DE19905697A1

DE19905697A1 - Verfahren zur Erzeugung von Haftschichten auf Oberflächen

Info

Publication number: DE19905697A1
Application number: DE1999105697
Authority: DE
Inventors: Roland Goebel
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-02-11
Filing date: 1999-02-11
Publication date: 2000-08-17

Abstract

Haftfeste SiO¶x¶-Schichten auf den Oberflächen von Metallen, Keramik, Glas und Kunststoffen werden durch Beflammen mit einem Brenngas-Gemisch erzeugt, das 0,1 bis 1,9 Gewichtsprozent, vorzugsweise 0,5 bis 1,0 Gewichtsprozent, einer siliziumorganischen Verbindung enthält. Die so erzeugten Haftschichten sind die Basis für haftfeste, feuchtestabile und hydrolysebeständige Verbunde mit Klebstoffen, Lacken und anderen polymeren Beschichtungen.

Description

Zum haftfesten Verbinden von Materialoberflächen mit Klebstoffen, Lacken und anderen polymeren Beschichtungen wurden in den letzten Jahren zahlreiche verschiedene Vorschläge gemacht.

Grundprinzip eines Teils dieser Verfahren ist es, daß in einem ersten Schritt eine silikatische Schicht auf die Oberfläche aufgebracht (Silikatisierung) und in einem zweiten Schritt die silikatisierte Oberfläche mit einem funktionellen Haftsilan behandelt wird (Silanisierung). Dabei stellt dieses Haftsilan, z. B. ein hydrolysierter Methacrylsäure-3- trimethoxysilylpropylester, das chemische Bindeglied zwischen der anorganischen Silikatschicht und der organischen Klebstoff oder Lackbeschichtung dar. Es kommt dabei einerseits zur Reaktion der Hydroxylgruppen des Haftsilans mit den Oberflächen- Hydroxylgruppen der Silikatschicht (Kondensationsreaktion), wodurch das Haftsilan chemisch an die Silikatschicht gebunden wird, während andererseits durch die funktionelle Gruppe, z. B. durch die Methacrylatgruppe, eine Anbindung an die Polymermatrix der organischen Beschichtung erfolgt. Die bekannten Verfahren unterscheiden sich durch die Methoden des unterschiedlichen Aufbringens der Silikatschicht, während das Aufbringen des Haftsilans bei allen Verfahren nahezu identisch ist.

Die US-PS 4364731 beschreibt ein Verfahren zum Aufbringen einer Siliziumdioxidschicht auf Dentallegierungen durch eine Hochfrequenz-Magnetron-Sputtervorrichtung.

Weiterhin ist in der DD-PS 276453 ein Verfahren beschrieben, bei dem eine Silikat- Chromoxid-Schicht durch eine Sol-Gel-Lösung auf die Metalloberfläche aufgebracht und durch einen nachfolgenden Temperprozeß (320°C, 2-8 min) verfestigt wird.

In der DE-PS 38 02 043 wird ein Verfahren beschrieben, bei dem die Silikatisierung durch einen Korundstrahlprozeß erfolgt, indem Strahlkorund eine gewisse Menge Siliziumdioxid einer mittleren Partikelgröße < 5 µm zugesetzt wird. Im Aufschlagbereich der Korundteilchen treten dabei örtlich Energiedichten auf, die ausreichend sind, die feinteiligen Silikatpartikel auf die metallische Oberfläche aufzuschmelzen.

Insbesondere in der DE-PS 2 32 429 wird ein Verfahren beschrieben, bei dem das Aufbringen der Silikatschicht auf Dentallegierungen durch einen Flammenhydrolyseprozeß mittels einer Propan-Luft-Flamme erfolgt. Über die Luftzuleitung, die mittels eines Kompressors erfolgt, wird das gasförmige Alkoxysilan (Tetraethoxysilan) in die Flamme transportiert. In der Flamme erfolgt sowohl die Hydrolyse des Alkoxysilans als auch die weitere Kondensation zu etwa 1 bis 10 nm großen Silikatpartikeln. Werden die zu beschichtenden Metalloberflächen durch die Flamme geführt, gelangen die Silikatpartikel auf die Oberfläche. Sie kondensieren bzw. verschmelzen dort sowohl mit der Metalloberfläche als auch untereinander und bilden so eine fest haftende silikatische Oberflächenschicht.

Ein apparativ vereinfachtes Verfahren der flammenhydrolytischen Oberflächensilikatisierung ist in der DD-PS 256151 beschrieben. Es benötigt jedoch zur Erzeugung fester Schichten den hohen Gehalt von 2% Tetraethoxysilan im Brenngas.

Die beschriebenen bekannten Verfahren sind entweder nicht für alle Materialoberflächen geeignet und/oder sie erfordern einen kostspieligen apparativen Geräte- bzw. Chemikalienaufwand.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein preiswertes Verfahren mit einem hohen technischen Effekt und einem geringen Chemikalienaufwand anzugeben, mit dem es gleichermaßen möglich ist, haftfeste, feuchtestabile und hydrolysebeständige Verbunde zwischen Metallen, Keramik, Glas und Kunststoffen mit Klebstoffen, Lacken und anderen polymeren Beschichtungen herzustellen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß einem Brenngas eine siliziumorganische Verbindung in einer Menge von 0,1 bis 1,9 Gewichtsprozent, vorzugsweise 0,5 bis 1,0 Gewichtsprozent, bezogen auf das Brenngas, zugemischt wird und gemeinsam mit dem Brenngas in einer Flamme zur Verbrennung gebracht und auf einer diese Flamme begrenzenden Oberfläche als festhaftende SiO_x Schicht abgeschieden wird.

Überraschend wurde gefunden, daß mit den erfindungsgemäßen Konzentrationen an siliziumorganischer Verbindung im Brenngas eine deutlich höhere Haftung der SiO_x Haftschichten auf den beschichteten Oberflächen erreicht werden kann als mit den in der Patentschrift DD 256 151 beschriebenen Oberflächenschichten. Darüber hinaus kann für die praktische Durchführung des Verfahrens der Verbrauch an siliziumorganischer Verbindung bei Anwendung der bevorzugten Konzentrationen auf 50 bis 25% gegenüber dem Stand der Technik gesenkt werden. Neben dem technischen Effekt der erhöhten Haftung der Haftschichten in Verbunden mit Klebstoffen, Lacken und anderen organischen und anorganisch-organischen Polymerbeschichtungen wird dadurch mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ein beträchtlicher ökonomischer und umweltschonender Effekt erreicht.

Die Zumischung der siliziumorganischen Verbindung zum Brenngas kann erfindungsgemäß in flüssiger Phase erfolgen. Durch geeignete und an sich bekannte Vorrichtungen für die Verdampfung des siliziumorganohaltigen Brenngas-Gemisches ist zu gewährleisten, daß die Konzentration der siliziumorganischen Verbindung in der Gasphase die erfindungsgemäßen Werte annimmt.

Siliziumorganische Verbindungen der erfindungsgemäßen Art sind Siliziumalkylverbindungen, z. B. Tetramethylsilan, oder Siliziumalkoxyverbindungen, z. B. Tetramethoxysilan, Tetraethoxysilan, oder Siliziumalkylalkoxyverbindungen, z. B. Dimethyldimethoxysilan, Vinyltriethoxysilan, oder geeignete Gemische derselben.

Als Brenngas werden erfindungsgemäß Alkane C_nH_2n+2 mit n = 1 bis 8, vorzugsweise n = 3 bis 5, oder ihre Gemische, z. B. Propan/Butan, verwendet.

Ausführungsbeispiele Beispiel 1

Aluminium-Probekörper werden mit Korund gestrahlt (Partikel-∅: 110 µm, Strahldruck: 3 bar) und anschließend mit einer Propan/Butan-Flamme, der in der Flüssigphase 0,5% Tetramethoxysilan zugesetzt wurde, behandelt. Die Behandlungszeit beträgt 5 sec/cm². Nach Abkühlen der Oberfläche auf Raumtemperatur wird diese mit einer Aminopropylsilan-Lösung bestrichen. Zylinder (∅ 5 mm) aus einer Nichteisenmetall-Legierung werden ebenso vorbehandelt und anschließend mit einem Bisphenol-A-Diglycidylether-Epoxid auf die Aluminium-Probekörper geklebt. Nach Aushärtung des Epoxids wird zur Bestimmung der Haftfestigkeit ein Scherversuch durchgeführt. Die gemessene Scherfestigkeit beträgt 15 MPa.

Vergleichsbeispiel

Mit Korund gestrahlte Aluminium-Probekörper werden ohne erfindungsgemäße Beflammung mit den vorbehandelten Nichteisenmetall-Zylindern verklebt wie in Beispiel 1 beschrieben. Beim Scherversuch wird eine Scherfestigkeit von 4 MPa gemessen.

Vergleichsbeispiel

Gesandstrahlte Aluminium-Probekörper werden gemäß DD 256 151 mit einer Propan/Butan- Flamme behandelt, der in der Flüssigphase 2% Tetramethoxysilan zugesetzt sind. Es wird ansonsten weiter verfahren wie in Beispiel 1 beschrieben. Die im Scherversuch ermittelte Scherfestigkeit beträgt 7 MPa.

Beispiel 2

Probekörper aus einer Nichteisenmetall-Legierung werden mit Korund gestrahlt (Partikel-∅: 110 µm, Strahldruck: 3 bar) und anschließend mit einer Propan/Butan-Flamme, der in der Flüssigphase 0,5% Tetramethoxysilan zugesetzt worden war, behandelt. Die Behandlungszeit beträgt 5 sec/cm². Nach Abkühlen der Oberfläche auf Raumtemperatur wird diese mit einer Aminopropylsilan-Lösung bestrichen. Zylinder (∅ 5 mm) aus einer Nichteisenmetall- Legierung werden ebenso vorbehandelt und anschließend mit einem Bisphenol-A- Diglycidylether-Epoxids auf die Nichteisenmetall-Probekörper geklebt. Nach Aushärtung des Epoxids werden die verklebten Probekörper in einem Autoklaven unter Wasser 1 Stunde lang auf 138°C erhitzt. Beim anschließend durchgeführten Scherversuch wird eine Scherfestigkeit von 13 MPa ermittelt.

Vergleichsbeispiel

Mit Korund gestrahlte Nichteisenmetall-Probekörper werden ohne erfindungsgemäße Beflammung mit den vorbehandelten Nichteisenmetall-Zylindern verklebt wie in Beispiel 2 beschrieben. Nach der Belastung der Verbundkörper im Autoklaven wird beim Scherversuch eine Scherfestigkeit von 3 MPa gemessen.

Vergleichsbeispiel

Mit Korund gestrahlte Nichteisenmetall-Probekörper werden gemäß DD 256 151 mit einer Propan/Butan-Flamme behandelt, der in der Flüssigphase 2% Tetramethoxysilan zugesetzt sind. Es wird ansonsten weiter verfahren wie in Beispiel 2 beschrieben. Die im Scherversuch ermittelte Scherfestigkeit beträgt 6 MPa.

Claims

1. Verfahren zur Erzeugung von Haftschichten auf Oberflächen, dadurch gekennzeichnet, daß einem Brenngas eine siliziumorganische Verbindung in einer Menge von 0,1 bis 1,9 Gewichtsprozent, vorzugsweise 0,5 bis 1,0 Gewichtsprozent, bezogen auf das Brenngas, zugemischt wird und gemeinsam mit dem Brenngas in einer Flamme zur Verbrennung gebracht und dabei auf einer diese Flamme begrenzenden Oberfläche als festhaftende SiO_x- Schicht abgeschieden wird.

2. Verfahren nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zumischung der siliziumorganischen Verbindung zum Brenngas in flüssiger Phase erfolgt.

3. Verfahren nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß als siliziumorganische Verbindung Siliziumalkylverbindungen, z. B. Tetramethylsilan, oder Siliziumalkoxyverbindungen, z. B. Tetramethoxysilan, Tetraethoxysilan, oder Siliziumalkylalkoxyverbindungen, z. B. Dimethyldimethoxysilan, Vinyltriethoxysilan, oder geeignete Gemische verwendet werden.

4. Verfahren nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Brenngas Alkane C_nH_2n+2, mit n = 1 bis 8, vorzugsweise n = 3 bis 5, oder ihre Gemische, z. B. Propan/Butan, verwendet werden.