DE10355160A1

DE10355160A1 - Beschichtete Glas/Glaskeramikplatte und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE10355160A1
Application number: DE10355160A
Authority: DE
Inventors: Gabriele RÖMER-SCHEUERMANN; Gerhard Weber; Andrea Anton; Lutz Dr. Klippe; Veit Luther; Petra Grewer; Harald Dr. Striegler; Thomas Kraus
Original assignee: Schott AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2003-11-26
Filing date: 2003-11-26
Publication date: 2005-06-30
Anticipated expiration: 2023-11-27
Also published as: CN1621375A; CN1621375B; FR2862635A1; JP4907076B2; DE10355160B4; US20080199622A1; US7361405B2; FR2862635B1; JP2005154269A; US20050129959A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine transparente, nicht eingefärbte, Glas/Glaskeramikplatte, die betrieblich hohen thermischen Belastungen ausgesetzt ist und die ganzflächig oder partielle eine blickdichte farbige, hochtemperaturstabile Beschichtung in Form einer mit farbgebenden Pigmenten versehenen organischen/anorganischen Netzwerkstruktur aufweist. DOLLAR A Zur Ausbildung einer mechanisch stabilen, blickdichten und die Festigkeit der Glas/Glaskeramikplatte nicht beeinträchtigenden farbigen Beschichtung sieht die Erfindung vor, daß in der Netzwerkstruktur zusätzlich Füllstoffpartikel eingebettet sind und die Beschichtung keine Anschmelz-Reaktionszone zur beschichteten Oberfläche der Glaskeramikplatte aufweist. DOLLAR A Dabei wird die anorganische Netzwerkstruktur vorzugsweise durch eine Sol-Gel-Schicht gebildet. DOLLAR A Das Verfahren zur Herstellung einer solchen Beschichtung erfolgt typischerweise mit den Schritten: DOLLAR A - Herstellen einer reaktiven organischen/anorganischen Netzwerkstruktur aus vorgegebenen Komponenten, DOLLAR A - Einbringen von Farbpigmenten und Füllstoffpartikeln in einem vorgegebenen Mengenverhältnis in die organische/anorganische Netzwerkstruktur und/oder in deren Komponenten, DOLLAR A - Auftragen der mit den Farbpigmenten und Füllstoffpartikeln versehenen organischen/anorganischen Netzwerkstruktur als farbige Beschichtung auf die Glas/Glaskeramikplatte und DOLLAR A - Einbrennen der aufgebrachten farbigen Schicht bei thermischen Bedingungen, die keine Anschmelz-Reaktionszone zwischen der ...

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine transparente, nicht eingefärbte, Glas/Glaskeramikplatte, die betrieblich hohen thermischen Belastungen ausgesetzt ist und die ganzflächig oder partiell eine blickdichte farbige, hochtemperaturstabile Beschichtung in Form einer mit farbgebenden Pigmenten versehenen organischen/anorganischen Netzwerkstruktur aufweist.
Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein Verfahren zur Herstellung einer solchen beschichteten Glas/Glaskeramikplatte.
Die Erfindung bezieht sich schließlich auf ein Kochfeld mit einer derartigen beschichteten Glas/Glaskeramikplatte als Kochfläche.

Unter einer Glas/Glaskeramikplatte im Sinne der Erfindung sollen nicht nur flache, ebene Platten, sondern auch abgekantete und abgewinkelte Platten sowie gewölbte Platten verstanden werden, wobei die Platten rechtwinklig oder rund ausgebildet sein können bzw. auch eine andere Kontur haben können. Als Glasplatten im Sinne der Erfindung kommen nur solche in Betracht, deren Gläser einen sehr niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten haben und genügend „hart" sind, z.B. vorgespanntes Borosilikat-Glas.

Die durch die Erfindung zu lösende technische Problemstellung soll im folgenden anhand einer typischen Anwendung einer flachen, ebenen Glaskeramikplatte als Kochfläche eines modernen Kochfeldes erläutert werden, ohne dass die Erfindung darauf beschränkt wäre. Die technische Problemstellung ist bei Glasplatten als Kochfläche bzw. bei anderen Anwendungen, z.B. bei Glas/Glaskeramik-Kaminscheiben, Glas/Glaskeramik-Innenscheiben von Backofentüren oder bei Glas/Glaskeramik-Lampenabdeckungen, „mutatis mutandis" in entsprechender Weise gegeben.

Kochfelder mit einer Glaskeramikplatte als Kochfläche sind gängiger Stand der Technik. Das Glaskeramikmaterial ist im optischen Bereich transparent und daher wäre eine entsprechende Glaskeramik-Kochfläche bei Bestrahlung von oben, z.B. durch die Küchenbeleuchtung oder von unten, z.B. durch die Heizstrahler bei strahlungsbeheizten Kochzonen, durchscheinend, so dass Heizelemente, Kabel und andere Bauelemente, die unter der Glaskeramik-Kochfläche verborgen sind, erkannt werden könnten.

Der Anblick dieser Bauelemente wird jedoch von den Benutzern als störend empfunden. Daher sind die Glaskeramikplatten für Kochflächen typischerweise, wie auch aus der EP 0 220 333 hervorgeht, mit farbgebenden Ionen zur Verringerung der Transmission eingefärbt, damit die unterhalb der Glaskeramikplatte untergebrachten Funktions-Komponenten des Kochfeldes praktisch von oben nicht einsehbar sind. Diese Kochflächen sind daher praktisch für Strahlung im sichtbaren Bereich nicht transparent, d. h. opak, und erscheinen in Aufsicht schwarz bzw. je nach verwendeten farbgebenden Ionen in Durchsicht, z.B. dunkel rötlich-violett oder orange/braun. Ein grundsätzlicher Nachteil einer opaken Glaskeramik besteht insbesondere darin, dass man nur in eingeschränkter Form Displays, z.B. zum Anzeigen von Restwärme, integrieren kann.

Es ist auch bekannt, dieses Problem der optischen Nichttransparenz durch eine Farbgebung, einschließlich des Einbringens von Displays, durch eine blickdichte, im Display-Feld unterbrochene Beschichtung der Unterseite der transluzenten Glaskeramik-Kochfläche zu lösen. So zeigen die JP H7-17409 und JP 51-89517 als Kochflächen dienende Glaskeramikplatten aus einer transparenten, nicht eingefärbten Glaskeramik, deren Unterseite mit einer temperaturbeständigen Farbe bedruckt ist. Diese Farbschicht ist so ausgebildet, dass sie eine Nichttransparenz herstellt, d. h. sie ersetzt die sonst übliche Einfärbung, damit die Kochfläche in Aufsicht ebenfalls schwarz erscheint.

Um die notwendige Blickdichtheit zu erreichen, muss die verwendete Farbe relativ dick aufgetragen werden. Dabei kommt es jedoch aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von der Glaskeramikplatte und der Farbschicht zu Problemen, die zu Rissen in der Farbschicht oder auch in der beschichteten Glaskeramikoberfläche und sogar zum partiellen Abplatzen der Farbschicht führen können.

Transparente Glaskeramik-Kochflächen mit einer blickdichten Unterseitenbeschichtung sind auch durch die DE 100 14 373 A1 (= WO 01/72087 A1) und die DE 200 19 210 U1 bekannt geworden. Im Fall der erstgenannten DE 100 14 373 A1 dient die Unterseitenbeschichtung zugleich der Dekorierung, wogegen im Fall der zweitgenannten DE 200 19 210 U1 die unterseitige Schicht unifarben ausgebildet ist und die Kochflächen-Oberseite mit einer Vollflächendekorschicht versehen ist.

Als Farben für diese Unterseitenbeschichtung werden insbesondere Lüsterfarben, Farben auf organischer Basis, Farben auf Glasflussbasis, insbesondere mit Borosilikat als Glasfluss und Titan- oder Ceroxid als Pigment und gefärbte oder pigmentierte Sol-Gel-Schichten, die konventionelle anorganische Pigmente, Lüster-, Metalleffekt-, Perlglanz- oder Interferenz-Pigmente oder verschiedene Mischungen dieser Pigmente enthalten, genannt.

Der Auftrag der Unterseitenschicht erfolgt hierbei durch Drucken. Als verwendete Glaskeramikplatten kommen sowohl genoppte als auch beidseitig glatte Platten in Frage, wobei die genoppten Platten im allgemeinen zwar eine deutlich geringere mechanische Empfindlichkeit gegenüber beidseitig glatten Platten aufweisen, allerdings das Bedrucken der genoppten Platten mehr Probleme bereitet.

Die in vorgenannten Schriften beschriebenen Farbunterseitenbeschichtungen sind im Einfachdruck nicht blickdicht; zur Erhöhung der Blickdichte ist daher ein mehrfacher Schichtauftrag, d. h. eine entsprechend relativ dicke Unterseitenschicht, notwendig.

Dies gilt zwar nicht für Farben auf organischer Basis, weil diese Farben die Festigkeit der Glaskeramik-Kochfläche nicht oder nur geringfügig erniedrigen. Der Nachteil dieser organischen Farben besteht jedoch darin, dass sie aufgrund ihrer organischen Basis nur begrenzt temperaturbeständig sind und sich irreversibel verfärben können. Typische Bestandteile wie Silicone, Polyester oder Harze zersetzen sich oberhalb 400°C. Im Dauerbetrieb erreicht die Kochzonen-Unterseite jedoch bis zu 600°C. Kurzzeitig können die Temperaturen auch 800°C erreichen. Die o. g. organischen Farben zersetzen sich daher bei thermischer Belastung allmählich, wodurch Zersetzungsprodukte freigesetzt werden und die Haftung der Beschichtung mit der Zeit nachlässt.

Neben dem Bedrucken der Glaskeramikplatte mit der Unterseitenschicht ist es durch die DE 101 22 718 A1 auch bekannt, auf die Unterseite der Glaskeramikplatte plasmagespritzte Schichten aufzutragen, die die Opazität einer Glaskeramikplatte (auch einer volumengefärbten) für sichtbares Licht weiter erhöhen bzw. einen Schutz gegen den Austritt von Streulicht bei halogenbeheizten Kochsystemen bieten sollen. Allerdings werden in dieser Schrift keinerlei Angaben über die Festigkeit der so beschichteten Kochfläche gemacht. Es handelt sich dabei allerdings gerade bei diesem Verfahren um eine besonders kritische Größe, da durch den Aufprall heißer Partikel auf der Oberfläche der Glaskeramik die Festigkeit sehr stark reduziert werden kann. Zusätzlich ist mit diesem Verfahren nur eine eingeschränkte Farbwahl möglich, da zwar Farbpigmente der eigentlichen Beschichtungsmatrix beigemischt werden können, das alleinige Spritzen von Pigmenten aber aufgrund der hohen Schmelzpunkte dieser Stoffe nicht möglich ist. Mit diesem Verfahren ist also lediglich eine gewisse Schattierung, ein gewisses Abtönen der Schichten erzielbar.

Nach dem Stand der Technik sind also bei der Beschichtung einer Glaskeramikplatte verschiedene Beschichtungsansätze für die Erzielung verschiedener optischer Eindrücke wie farbig, mischfarbig, metallfarbig, schwarz erforderlich. Insbesondere für den metallischen Eindruck einer Unterseitenbeschichtung ist oft die Kombination verschiedener Beschichtungsmethoden (Siebdruck, Vakuumbeschichtungsmethoden) notwendig. Stellenweise kann der gewünschte Eindruck nur durch ein genaues Abstimmen von vollflächiger Oberseiten- und Unterseitenbeschichtung erfolgen. Ebenso ist die Erzeugung der gewünschten Blickdichte in einem einzigen Beschichtungsschritt nicht möglich und oft auch nur durch die Kombination von Oberseiten- und Unterseitenbeschichtung einstellbar.

Dies gilt auch für die eingangs beschriebenen Sol-Gel-Schichten, die mit unterschiedlichsten Pigmenten bzw. Mischungen davon eingefärbt sind. Ohne besondere Maßnahmen hinsichtlich der Zusammensetzung der Sol-Gel-Lösung und der Darstellung der Farbe durch die Pigmente sowie der Aufbringung der Farb-Sol-Gel-Schicht auf die Oberfläche der Glaskeramikplatte, lassen sich die vorbeschriebenen Nachteile nicht vermeiden.

Der Stand der Technik auf dem Feld der Sol-Gel-Schichten gibt dazu ebenfalls keine Hinweise, die zur Lösung der Probleme geeignet wären. Die WO 96/29447 beschreibt pigmentierte Sol-Gel-Schichten für die Anwendung bei hohen Temperaturen auf Glas, Keramik oder Metall. Hier werden verschiedene Sole mit verschiedenen Farbpigmenten kombiniert, um Funktionsschichten z.B. gegen Abrasion von Werkzeugen zu erhalten. Dabei gibt es allerdings kein Sol, das mit allen verwendeten Partikeln kompatibel wäre, auch ist keine Mischung der verwendeten Partikel beschrieben. Zusätzlich wird nicht die Beschichtung von Glaskeramik beschrieben. Als größte Schichtdicke bei einmaligem Schichtauftrag werden 6 μm angegeben; um höhere Schichtdicken von z.B. 10 μm Dicke zu erzielen, muss der Schichtauftrag mehrfach wiederholt werden. Die Sol-Gel-Schicht wird dabei bei Temperaturen bis zu 1000°C ausgebrannt und dadurch an die Substratoberfläche angeschmolzen, was bei Glas/Glaskeramikplatten zu einer Reduzierung ihrer Festigkeit führen würde.

Es besteht daher für die Beschichtung von thermisch stark belasteten Glas/Glaskeramikplatten Bedarf an einem Beschichtungsansatz, der verschiedene Farbeindrücke in einem wirtschaftlichen Verfahren und möglichst nur einem Beschichtungsschritt in einer blickdichten Qualität auf Glas/Glaskeramikplatten liefert und dabei eine hohe Flexibilität in Farbgebung und Design bietet, die Festigkeit der Glas/Glaskeramikplatte auch nach der Beschichtung gewährleistet und sich für den Auftrag sowohl auf genoppte als auch beidseitig glatte Glas/Glaskeramikplatten eignet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die eingangs bezeichnete beschichtete Glas/Glaskeramikplatte sowie das zugehörige Herstellverfahren hinsichtlich der Beschichtung so auszubilden, dass sie den vorgenannten Bedingung gerecht wird.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt bei einer transparenten, nicht eingefärbten, Glas/Glaskeramikplatte, die betrieblich hohen thermischen Belastungen ausgesetzt ist und die ganzflächig oder partiell eine blickdichte farbige, hochtemperaturstabile Beschichtung in Form einer mit farbgebenden Pigmenten versehenen organischen/anorganischen Netzwerkstruktur aufweist, gemäß der Erfindung dadurch, dass in der Netzwerkstruktur zusätzlich Füllstoffpartikel eingebettet sind und die Beschichtung keine Anschmelz-Reaktionszone zur beschichteten Oberfläche der Glaskeramikplatte aufweist.

Verfahrensmäßig gelingt die Lösung der Aufgabe durch ein Verfahren zum Beschichten einer transparenten, nicht eingefärbten Glas/Glaskeramikplatte, die betrieblich hohen thermischen Belastungen ausgesetzt ist, mit einer blickdichten farbigen, hochtemperaturstabilen Beschichtung, mit den Schritten

– Herstellen einer reaktiven organischen/anorganischen Netzwerkstruktur aus vorgegebenen Komponenten,
– Einbringen von Farbpigmenten und Füllstoffpartikeln in einem vorgegebenen Mengenverhältnis in die organische/anorganische Netzwerkstruktur und/oder in deren Komponenten
– Auftragen der mit den Farbpigmenten und Füllstoffpartikeln versehenen organischen/anorganischen Netzwerkstruktur als farbige Beschichtung auf die Glas/Glaskeramikplatte und
– Einbrennen der aufgebrachten farbigen Schicht bei thermischen Bedingungen, die keine Anschmelz-Reaktionszone zwischen der farbigen Schicht und der beschichteten Oberfläche der Glas/Glaskeramikplatte aufweist.

Grundlage der erfindungsgemäßen Farbschicht ist somit ein Beschichtungsansatz, der nach dem Auftragen auf die Glas/Glaskeramikplatte eine reaktive organische/anorganische Netzwerk-Struktur mit Poren, eine sogenannte Beschichtungsmatrix bildet, in welche die Farbpigmente einerseits und die Füllstoffe andererseits reaktiv eingebettet sind und die reaktiv an der Plattenoberfläche haftet.

Neben anderen Möglichkeiten zur Ausbildung einer solchen Netzwerkstruktur bietet insbesondere ein typischer Beschichtungsansatz mit einer Sol-Gel-Lösung die Basis für die erfindungsgemäße Farbbeschichtung.

Die Sol-Gel-Methode ist bekanntlich eine Methode, mit der mechanisch beständige Metalloxid-Schichten hergestellt werden können. Dabei wird eine Reaktion von metall-organischen Ausgangsmaterialien im gelösten Zustand für die Ausbildung der Schichten ausgenutzt. Durch eine gesteuerte Hydrolyse und Kondensationsreaktion der metallorganischen Ausgangsmaterialien baut sich eine typische Metalloxid-Netzwerkstruktur, d.h. eine Struktur, in der die Metallatome durch Sauerstoffatome miteinander verbunden sind, auf, einhergehend mit der Abspaltung von Reaktionsprodukten wie Alkohol und Wasser. Es folgt ein sorgfältiges Trocknen und typischerweise ein Ausbrennen der auf das Substrat aufgebrachten Sol-Gel-Lösung, um unerwünschte Reaktionsprodukte und/oder verbliebene organische Komponenten aus der gewünschten festen Schicht zu entfernen. Bei diesem Entfernen der Reaktionsprodukte und der organischen Komponenten entstehen Blasen, die zu Hohlräumen, d.h. Poren in der Sol-Gel-Schicht führen, die dieser eine gewisse Porosität verleihen.

Während der Hydrolyse, Kondensation und Trockenphase geht dabei die Sol-Gel-Lösung aus der flüssigen Phase in eine gel-förmige Phase und schließlich unter Bildung der gewünschten festen Schicht in eine feste Phase über.

Wird mit dem Sol-Gel-Ansatz unter alleiniger Verwendung von Farbpigmenten in einem einzigen Auftrag, was herstellungsmäßig anzustreben ist, eine dicke Schicht von beispielsweise 30 μm, die notwendig ist, um die geforderte Blickdichtheit zu gewährleisten, auf die Glas/Glaskeramikplatte aufgebracht, so entstehen beim Austreiben der Reaktionsprodukte und der organischen Komponenten, insbesondere der Alkohole aus dem unteren Schichtteil in den darüberliegenden Schichtteilen relativ großvolumige Hohlräume (Poren), die auch zu Verwerfungen der Pigmentstrukturen in der Schicht im Sinne von Aufwölbungen führen, insbesondere wenn es sich um blättrige, langgestreckte Pigmente, wie Glitzerpigmente, speziell Glimmerpigmente, z.B. Iriodin, handelt. Diese Effekte beeinträchtigen massiv die mechanische Beständigkeit der aufgebrachten Farbschicht, d.h. ihre Abriebfestigkeit sowie ihre Beständigkeit gegen thermomechanische Belastungen (Schwingungen).

Ferner entwickeln dicke Farbschichten stärkere mechanische Kräfte bei thermischen Wechselbelastungen, die aufgrund des größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten zu dem Glas- bzw. Glaskeramikmaterial zu mechanischen Spannungen in der beschichteten Platte führen und deren mechanische Festigkeit negativ beeinträchtigen, insbesondere auch deshalb, weil typischerweise nach dem Stand der Technik die Sol-Gel-Farbschichten bei relativ hohen Temperaturen ausgebrannt werden, was zu einem Anschmelzen der Farbschicht an die beschichtete Plattenoberfläche, d.h. zu einem starren Stoffschluß führt.

Deshalb lehrt der einschlägige Stand der Technik (JP 2003-168548 A), bei Glaskeramikplatten für Kochflächen zur Erzielung der notwendigen Blickdichtheit zwei Schichten aufzutragen, mit einer dünneren Schicht im heißen Kochzonenbereich.

Um in einem einzigen Auftrag eine dicke Farbschicht ohne die vorgenannten nachteiligen Konsequenzen auftragen zu können, werden erfindungsgemäß Füllstoffpartikel in die Beschichtungsmatrix, vorzugsweise in die Sol-Gel-Netzwerkstruktur, eingebaut, die typischerweise kleiner als die Farbpigmente sind. Diese Füllstoffpartikel füllen quasi die Hohlräume zwischen den Farbpigmenten aus. Die Kontur der Füllstoffpartikel ist vorzugsweise kugelig wie bei pyrolytisch abgeschiedenem SiO₂, damit der „Befüllungsgrad" möglichst hoch ist. Sie können auch eine andere Struktur haben jedoch möglichst keine Blättchenstruktur. Die eingebrachten Füllstoffpartikel ermöglichen es daher, weniger Sol-Gel-Masse pro Volumen in die Farbschicht einzubringen, was eine geringere Ausgasung bedingt, wodurch die erfindungsgemäße Schicht feinporiger ist. Die Füllstoffpartikel richten die Farbpigmente sozusagen aus, die im übrigen durch die geringe Ausgasung praktisch nicht aufgewölbt werden.

Wie Elektronenmikroskop-Aufnahmen zeigen, sind Farbpigmente und Füllstoffpartikel regelmäßig in der Sol-Gel-Netzwerkstruktur eingebunden, d.h. die Sol-Gel-Struktur umgibt sowohl die Füllstoffpartikel als auch die Farbpigmente, und ist aufgrund der ursprünglichen Reaktivität des Sol-Gels mit diesen reaktiv verbunden. Die erfindungsgemäß hergestellte Farbschicht ist daher auch in großer Schichtstärke, außerordentlich mechanisch beständig, so daß sie auch die Funktion einer Schutzschicht gegen mechanisches Verkratzen dienen kann.

Der erfindungsgemäße Beschichtungsansatz ermöglicht es daher, bei einer einzigen Beschichtungsmatrix unterschiedliche Farbpigmente, d.h. Mischfarben in großer Variationsbreite, aufgrund der ausgleichenden Füllstoffpartikel einzusetzen.

Da die erfindungsgemäße Farbschicht nicht starr an die Plattenoberfläche angeschmolzen ist, sondern allein chemisch-reaktiv mit ihr verbunden ist, was eine ausreichend sichere Haftung gewährleistet, beeinträchtigt auch eine ganzflächig aufgebrachte dicke Farbschicht praktisch insoweit nicht die Festigkeit der Glas/Glaskeramikplatte, weil insbesondere auch die Unterschiede im thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen Schicht und Platte durch die hohe Feinporosität der Farbschicht aufgefangen werden können. Die erfindungsgemäße Schicht ist daher abrieb- und haftfest sowie hochtemperaturstabil, und es kommt selbst bei einer vollflächigen Unterseitenbeschichtung nicht zu einer Festigkeitsreduktion der beschichteten Platte, auch nicht bei einer in einem einzigen Auftrag aufgebrachten dicken Schicht von ca. 30 μm.

Im folgenden wird die Beschichtung einer Glaskeramikplatte mit einer Sol-Gel-Farbschicht als Beschichtungsmatrix beschrieben, was zwar eine sehr vorteilhafte Ausführungsform darstellt, die Erfindung dennoch nicht darauf beschränken soll, da auch andere organische/anorganische Netzwerk-Strukturen denkbar sind.

Im ersten Schritt erfolgt das Herstellen einer Sol-Gel-Lösung. Für die Herstellung einer Sol-Gel-Beschichtungsmatrix eignen sich prinzipiell alle bekannten Sole, wie TiO₂- oder ZrO₂ basierte Systeme. Besonders bevorzugt wird mit SiO₂-basierten Solen gearbeitet. Die Zusammensetzung des Sols entspricht dabei der eines Standard-Sols, wie es auch für die Herstellung dünner, optischer Schichten mit der Sol-Gel-Technik verwendet wird. Als Si-Precursor wird dabei vorzugsweise Tetraethylortho-Silikat (TEOS) oder Derivate davon benutzt, als weitere Precursoren werden Wasser, HCl und verschiedene organische Lösungsmittel wie Propanol verwendet. Die genaue Zusammensetzung des Sols kann dabei in weiten Grenzen variiert werden. Generell eignen sich als Si-Precursoren Silane oder Siloxane.

In das so hergestellte Sol werden Pigmente, d.h. Farbkörper in bestimmten Mengen zugegeben. Die genaue Menge variiert dabei je nach dem verwendeten Farbkörper. Außerdem werden Füllstoffpartikel in bestimmten Mengen zugegeben, abhängig von der Menge der Farbpigmente.

Die Farbkörper und/oder die Füllstoffartikel können auch mindestens einem der Precursoren beigemischt werden.

Die so entstandene Farbe wird auf die Glaskeramikplatte aufgetragen. Dafür können verschiedene Methoden zum Einsatz kommen. Die Farbe kann gepinselt, getaucht oder gesprüht werden, wobei sich für viele Anwendungen das Sprühen als Beschichtungsmethode empfiehlt. Ein sehr einfaches Aufbringen der Farbschicht, auch beispielsweise in Form eines Rasters, kann durch Siebdruck erfolgen. Anschließend an den Auftrag erfolgt das Trocknen der Farbe. Dies kann an Raumluft mit einer Dauer von etwa einer halben Stunde, aber auch bei erhöhter Temperatur (z.B. 50°C) in nur wenigen Minuten erfolgen. Der anschließend erfolgende Einbrand kann bei verschiedenen Temperaturen erfolgen. Besonders bevorzugt ist eine Temperung bei 180°C für 20 min; allerdings sind auch kürzere Temperungen ohne Einbußen der Schichtperformance möglich.

Da an der Unterseite von Kochflächen Feuchtigkeit entsteht, könnte diese in die poröse Farbschicht eindringen und Farbverfälschungen hervorrufen. Daher wird vorzugsweise auf die Oberfläche der Farbschicht noch eine fett- und wasserundurchlässige, äußere Siegelschicht aufgetragen. Die Siegelschicht kann transparent oder eingefärbt sein (von schwarz bis weiß), und ganzflächig oder nur partiell in kritischen Zonen aufgebracht sein.

Die erfindungsgemäßen Maßnahmen bewirken daher zusammengefasst eine Reihe von Vorteilen:
Ganzflächige Schicht auf Glas/Glaskeramik ohne kritische Reduktion der Festigkeit auch bei hohen Temperaturen: Durch die hohe Feinporosität der Farbschicht können Unterschiede im Ausdehnungskoeffizienten zwischen Schicht und Platte abgepuffert werden, so dass das Auftreten von thermischen Spannungen verhindert bzw. minimiert werden kann. Die nach dem oben beschriebenen Verfahren hergestellten Schichten können somit ganzflächig auf eine Glas/Glaskeramikplatte, auch als Unterseitenbeschichtung, aufgebracht werden. Auch bei Temperaturen, die bei Dauerbetrieb einer Kochfläche auftreten (z.B. 700°C für 10 h) ist noch eine ausreichende Haftfestigkeit der Schicht auf dem Substrat gegeben.

Blickdichte Schichten: Während bei glasflussbasierten Schichten in der Regel ein Kompromiss zwischen Schichtdicke (= Blickdichte der Schicht) und Reduktion der Festigkeit durch die Schicht eingegangen werden muss, kann bei den erfindungsgemäß hergestellten Schichten eine vollständig blickdichte Schicht hergestellt werden, ohne dass es zu einer kritischen Reduktion der Festigkeit kommt. Bei besonders gut eingestellten Systemen kann keinerlei Reduktion der Festigkeit gegenüber den unbeschichteten Platten festgestellt werden, selbst nicht nach massiver Temperaturbeaufschlagung der beschichteten Platten.

Baukastensatz für viele verschiedene Farben: Das oben beschriebene Verfahren zur Herstellung von Sol-Gel-basierten partikelgefüllten Schichten ist im Prinzip bekannt. Dabei wird allerdings beschrieben, dass nicht alle Sole mit allen Füllstoffen oder Partikeln in geeigneter Weise kompatibel sind und deswegen eine solche Beschichtung nicht hergestellt werden kann. Es sind nach dem Stand der Technik also verschiedene Sole für verschiedene Füllstoffe nötig. Mit dem erfindungsgemäßen Prinzip ist es möglich, viele verschiedene Farben basierend auf nur einem einzigen Sol herzustellen, indem in geeigneter Weise Farbkörper und Füllstoffpartikel gemischt und in das Sol gegeben werden.

Niedrigere Einbrandtemperaturen: Bei den glasflussbasieren Schichten, die bislang für eine dekorative Beschichtung auf Glaskeramik eingesetzt werden, sind hohe Einbrandtemperaturen nötig. Auch bekannte Sol-Gel-Farbschichten werden bei hohen Temperaturen eingebrannt. Im Gegensatz dazu ist bei den erfindungsgemäßen Schichten nach einer kurzen Trocknung bei leicht erhöhten Temperaturen und einem Einbrand bei ca. 200°C nach wenigen Minuten bereits eine haftende, grifffeste Schicht entstanden, die alle weiteren Belastungen und alle Anforderungen an z.B. eine Unterseitenbeschichtung für eine Kochfläche ebenso besteht wie höher eingebrannte Schichten, d. h. auch genügend abriebfest ist.

Einfaches Auftragsverfahren: Der Auftrag der Schichten erfolgt vorzugsweise durch Sprühen und eignet sich somit gleichermaßen für glatte als auch für genoppte Oberflächen. Das Einstellen der Schichtdicke erfolgt dabei einfach durch die Regelung der Substratbewegung beim Sprühen, so dass der Auftrag in blickdichter Qualität zweckmäßigerweise bereits durch einmaligen Auftrag erfolgen kann. Mehrfachbeschichtungen sind nicht notwendig, allerdings möglich, wenn dies z.B. für eine Unterseiten-Kochzonenmarkierung notwendig ist.

Fehlen einer Reaktionszone: Durch die sehr niedrige Einbrandtemperatur wird das Glas/die Glaskeramik nicht angegriffen, was sich insbesondere durch das Fehlen einer Reaktionszone (teilweises Anschmelzen der Oberfläche des Glases/der Glaskeramik) zeigt. So kommt es zu keiner kritischen Festigkeitsreduktion des Glases der Glaskeramik. Die spezielle Zusammensetzung des Sols, bewirkt aber auch bei diesen geringen Einbrandtemperaturen eine ausreichende Haftfestigkeit.

Ausführungsbeispiele
Zunächst wurde ein Sol der folgenden Zusammensetzung angerührt:

– 40–60 g TEOS Tetra-Ethyl-Ortho-Silikat
– 20–50 g n-Propanol
– 18–26 g Wasser
– 2–6 g konzentrierte HCl

Zusätzlich wird Ethylenglykol zur Einstellung der Viskosität des Sols dazugegeben.
TEOS-basierte Sole eignen sich besonders gut als Beschichtungsmatrix der erfindungsgemäßen Sol-Gel-Beschichtung.
In dieses Sol wurden einzeln oder in Kombination verschiedene Farbpigmente gegeben, z.B.

– spinellbasierte Pigmente (BASF Sicocer F 2555; Magnesium-Aluminium-Spinell)
– oxidische Pigmente (Bayferrox 110, 220; Chromoxidgrün GN; TiO₂ u.a.)
– zirkonbasierte Pigmente (BASF Sicocer F 2255, 2355, 2360).

Zur Erzeugung eines Metallglanzes in der Farbe wird vorzugsweise ein Glitzerpigment, vorzugsweise ein Glimmerpigment, z.B. Iriodin, verwendet.
Das Mischverhältnis Pigment/Sol der Farbe beträgt üblicherweise 1 : 1 bezogen auf das Gewicht. Allerdings kann davon abgewichen werden, um eine optimal verarbeitbare Beschichtungslösung zu erhalten bzw. um dem Pigmenttyp Rechnung zu tragen. Bei bestimmten, gut deckenden Pigmenten kann der Anteil von 50 auf ca. 20 Gew.-% reduziert werden.
Zusätzlich zu den Farbpigmenten werden Füllstoffpartikel dazugegeben, die zu einer Feinporosität der Schicht führen. Als Füllstoffe geeignet sind beispielsweise Talkum, Kalziumcarbonat und Bariumsulfat. Im besonderen Maße eignet sich pyrolytisch abgeschiedenes SiO₂ bzw. TiO₂ als Füllstoff, da es eine kugelige Struktur hat und daher „geometrisch" im besonderen Maße geeignet ist, die Hohlräume, d.h. die relativ großvolumigen Poren in der Sol-Gel-Netzwerkstruktur bzw. die Räume zwischen den Farbpigmenten auszufüllen, d.h. eine Feinporosität zu erzeugen. Dies gilt im besonderen Maße bei Glimmer-Farbpartikeln (Iriodin), die beispielsweise zur Erzielung eines Metallglanzes eingesetzt werden und eine blättrige Struktur haben.
Die nach den Ausführungsbeispielen hergestellten Muster zeigten die erwarteten Ergebnisse hinsichtlich Blickdichtheit, mechanischer Beständigkeit und des vernachlässigbaren Einflusses auf die Festigkeit des Substrats.
Die erfindungsgemäßen Farbschichten eignen sich im besonderen Maße als farbige Unterseitenbeschichtung einer transparenten Glaskeramikplatte mit der Anwendung als Kochfläche. Dabei können die Kochzonen der Kochfläche nicht nur elektrisch strahlungsbeheizt, sondern auch induktiv- oder gasbeheizt sein, insbesondere durch atmosphärische Gasbrenner, wie konventionelle Topfbrenner, Brennermatten oder sogenannte Ringbrenner.
Aber auch Backofen- oder Kamintüren bzw. Lampenabdeckungen aus Glaskeramikmaterial können mit der erfindungsgemäßen Farbe ganz oder partiell beschichtet werden.
Die erfindungsgemäß beschichteten Glas-/Glaskeramikplatten sind zwar in gewünschter Weise in Draufsicht blickdicht, haben jedoch infolge der Streuwirkung durch die eingebetteten Partikel transluzenten Charakter. Sie sind daher trotz Blickdichtheit von der betrieblichen Unterseite beleuchtbar, d.h. bilden eine Art Projektionsfläche für Markierungen, z.B. der Kochzonen, für Dekore, z.B. dem Firmenlogo und Anzeigen, z.B. der Restwärmeanzeige. Die Beleuchtung kann ein- oder mehrfarbig sein und auch im Heißbereich, d.h. den Kochzonen bzw. -stellen vorgesehen werden. Sie kann statisch oder bewegt ausgebildet sein, z.B. durch die Bewegung von optischen Komponenten.

Claims

Transparente, nicht eingefärbte, Glas/Glaskeramikplatte, die betrieblich hohen thermischen Belastungen ausgesetzt ist und die ganzflächig oder partiell eine blickdichte, farbige hochtemperaturstabile Beschichtung in Form einer mit farbgebenden Pigmenten versehenen organischen/anorganischen Netzwerkstruktur aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass in der Netzwerkstruktur zusätzlich Füllstoffpartikel eingebettet sind und die Beschichtung keine Anschmelz-Reaktionszone zur beschichteten Oberfläche der Glaskeramikplatte aufweist.
Glas/Glaskeramikplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die organische/anorganische Netzwerkstruktur durch eine Sol-Gel-Netzwerkstruktur gebildet ist.
Glas/Glaskeramikplatte nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung eine Schichtstärke im Bereich von 4μm–100μm, vorzugsweise im Bereich von 15μm-30μm aufweist.
Glas/Glaskeramikplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllstoffpartikel kleiner als die farbgebenden Pigmente sind.
Glas/Glaskeramikplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllstoffpartikel eine abgerundete, insbesonders kugelige Struktur aufweisen.
Glas/Glaskeramikplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die farbgebenden Pigmente durch Glitzerpigmente, beispielsweise durch Glimmerpartikel, vorzugsweise Iriodin, gebildet sind.
Verfahren zum Beschichten einer transparenten, nicht eingefärbten Glas/Glaskeramikplatte, die betrieblich hohen thermischen Belastungen ausgesetzt ist, mit einer blickdichten farbigen, hochtemperaturstabilen Beschichtung, mit den Schritten – Herstellen einer reaktiven organischen/anorganischen Netzwerkstruktur aus vorgegebenen Komponenten, – Einbringen von Farbpigmenten und Füllstoffpartikeln in einem vorgegebenen Mengenverhältnis in die organische/anorganische Netzwerkstruktur und/oder in deren Komponenten, – Auftragen der mit den Farbpigmenten und Füllstoffpartikeln versehenen organischen/anorganischen Netzwerkstruktur als farbige Beschichtung auf die Glas/Glaskeramikplatte, und – Einbrennen der aufgebrachten farbigen Schicht bei thermischen Bedingungen, die keine Anschmelz-Reaktionszone zwischen der farbigen Sol-Gel-Schicht und der beschichteten Oberfläche der Glas/Glaskeramikplatte aufweist.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die reaktive organische/anorganische Netzwerkstruktur aus einem Sol-Gel hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem das Sol-Gel aus einem SiO₂-basierten Sol hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem für das SiO₂-basierte Sol als Ausgangsstoff Silane, oder Siloxane, vorzugsweise Tetraethylorthosilikat (TEOS) oder Derivate davon verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem als weitere Ausgangsstoffe Wasser, Säure und mindestens ein organisches Lösungsmittel verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, bei dem die Farbkörper und das Sol-Gel in gleichen Gewichtsteilen vermischt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, bei dem als neben den Farbpigmenten beigemischten Füllstoffpartikeln pyrolytisch abgeschiedenes SiO₂, TiO₂ Talkum, Kalzium-Carbonat oder Bariumsulfat verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 13, bei dem das farbige Sol-Gel auf die Glas/Glaskeramikplatte aufgesprüht oder per Siebdruck aufgedruckt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 14, bei dem die aufgetragene Sol-Gel-Farbschicht bei Raumtemperatur für die Dauer von mindestens 5 Minuten, vorzugsweise einer halben Stunde oder bei leicht erhöhter Temperatur von beispielsweise 50°C im Minutenbereich angetrocknet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 15, bei dem das Einbrennen der angetrockneten Sol-Gel-Farbschicht bei ca. 180°C für ca. 20 Minuten erfolgt.
Kochfeld, mit einer nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 6 ausgebildeten oder nach einem der Ansprüche 7 bis 16 beschichteten Glas/Glaskeramikplatte als Kochfläche.
Kochfeld nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die farbige Beschichtung auf der Unterseite der Glas/Glaskeramikplatte aufgebracht ist.
Kochfeld nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass auf der farbigen Beschichtung eine Fett- und Feuchtigkeit abweisende Siegelschicht aufgebracht ist.
Kochfeld nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Siegelschicht ganzflächig oder partiell aufgebracht ist.
Kochfeld nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Siegelschicht transparent oder eingefärbt ist.
Kochfeld nach einem der Ansprüche 17 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Kochzonen der Glas/Glaskeramikplatte elektrisch strahlungsbeheizt, induktiv oder gasbeheizt sind.
Kochfeld nach einem der Ansprüche 17 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Glas/Glaskeramikplatte von ihrer Unterseite aus partiell beleuchtbar ist.