DE10330744A1

DE10330744A1 - Beschichtungszusammensetzung

Info

Publication number: DE10330744A1
Application number: DE2003130744
Authority: DE
Inventors: Ralph Nonninger; Sabine KÖHLER
Original assignee: Itn Nanovation AG
Current assignee: Itn Nanovation AG
Priority date: 2003-07-07
Filing date: 2003-07-07
Publication date: 2005-02-03

Abstract

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Beschichtungssystem auf der Basis hydrolisierbarer Silane mit großen Hydrolysegeschwindigkeiten. Derartige Beschichtungssysteme eignen sich zur Herstellung funktioneller Beschichtungen mit einer Easy-to-clean- oder Anti-fogging-Wirkung, die eine hohe Kratzfestigkeit aufweisen und die für Substrate aus Glas, Keramik, Metall, Stein oder Kunststoff geeignet sind.

Description

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Beschichtungssystem auf der Basis hydrolisierbarer Silane mit großen Hydrolysegeschwindigkeiten. Derartige Beschichtungssysteme eignen sich zur Herstellung funktioneller Beschichtungen mit einer Easy-to-clean- oder Anti-fogging-Wirkung, die eine hohe Kratzfestigkeit aufweisen und die für Substraten aus Glas, Keramik, Metall, Stein oder Kunststoff geeignet sind.

Die Herstellung von Beschichtungssystemen über den Sol-Gel-Prozess durch Umsatz von Alkoxiden beispielsweise des Siliziums oder Aluminiums ist aus der Literatur bekannt. Meist wird hierbei aus einem Gemisch verschiedener Alkoxide durch eine Hydrolyse- oder eine Kondensationsreaktion eine viskose, flüssige Beschichtungslösung hergestellt. Bei dieser Reaktion bildet sich ein anorganisches Netzwerk mit organischen Bestandteilen aus, die den anschließend daraus hergestellten Beschichtungen zum einen eine im Vergleich zu organischen Polymeren erhöhte Oberflächenhärte und zum anderen eine gegenüber rein anorganischen Schichten deutlich verbesserte Flexibilität verleihen.

Nachteil bei der Herstellung derartiger Beschichtungswerkstoffe ist, dass die zur Herstellung des anorganischen Netzwerks verwendeten Silizium-Alkoxide sehr lange Hydrolysezeiten aufweisen. Dies führt zu langen und somit kostenintensiven Herstellungsprozessen, die nicht selten mehrere Tage in Anspruch nehmen. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass auch die Trocknung der applizierten Beschichtung nur sehr langsam erfolgt. Zum einen besteht hier eine erhöhte Gefahr der Verschmutzung der noch feuchten Schichten durch Schwebstoffe aus der Umgebungsluft, zum anderen erhöht sich auch der apparative Aufwand, da die Trocknungsstrecken der Öfen entsprechend lang sein müssen. Eine Erhöhung der Trocknungstemperatur zur Verringerung der Trocknungszeit ist aufgrund der Temperaturempfindlichkeit der organischen Bestandteile der Schichten nur in begrenztem Maße möglich.

Bei den eingesetzten Siliziumalkoxiden handelt es sich meist um di- oder triethoxy-Silane, die über einen oder zwei nicht hydrolysierbare Reste verfügen, von denen einer mit einer funktionellen Gruppe ausgestattet ist, die die Ausbildung einer Netzwerkstruktur erlaubt. Dieser Rest ist im allgemeinen über drei Kohlenstoffatome an das zentrale Si-Atom gebunden (γ-Silane). Beispiele für derartige Silane sind Glycidyloxypropyltriethoxysilan oder Methacryloxypropyltriethoxysilan

Zur Steigerung der Reaktivität dieser Verbindungen wurden die analogen Methoxysilane hergestellt, da die Methoxy-Gruppe eine bessere Abgangsgruppe als die Ethoxy-Gruppe darstellt und diese Verbindungen somit schneller hydrolysieren sollten. Dies führte auch tatsächlich zu erhöhten Reaktionsgeschwindigkeiten, hat jedoch den Nachteil, dass sowohl bei der Lackherstellung als auch bei der Verarbeitung Methanol als giftiges Hydrolyse- oder Kondensationsprodukt frei wird. Diese Verbindungen waren somit für den Einsatz in kommerziellen Lacksystemen nicht geeignet.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung war somit die Herstellung eines anorganisch-organischen Beschichtungssytems, das in kurzer Zeit durch die Umsetzung von Alkoxiden erhältlich sein sollte, und bei dessen Herstellung und Verarbeitung keine giftigen Reaktionsprodukte entstehen.

Überraschenderweise wurde nun gefunden, dass durch den Einsatz von hydrolisierbaren Silanen, wie sie in der vorliegenden Erfindung für die Herstellung eines Beschichtungssystemes eingesetzt werden, sowohl das Problem des langwierigen Herstellungsprozesses gelöst als auch die Freisetzung von Methanol vermieden werden kann. In den erfindungsgemäß beschriebenen Beschichtungssystemen werden Alkoxysilane eingesetzt, die ebenfalls zwei- oder drei Alkoxygruppen, vorzugsweise des Ethanols zur Vermeidung der zuvor beschriebenen Methanolproblematik, aufweisen und die einen oder zwei nicht hydrolysierbare Reste besitren, von denen mindestens einer eine funktionelle Gruppe aufweist, die zur Ausbildung eines anorganischen Netzwerkes befähigt ist. Diese funktionelle Gruppe ist jedoch nur noch über ein Kohlenstoffatom an das zentrale Siliziumatom gebunden (α-Silan). Diese Verbindungsklasse zeichnet sich durch eine stark erhöhte Hydrolysegeschwindigkeit gegenüber gleichartigen Silanen, bei denen die funktionelle Gruppe über drei oder mehr Kohlenstoffatome an das Siliziumatom gebunden ist, aus. Messungen der Hydrolysegeschwindigkeit ergaben für die α-Silane eine um des 20-fach schnellere Reaktionsgeschwindigkeit gegenüber den γ-Silanen. Beispiel für solche α-Silan-Verbindungen sind Glycidyloxymethyltriethoxysilan oder Methacryloxymethyltriethoxysilan.

Mit einem derartigen Beschichtungssystem ist die Herstellung funktioneller Schichten auf unterschiedlichsten Substraten wie Glas, Keramik, Metall, Stein oder Kunststoff möglich. Der Auftrag der Beschichtungszusammensetzung kann hierbei mit allen gängigen Auftragsmethoden wie beispielsweise Tauchen, Fluten oder Sprühen erfolgen.

Die beschriebene Beschichtungszusammensetzung eignet sich als Basislack für die Herstellung verschiedener funktioneller Beschichtungen. So können je nach Art weiterer zugegebener Bestandteile Beschichtungen hergestellt werden, die entweder über eine Easy-to-clean-Oberfläche mit einer sehr niedrigen Oberflächenenergie oder aber über eine hydrophile und somit beschlagsverhindernde Oberfläche verfügen.

Durch Zugabe keramischer Partikel mit einer Partikelgröße < 50nm, die transparent in derartige Beschichtungszusammensetzungen eingearbeitet werden können, kann die Kratzfestigkeit der aus diesen Zusammensetzungen hergestellten Beschichtungen stark erhöht werden.

Die folgenden Beispiele erläutern die Erfindung ohne sie einzuschränken
Beispiel 1
In 377,3 g Glycidyloxymethyltriethoxysilan werden 41,6 g Böhmitsol suspendiert. In die Mischung werden 88 g 0,1 molarer HCl zugetropft und die Mischung während 2 h hydrolysiert. Anschließend werden 417,0 g Levasil 200 S 30 zugegeben und 1 h gerührt. Unter Rühren werden nun 14,3 g 3-Aminomethylmethyl-diethoxysilan zugegeben und eine weitere Stunde gerührt. Dann werden 5,1 g Diamino-m-xylol sowie 69,1 g Tergitol TNP 7 langsam zugegeben und nochmals 1 h gerührt. Danach werden noch 4 g eines Verlaufhilfsmittels und ca. 200 g Isopropoxyethanol zur Einstellung der Viskosität hinzugefügt.
Eine solche Beschichtungszusammensetzung eignet sich zur Herstellung hydrophiler Beschichtungen, die ein Beschlagen z. B. von Glasscheiben verhindern.
Beispiel 2
314,4 9 Glycidyloxymethyltriethoxysilan werden mit 41,6 g Tetraethoxysilan und 31,8 g Perfluoroctyltriethoxysilan gemischt und 85,2 g 0,1 molarer HCl zugetropft. Die Mischung wird während 2 h hydrolysiert. Anschließend werden 347,5 g Levasil 200 S 30 zugegeben und 1 h gerührt. Unter Rühren werden nun 11,95 g 3-Aminomethyl-methyl-diethoxysilan zugegeben und eine weitere Stunde gerührt. Sodann werden 4,25 g Diamino-m-xylol zugegeben und nochmals 1 h gerührt. Danach werden noch 4 g eines Verlaufhilfsmittels und ca. 200 9 Isopropoxyethanol zur Einstellung der Viskosität hinzugefügt.
Eine solche Beschichtungszusammensetzung eignet sich zur Herstellung von hydrophoben Easy-to-clean-Beschichtungen mit einer sehr geringen Oberflächenenergie, aufgrund derer Schmutz und Flüssigkeiten nur schwach an der Oberfläche haften können. Die Oberflächen verschmutzen nicht so stark und sind leicht zu reinigen.

Claims

Beschichtungszusammensetzung auf der Basis hydrolysierbarer Silane zur Herstellung von Beschichtungen mit leicht zu reinigenden oder beschlagshemmenden Oberflächen, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtungszusammensetzung mindestens eine hydrolysierbare Silicium-Verbindung der allgemeinen Formel
enthält mit X = methacryloxy, glycidyloxy, isocyanat, carbamat, NZ_aZ'_(3-a) mit Z oder Z' = H, Alkyl, Alkenyl, Aryl, Aminoalkyl und a = 0 bis 3 R = Ethoxy, n-Propoxy, iso-Propoxy, Cl R' = Alkyl Y = 0 oder 1
Beschichtungszusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, das es sich bei der hydrolysierbaren Silicium-Verbindung um Glycidyloxymethyl-triethoxysilan, Glycidyloxymethyl-methyl-diethoxysilan, Methacryloxymethyl-triethoxysilan oder Methacryloxymethyl-methyl-diethoxysilan handelt.
Beschichtungszusammensetzung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zu der Zusammensetzung keramische Partikel mit einer Partikelgröße < 50nm zugegeben werden.
Beschichtungszusammensetzung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den keramische Partikeln um TiO₂, ZrO₂, Al₂O₃, SiO₂, Fe_xO_y, SnO₂, CeO₂, BaTiO3, BaSn₃, MgAl₂O₄, CoAl₂O₄, CuAl₂O₄ oder Mischungen hiervon handelt.
Verwendung einer Beschichtungszusammensetzung nach einem der vorhergehenden Ansprüche als hydrophile Beschichtung oder als Antibeschlag-Beschichtung.
Verwendung einer Beschichtungszusammensetzung nach einem der vorhergehenden Ansprüche als hydrophobe Beschichtung.
Gegenstand, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Beschichtungszusammensetzung nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist und mindestens teilweise oder vollständig mit dieser beschichtet ist.