet in einer Sol-Gel-Schicht, findet sich jedoch in dieser Schrift nicht.

Dass sich zur Herstellung von strukturierten Oberflächen durch Einbettung von Partikeln in eine Bindemittelschicht auf Glassubstraten prinzipiell auch Glaspartikel eignen, ist aus der DE 23 14 622 B2 bekannt, wobei die Schichtdicke vom Verwendungszweck abhängt. Im bekannten Fall geht es darum, ein lichtdurchlässiges Baumaterial, wie Platten, Lichtkuppeln, Bedachungsmaterial etc., mit einer die Lichtdiffusionswirkung verbessernden Beschichtung zu versehen. Ein Hinweis auf eine Kratzschutzschicht für flächige Glas- oder Glaskeramikkörper findet sich in dieser Schrift nicht.

Die Einbettung von harten Partikeln in eine Sol-Gel-Trägerschicht ist durch die DE 196 29 241 C1 bekannt geworden. In diesem bekannten Fall geht es um das Herstellen einer rutschfesten Oberfläche einer Glasabdeckscheibe für Bodeneinbauscheinwerfer, welche die optischen Eigenschaften der Glasscheibe möglichst wenig beeinträchtigen soll. Als harte Partikel wird Abrasivmaterial der Stoffe Korund, Zirkoniumoxid, Siliziumkarbid, Bornitrid, Diamant oder Titanpulver verwendet, wobei zumindest ein Teil der harten Partikel nach Verfestigung der Trägerschicht über deren mittlere Höhe nach Art eines „Trümmerfeldes" entsprechend dem Gegenstand der eingangs zitierten WO-Schrift 03/008355 A1 hinausragt.

Ein Hinweis auf das Einbetten von harten Partikeln aus Spezialgläsern in eine Sol-Gel-Trägerschicht unter Bildung einer Kratzschutzschicht, wobei sich die Partikel beim Einbetten in die Sol-Gel-Trägerschicht abrunden, findet sich in dieser Schrift nicht.

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

Zu beschichtendes Substrat: Ein Glaskeramikmaterial der Anmelderin bekannt unter der Marke CERAN HIGH-TRANS^®
Beschichtungsmaterial bestehend aus:

– 172 g einer Standard-SiO₂-Tauchlösung, wie sie typischerweise auch für Entspiegelungs-Interferenzschichten nach dem Stand der Technik verwendet wird,
– 96 g einer Alkohol-Suspension 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 Glaskeramik-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 oder 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 Glas- oder Glaskeramikkörper, bei dem sehr feine Partikel stochastisch feinverteilt in einer körpermaterialverträglichen Schicht unter Bildung einer strukturierten Oberfläche eingebettet sind, und die Größe der Partikel in Verbindung mit der Korngrößenverteilung bei d₅₀ im Bereich von 0,6 um bis 1,0 μm und bei d₉₀ im Bereich von 2,5 μm bis 3,0 μm liegt, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikel aus körpermaterialverträglichen Spezialgläsern bestehen, die nach Einbettung in eine Sol-Gel-Schicht auf Basis von SiO₂ oder TiO₂ abgerundete Konturen aufweisen.
Flächiger Glas- oder Glaskeramikkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Kratzschutz-Beschichtung im Bereich von 90 nm liegt.
Flächiger Glas- oder Glaskeramikkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikel aus Spezialgläsern mit löslichen Oxiden eingefärbt sind.
Flächiger Glas- oder Glaskeramikkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der flächige Glas- oder Glaskeramikkörper ein Dekor trägt und die Sol-Gel-Schicht auf der dekorierten Fläche aufgetragen ist.