DE19941752A1 - Fluoriertes Beschichtungsmaterial - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Beschichtungslösung mit wenigstens einem Fluoralkylsilan. Hierbei ist vorgesehen, daß das Lösungsmittel mindestens anteilsweise mindestens teilfluoriert ist.

Description

Beansprucht wird der Überschuß über den Stand der Technik für das beschriebene Verfahren und die neuartigen Stoffe in ihrer breitesten Form, die sich aus der nachfolgenden Be­ schreibung ergibt.

Beschreibung

Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit der Herstellung ei­ nes fluorierten Beschichtungsmaterials, einem fluorierten Be­ schichtungsmaterial an sich, sowie insbesondere mit einer die Reflektivität verändernden Beschichtung.

Beschichtungsmaterialien an sich sind bekannt. Eine bekannte Beschichtung wird auf Basis von Perfluoralkylsilanen herge­ stellt. Diese bekannte Beschichtung hat viele für Beschichtung­ en wünschenswerte Eigenschaften, wie Antihafteigenschaften usw. Nachteilig ist, daß die bekannten Beschichtungen auf Ba­ sis von Perfluoralkylsilanen bislang nur in sehr dünnen Schichtdicken auf Oberflächen aufgebracht werden (< 1-2 µm) können.

Ursächlich hierfür ist vermutlich ein Autophobie-Effekt, der bewirkt, daß die sich bildende Beschichtung weiteres Beschich­ tungsmaterial abstößt, welches andernfalls in die Beschichtung eingebaut werden könnte.

Zudem sind die bekannten Beschichtungen auch nicht völlig gleichmäßig aufzutragen, denn beim Überschreiten einer kriti­ schen Schichtdicke zieht die sich bildende Schicht zu Tropfen bzw. Tränen zusammen und läuft ab. Dies erfolgt etwa in der gleichen Weise wie das Auftreten von "Tränen" am Rande mit hochprozentigem Schnaps gefüllter Gläsern.

Dieses Verhalten ist als Marangonie-Effekt bekannt. Es hängt damit zusammen, daß die Lösungsmittel aus der sich bildenden Schicht heraus verdampfen und dabei im sich bildenden Film In­ homogenitäten entstehen, die zu einer Aufkonzentration der Fluorsilankomponente führt. Da die typischen Lösungsmittel wie Alkohole, Ether oder auch Wasser polar sind, findet dann ein Massentransport zum Ausgleich von Polaritäten statt. Dabei kann die sich bildende Beschichtung sogar lokal reißen oder auf andere Weise zerstört bzw. gestört werden.

Es ist damit im Stand der Technik praktisch unmöglich, Be­ schichtungen mit Fluorsilankomponenten zu erzeugen, die eine bestimmte Dicke überschreiten.

Die Beschichtungen mit Fluoralkylsilanen im Stand der Technik weisen aber weitere Nachteile auf. So wird in der Regel durch sterische Behinderung der Fluoralkylsilane eine nur schlechte Vernetzung erzielt; bisher bekannte Fluorsilanhydrolysate, die bei Raumtemperatur auf Oberflächen aufgebracht werden, vernet­ zen nur sehr unvollständig und können daher noch viele freie Silanolgruppen enthalten, was die Antihafteigenschaften ver­ schlechtern.

Zudem sammeln sich die autophoben Fluorkomponenten an der Oberfläche der Beschichtung. Hier sind zwar die Konzentratio­ nen hoch, aber die tatsächlich fluorhaltige Schicht kann uner­ wünscht schnell etwa durch Reiben abgtragen werden.

Die vorliegende Erfindung zielt darauf, Neues für die gewerb­ liche Anwendung bereitzustellen.

Dieses Ziel wird erreicht unter Zugrundelegung der überra­ schenden Beobachtung, daß Kondensate aus Fluoralkylsilanen, selbst ohne jegliche Stabilisierung durch weitere organische oder anorganische Moleküle oder Ionen, in einem mindestens teilfluorierten Lösungsmittel gelöst und dann sehr homogen, gleichmäßig und vor allem dick auf praktisch beliebige Ober­ flächen aufgebracht werden können.

Insbesondere war es überraschend, daß auch Fluorsilanenkonden­ sate mit hoher Molmasse aufgelöst werden können. Solche Fluor­ silanenkondensate mit hoher Molmasse können insbesondere durch Erhitzen eines Fluorosilanhydrolysats auf Temperaturen bis über 300°C erhalten werden; sogar diese Fluorsilankondensate werden also noch durch die mindestens teilfluorierten Lösungs­ mittel aufgelöst.

Es wurde erkannt, daß bei Verwendung eines teilfluorierten Lö­ sungsmittels auch bei sehr dicken Beschichtungen die von ande­ ren Lösungsmitteln her bekannten Verlaufsstörungen völlig un­ terbleiben und ein homogener gleichmäßiger Film erhalten wer­ den kann, der insbesondere eine hohe optische Qualität besitzt.

Werden diese Lösungen auf beliebigen Oberfläche aufgetragen, so verdampft das teilfluorierte Lösungsmittel und es bleibt ein Fluoralkylsilankondensat zurück; dieses hat ausgezeichnete Antihafteigenschaften.

Man kann also eine Beschichtung bei Raumtemperatur auftragen, die praktisch die gleiche Struktur aufweist wie eine bei 300° C getemperte Beschichtung, indem man den thermischen Verdich­ tungsschritt quasi vorwegnimmt und das erhaltene Material in dem speziellen Lösungsmittel auflöst.

Die erhaltenen Beschichtungen sind besonders geeignet als An­ tihaftmaterialien, die bei Raumtemperatur aufgetragen werden können und dennoch sehr gut haften. Der einleitend beschriebe­ ne Nachteil bekannter Fluorsilanhydrolysate, wonach durch ste­ rische Behinderung die Vernetzung schlecht und nur sehr un­ vollständig ist und daher noch viele, die Antihafteigenschaf­ ten verschlechternde freie Silanolgruppen vorliegen, wird also gleichfalls überwunden.

Zudem erhält man durch das beschriebene Verfahren selbst auf temperaturempfindlichen Substraten eine Fluoralkylsilanbe­ schichtung, wie sie sonst z. B. nur durch Tempern bei über 300°C erhalten werden könnte.

Ein weiterer Vorteil der erhaltenen Beschichtungen mit hoher Dicke ist der im Vergleich zu Glas oder gängigen transparenten Polymeren sehr niedrige Brechungsindex von Kondensaten aus Fluoralkylsilanen.

Bei ausreichend hoher Schichtdicke kann somit durch eine er­ findungsgemäße Beschichtung auch ein Antireflexeffekt erzielt werden, wie er ansonsten typisch nur durch Multilayerstruktu­ ren mit extrem präzise einzuhaltenden Schichtdicken erreicht werden kann.

Bei der Beschichtung zur Erzielung eines Antireflexeffektes ist besonders günstig, daß das Material als eine einzige Schicht aufgetragen wird, und die Dicke der Beschichtung zur Erzielung der Antireflexwirkung zumindest weitgehend unerheb­ lich ist.

Es ist einzuschätzen, daß eine solche Beschichtung insbesonde­ re bei Solaranlagen eine sinnvolle Anwendung findet. Hier kann einerseits eine Effizienzsteigerung der Solaranlage durch Veringerung der Reflexionsverluste schützender Abdeckungen er­ halten werden, andererseits können durch den Antihafteffekt Verschmutzungen der Abdeckung oder von Reflektoren vermieden werden, was gleichfalls zu einer deutlichen Steigerung des Wirkungsgrades beiträgt. Dies gilt insbesondere dort, wo Licht gebündelt werden soll, aber durch Staubentwicklung in der Um­ gebung die Reflektoren schnell verschmutzen. Ein typisches Beispiel hierfür sind großflächige Sonnenkraftwerke in ariden und Wüstengebieten, aber auch bei herkömmlichen häuslichen So­ laranlagen können sich positive Effekte ergeben.

Es ist einzuschätzen, daß als Lösungsmittel für die vorliegen­ de Erfindung ein vollfluoriertes Lösungsmittel Verwendung fin­ den kann, z. B. C₂F₆ oder höhere Homologe. Weiter ist einzu­ schätzen, daß als Lösungsmittel für die vorliegende Erfindung Fluor-Chlorsubstuierte Strukturen einsetzbar sind, etwa Frige­ ne.

Gleichfalls können Ester und Ketone als Lösungsmittel Verwen­ dung finden. So haben sich in einem praktischen Ausführungs­ beispiel Hydrofluorether bewährt. Insbesondere mit Nonafluor­ butylmetylether und Nonafluorbutylethylether wurden hervorra­ gende Ergebnisse erzielt. Hier ist auffällig, daß praktisch keine Mischungslücke besteht, d. h. die Lösungsmittel sind in jedem beliebigen Mischungsverhältnisse mit den die eigentliche Beschichtung bildenden Fluoralkylsilanen mischbar. Dies ist womöglich deshalb wichtig, weil die Mischungslückenfreiheit verhindert, daß nach partiellem Abdampfen oder partieller Ver­ flüchtigung des Lösungsmittels während der Beschichtung der sich bildende Film etwa deswegen reißt, weil die Fluoralkylsi­ lanen nicht gleichmäßig genug in die Beschichtung gelangen.

Es konnte weiter beobachtet werden, daß nach dem Auflösen des Fluoralkylsilankondensats in dem Hydrofluorether noch weitere Lösungsmittel wie z. B. Alkohole, Etheralkohole, Aceton u. ä. zugegeben werden können, ohne daß das Kondensat noch einmal ausfällt. Der Anteil des ganz oder teilfluorierten Lösungsmit­ tels am Gesamtfluidanteil in einer Beschichtungslösung kann demnach zwar 100% betragen, aber auch darunter liegen. Um die Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden, werden aber typisch zumindest 20% des ganz oder teilfluorierten Lösungs­ mittels eingesetzt und insbesondere bevorzugt wenigstens 50%.

Die Erfindung wird im folgenden an einem Beispiel beschrieben:

510 g von 1H,1H,2H,2H-Tridekafluoroctyltriethoxysilan werden in 200 ml Isopropanol gelöst und anschließend werden 50 g 1 N Salz­ säure unter intensiven Rühren zugetropft.

Nach 2 Stunden Reaktionszeit wird das Reaktionsgemisch auf 60°C erwärmt und es wird unter Rühren Wasser zugetropft, bis eine Phasentrennung auftritt. Nach dem Abkühlen wird das Reak­ tionsgemisch in einem Scheidetrichter mit weiteren 500 g Was­ ser versetzt und nach kräftigen Schütteln stehen lassen, bis sich die beiden Phasen komplett voneinander separiert haben.

Die untere Phase wird abgetrennt und in einem Dreihalskolben im Ölbad mit angeschlossenem Wasserabscheider 30 Minuten bei 260°C gerührt.

Es resultiert ein glasklares, bei Raumtemperatur zähflüssiges Harz, welches dann in 5 kg Nonafluorbutylethylether aufgenom­ men wird.

Diese Beschichtungslösung kann nun zum Aufbringen einer Anti­ haftschicht auf nahe zu beliebigen Substraten genutzt werden. Eine mit Isopropanol vorgereinigte Glasplatte wird mit dem Be­ schichtungsmaterial beidseitig geflutet und bei Raumtemperatur 1 Stunde getrocknet. Es resultiert eine Öl- und wasserabwei­ sende Schutzschicht, die dem Glas verglichen mit einer unbe­ schichteten Stelle ein Antireflexverhalten verleiht.

Claims (9)

1. Beschichtungslösung mit wenigstens einem Fluoralkylsilan, dadurch gekennzeichnet, daß das Lösungsmittel mindestens anteilsweise mindestens teilfluoriert ist.

2. Beschichtungslösung nach dem vorhergehenden Anspruch, da­ durch gekennzeichnet, daß die Fluoralkylsilane als Kon­ densate vorliegen.

3. Beschichtungslösung nach dem vorhergehenden Anspruch, da­ durch gekennzeichnet, daß die Fluorsilankondensatmolmasse mindestens größer tausend Gramm pro mol ist.

4. Beschichtungslösung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß das Lösungsmittel zumin­ dest teilweise aus einer vollfluorierten Verbindung be­ steht, insbesondere C₂F₆ oder höhere Homologe.

5. Beschichtungslösung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß das Lösungsmittel Fluor- Chlorsubstituierte Strukturen umfaßt.

6. Beschichtungslösung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß das Lösungsmittel aus Hydrofluorether, insbesondere Nonafluorbutylmetylether und/oder Nonafluorbutylethylether ausgewählt ist und/oder zumindest eine dieser Substanzen umfaßt.

7. Beschichtungslösung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil des oder der ganz und/oder teilfluorierten Lösungsmittel mindestens 20% beträgt.

8. Beschichtungslösung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß weiter Fluorpolymere, insbesondere Polymerisate aus Fluoralkylacrylaten in dem teilfluorierten Lösungsmittel gelöst sind.

9. Beschichtungslösung nach dem vorhergehenden Anspruch, da­ durch gekennzeichnet, daß der Anteil an fluorierten und/oder teilfluorierten Polymerisaten zwischen 0 und 99 Gewichtsprozent beträgt.