-
Die Erfindung betrifft ein Beschichtungssystem, welches sich ausgezeichnet eignet, um Schutzschichten insbesondere für Polymere zu erzeugen, die keinen hohen Temperaturen ausgesetzt werden dürfen.
-
Kunststoffe werden mittlerweile in fast allen Bereichen des Lebens eingesetzt. Dabei tritt in vielen Fällen eine sehr starke mechanische Beanspruchung der polymeren Werkstoffe auf, was zu verminderten Lebensdauern der damit hergestellten Gegenstände verbunden ist. Eine ganze Reihe polymerer Werkstoffe sind oberflächlich nicht besonders hart. Dies kann zu einer deutlich verringerten Abrieb-Beständigkeit führen, was ein schnelleres Verschleißen der Teile zur Folge hat, bis hin zu unansehnlichen Kratzflächen auf entsprechenden Formteilen, was wiederum den Gebrauchswert derartiger Gegenstände erheblich verringert. Es besteht ein großes Interesse, derartige Materialien durch entsprechende Schutzschichten zu veredeln. Eine Variante ist das Aufbringen von abriebbeständigen, kratzfesten Schichten, sog. Hardcoats.
-
Beschichtungszusammensetzungen für sehr gute abriebbeständige Schutzschichten sind in zahlreicher Form in der Patent-Literatur beschrieben, so z. B. in
US 3986997 ,
US 3650808 oder
DE 19719948 . In den meisten Fällen erfolgt die Schichtbildung bzw. die Vernetzung und somit die Ausbildung der härteerzeugenden Funktion bei Temperaturen deutlich über 100°C, in den meisten Fällen bei T = 130°C bis 200°C über einen längeren Zeitraum, größer t = 10 min bis mehrere Stunden.
-
Eine Reihe polymerer Substrate besitzen jedoch einen Glaspunkt unter 100°C bzw. führen bei Temperaturen über T = 100°C zu Verformungen, was bei paßgenau geformten Teilen zu erheblichen Problemen bei einer weiteren Verwendung führt. In diesen Fällen können die meisten Beschichtungssysteme für abriebbeständige Schutzschichten nicht eingesetzt werden.
-
Zum anderen werden Beschichtungssysteme beschrieben, die bei „niedrigen” Temperaturen zu vernetzenden Systemen führen. Dabei versteht man unter „niedrigen” Temperaturen z. B. in den Patenten
DE 2935616 oder
JP 5224466 und
JP 5311077 Temperaturen im Bereich von T = 120° bis T = 160°C. Dies liegt zwar zum Teil unter dem für Hardcoats üblichen Vernetzungs-Temperatur-Bereich, ist jedoch im Sinne der Aufgabe einer Niedrig-Temperatur-Vernetzung nicht vertretbar.
-
Daneben sind vor allem drei weitere Beschreibungen in der Patentliteratur zu unterscheiden. Zum einen werden zu einem großen Teil Systeme beschrieben, die durch UV-Vernetzung zur entsprechenden abriebbeständigen Schicht führen, wie z. B. in
JP 61241303 oder
JP 10102002 oder
JP 04359032 . In
DE 4118184 werden sogar beide Varianten (UV und thermisch) kombiniert. Einer UV-Vernetzung schließt sich eine thermische Vernetzung bei T = 130°C über einen Zeitraum von t = 1 Stunde an. Bei rein thermischen Systemen gibt es eine Differenzierung zwischen Temperatur und Dauer der thermischen Beanspruchung des Systems. So wird z. B. in
JP 6116530 eine Vernetzungstemperatur von T = 80°C angegeben, jedoch über eine Dauer von t = 30 min bzw. in
EP 894840 wird eine Schichtbildung bei einer Temperatur von T = 100°C über die Dauer von t = 10 min beschrieben.
-
Demgegenüber steht die Möglichkeit, eine abriebbeständige Schicht zwar bei geringeren Trocknungszeiten, dafür jedoch bei höheren Temperaturen zu erhalten, so beschrieben in
GB 1372061 (t = 2 min und T = 120°C) oder
US 3799919 (t = 45 sec und T = 120°C).
-
Für verschiedene polymere Substrate sind Beschichtungssysteme beschrieben, die unter anderem zu abriebbeständigen Überzügen führen, so z. B. in
WO 9937721 ein Mehrkomponenten-System für Polycarbonat-Linsen. Dabei werden jedoch die beschichteten Linsen zunächst für t = 30 min bei T = 180°F erhitzt, die eigentliche Vernetzung erfolgt jedoch in einem zweiten Schritt bei T = 265°F über einen Zeitraum von t = 4 Stunden. In
EP 620255 wird ein System für Polycarbonat beschrieben, bei dem eine zusätzliche Vernetzung der Komponenten über eine radikalische Polymerisation erzeugt wird. Die beschichteten Formteile werden dabei zunächst bei T = 90°C getrocknet, und die Vernetzung des Systems erfolgt daraufhin bei T = 130°C über einen Zeitraum von t = 20 min.
-
Es werden auch Systeme beschrieben, die sich für Formteile aus EPDM eignen. Auch in diesen Fällen handelt es sich um Mehrkomponenten-Systeme, die jedoch auch erst bei erhöhten Temperaturen zur Schichtbildung führen, so z. B. in
JP 07310051 oder in
EP 659857 bei T = 150°C.
-
Auch Mehrfach-Beschichtungen werden in der Patentliteratur beschrieben, die im Endeffekt zu abriebbeständigen Schutzschichten führen. So wird nach
JP 01149878 eine erste Schicht auf Polycarbonat, bestehend aus einem Copolymer, zunächst für t = 10 min bei T = 80°C getrocknet. Dem schließt sich eine zweite Beschichtung an, wobei durch eine folgende zweistündige Trocknung bei T = 120°C die abriebbeständige Schutzschicht gebildet wird. Vergleichbar wird in
JP 59020330 ein Verfahren beschrieben, wonach eine erste Schicht nach Trocknung einen Topcoat erhält und das gesamte System dann bei T = 130°C über einen Zeitraum von t = 1 Stunde vernetzt wird.
-
In
DE 3828098 und
DE 3917535 werden Beschichtungssysteme beschrieben, in denen hydrolysierbare Silane im Gemisch eingesetzt werden. Zudem werden, wie in sehr vielen weiteren Patenten Füllstoffe (anorganische Oxidkomponenten) eingesetzt, was unter anderem den Preis der resultierenden Beschichtungs-Lösungen zum Teil deutlich erhöht. Bei den oben beschriebenen Sytemen unter Verwendung der Monomere bzw. nur eines teil- bzw. vorkondensierten Reaktionspartners ist jedoch die Haltbarkeit der resultierenden Beschichtungslösungen eher gering und damit für eine praktische Anwendung als Ein-Komponenten-System nicht sehr anwenderfreundlich. Desweiteren wird insbesondere in
DE 3917535 eine Vorbehandlung der polymeren Substrate durch Primerung, Corona-Behandlung, Fluorierung der Oberfläche oder Ausheizen als Voraussetzung für eine gute Haftung des Beschichtungssystems angegeben.
-
In
JP 63023224 wird ein Mehrkomponenten-System für abriebbeständige Schichten beschrieben, bei dem hydrolysierte Silane zum Einsatz kommen. Zum einen ist in o. g. Patent eine Trocknung bei T = 140°C über einen Zeitraum von t = 2 min angegeben. Und zum anderen besitzen derartige Systeme, keine bzw. nur unzureichende anti-adhäsive Eigenschaften.
-
US 3 681 266 A offenbart die Verwendung von Amid-Monomeren, welche durch die Reaktion von perfluorierten Carbonsäurederivaten mit Amino-funktionellen Alkoxysilanen gebildet wurden, zur Hydro/Oleophobierung von Beschichtungen auf Siloxanbasis, wobei diese Amid-Monomere mit einem mehrwertigen Alkohol bei Temperaturen im Bereich von 140°C bis 180°C umgesetzt werden, um ein polymeres Produkt zu erhalten.
-
DE 31 00 555 A1 beschreibt Beschichtungszusammensetzungen, die wenigstens ein Hydrolysat eines Epoxytrialkoxysilans und wenigstens ein Hydrolysat eines anderen substituierten Alkoxysilans enthalten, wobei der Substituent aus einer Vielfalt unterschiedlicher Gruppen, einschließlich Alkyl, Vinyl, Amino, Mercapto, Fluor oder Chlor, ausgewählt sein kann. Gute anti-adhasive Eigenschaften werden für diese Beschichtungen weder beschrieben noch als erstrebenswertes Ziel dargestellt.
-
Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Beschichtungszusammensetzung anzugeben, die bei Temperaturen unter T = 100°C und bei geringen Trocknungszeiten zu Schutzschichten fuhrt, die eine signifikant erhöhte Abrieb-Beständigkeit der beschichteten insbesondere polymeren Substrate, kombiniert mit guten anti-adhasiven Eigenschaften, zur Folge haben.
-
Diese Aufgabe wird durch eine Beschichtungszusammensetzung mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Verwendungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
-
Erfindungsgemaß wird insbesondere eine Beschichtungszusammensetzung bereitgestellt, die die folgenden obligatorischen drei Komponenten enthalt:
- A) 30–70 Mol-% des Hydrolyse- und Kondensationsproduktes einer Siliciumverbindung der allgemeinen Formel X-Si-(OR1)3, wobei X eine hydrolytisch nicht abspaltbare, an Silicium gebundene Alkylkette mit endständiger Epoxidgruppe darstellt und R1 einer Alkylkette mit C = 1 bis C = 2 entspricht,
- B) 30–70 Mol-% des Hydrolyse- und Kondensationsproduktes einer Siliciumverbindung der allgemeinen Formel Y-Si-(OR2)3, wobei Y eine hydrolytisch nicht abspaltbare, an Silicium gebundene Alkylkette mit einer oder mehrerer Aminogruppen darstellt und R2 einer Alkylkette mit C = 1 bis C = 2 entspricht, und
- C) bis zu 10 Mol-% des Umsetzungsproduktes aus einer Siliciumverbindung der allgemeinen Formel Y-Si-(OR2)3, wobei Y eine hydrolytisch nicht abspaltbare, an Silicium gebundene Alkylkette mit einer oder mehrerer Aminogruppen darstellt und R2 einer Alkylkette mit C = 1 bis C = 2 entspricht, und einem perfluorierten Carbonsäureester der allgemeinen Form Z-COOR3, wobei Z einer perfluorierten Alkylkette mit C = 1 bis C = 9 oder einer perfluorierten Polyetherkette entspricht und R3 eine Alkylkette mit C = 1 bis C = 2 darstellt.
-
Die Einzelkomponenten sind sehr lagerstabil und über einen sehr weiten Zeitraum einsetzbar. Die Reaktiv-Lösungen werden durch Mischen der Einzelkomponenten erhalten.
-
Beispiele für die in der Komponente (A) eingesetzten epoxid-funktionellen Siliciumverbindungen sind 2-Glycidoxyethyl-trimethoxysilan, 3-Glycidoxypropyl-trimethoxysilan und 3-Glycidoxypropyl-triethoxysilan. Die Komponente (A) kann mit weiteren Siliciumverbindunegn mischkondensiert werden, ohne die Lagerstabilität der Einzelkomponenten wesentlich zu beeinflussen. Vorteilhaft ist dabei eine Mischkondensation der Komponente (A) bis zu 20-Mol-% mit einer Siliciumverbindung mit vier hydrolytisch abspaltbaren Gruppen, wie zum Beispiel Tetraethoxysilan.
-
Weitere Siliciumverbindungen mit zwei bis drei hydrolytisch abspaltbaren Gruppen und ein bis zwei hydrolytisch nicht abspaltbaren Alkyl- bzw. Arylgruppen können bis zu 50-Mol-%, bezogen auf den Gehalt der Komponente (A), im Hydrolyse- und Kondensationsprozeß zugegeben werden. Beispiele für solche Verbindungen sind Methyl-triethoxysilan, Ethyl-triethoxysilan, Isobutyl-trimethoxysilan, Phenyl-triethoxysilan oder Dimethyl-diethoxysilan.
-
Die Komponente (B) stellt das Hydrolyse- und Kondensationsprodukt einer aminofunktionellen Siliciumverbindung dar. Beispiele für solche Verbindungen sind 3-Aminopropyl-trimethoxysilan, 3-Aminopropyl-triethoxysilan und N-(2-Aminoethyl)-3-Aminopropyl-trimethoxysilan. Auch die Komponente (B) kann mit weiteren Siliciumverbindungen, die zwei bis drei hydrolytisch abspaltbare Gruppen und ein bis zwei nicht abspaltbare Alkyl- bzw. Arylgruppen besitzen, bis zu 50-Mol-%, bezogen auf den Gehalt an Komponente (B), mischkondensiert werden. Beispiele für derartige Verbindungen sind Methyl-triethoxysilan, Ethyl-triethoxysilan, Isobutyl-trimethoxysilan, Phenyltriethoxysilan oder Dimethyl-diethoxysilan.
-
Sowohl Komponente (A) als auch Komponente (B) werden, für sich getrennt, durch die an sich bekannte Sol-Gel-Technologie hergestellt. Im Fall der Komponente (A) erfolgt eine Hydrolyse und anschließende Kondensation der o. g. Verbindungen in Gegenwart eines Katalysators und Wasser in einem organischen Lösungsmittel, wie z. B. Aceton, Methanol oder Ethanol. Komponente (B) wird vergleichbar zu Komponente (A) in einem Hydrolyse- und Kondensationsprozeß in einem organischen Lösungsmittel, z. B. Methanol oder Ethanol, in Gegenwart von Wasser erhalten.
-
Die Mischkondensation erfolgt durch Zugabe der o. g. weiteren Siliciumverbindungen zu der jeweiligen Hauptkomponente, dem epoxid- bzw. aminofunktionellen Silan vor dem einsetzenden Hydrolyse- und Kondensationsprozeß. Somit ist ein sehr breites Spektrum der möglichen Eigenschaften der resultierenden Reaktiv-Lösungen möglich.
-
Das Ergebnis sind klare, geringviskose Lösungen, die über einen sehr langen Zeitraum lagerstabil und einsatzfähig sind, was als besonders anwenderfreundlich einzustufen ist.
-
Reaktiv-Lösungen, die nicht Gegenstand der Erfindung sind, werden durch einfaches Mischen der Komponenten (A) und (B) erhalten. Bevorzugt ist der Einsatz von 30–70 Mol-% der Komponente (A) und entsprechend 30–70 Mol-% der Komponente (B). Diese Reaktiv-Lösungen sind je nach Feststoff-Gehalt ein und mehr Tage einsatzfähig, das einem typischen und üblichen Einsatz von 2-Komponenten-Systemen entspricht. Außerdem ist es möglich die Komponenten auch direkt vor einer Beschichtung zu mischen, z. B. in sog. Statischen Mischern, so daß die Topfzeit der eigentlichen Reaktiv-Lösung weniger ins Gewicht fällt. Entscheidend ist die lange Lagerstabilität der Einzelkomponenten.
-
Beschichtungszusammensetzungen mit den Komponenten A und B besitzen relativ gering ausgeprägte anti-adhäsive Eigenschaften. Gemäß der Erfindung wird als Komponente (C) die im folgenden beschriebene fluorhaltige Verbindung zugesetzt, die es ermöglicht, ohne größeren Aufwand, Schutzschichten zu erzeugen, die hervorragende anti-adhäsive Eigenschaften aufweisen, was immer stärker im Interesse der Anwender liegt.
-
Erfindungsgemäß ist es möglich, ein aminoalkyliertes Silan der allgemeinen Form Y-Si-(OR2)3, wobei Y einer hydrolytisch nicht abspaltbaren, an Silicium gebundenen Alkylgruppe mit einer oder mehreren Aminogruppen entspricht und R2 eine Alkylgruppe mit C = 1 bis C = 2 darstellt, mit einem perfluorierten Carbonsäureester der allgemeinen Form Z-COOR3 umzusetzen, wobei Z einer perfluorierten Alkylkette mit C = 1 bis C = 9 oder einer perfluorierten Polyetherkette entspricht und R3 eine Alkylkette mit bevorzugt C = 1 bis C = 2 darstellt.
-
Beispiele für die einsetzbaren aminoalkylierten Silane sind 3-Aminopropyl-trimethoxysilan, 3-Aminopropyl-triethoxysilan und N-(2-Aminoethyl)-3-Aminopropyl-trimethoxysilan.
-
Als fluorhaltige Carbonsäureester können zum Beispiel Ethyl-pentafluorpropionat, Ethyl-heptafluorbutyrat oder Ethyl-perfluoroctanoat eingesetzt werden. Auch Carbonsäureester bzw. Dicarbonsäureester mit einer perfluorierten Polyetherkette eignen sich sehr gut für die Umsetzung mit aminoalkylierten Silanen.
-
Bei der Umsetzung wird das Silan vorgelegt. Unter Rühren erfolgt die vorsichtige Zugabe des perfluorierten Esters. Die Umsetzung wird ohne weiteres Lösungsmittel durchgefuhrt. Bei der hier beschriebenen exothermen Reaktion erfolgt die Bildung eines Fluoramids unter Abspaltung eines Alkohols.
-
Diese Siliciumverbindungen werden mit bis zu 10 Mol-% als obligatorische Komponente (C) im weiteren mit den Komponenten (A) bzw. (B) umgesetzt. Dabei ist es zum einen möglich, daß die Komponente (C) in den Hydrolyse- und Kodensationsprozeß der verwendeten Silane mit einbezogen wird, also im Verlauf der Mischkondensation mit weiteren Siliciumverbindungen zum Einsatz kommt, ohne daß Phasen-Trennungen auftreten. Zum anderen ist auch möglich, die Komponente (C) zu bereits kondensierten Sol-Systemen zuzugeben, was die anti-adhäsive Wirksamkeit dieser fluorierten Systeme erhöht.
-
Desweiteren kann die Komponente (C) sowohl mit der epoxidfunktionellen Komponente (A) als auch mit der aminofunktionellen Komponente (B), unabhängig von den zusätzlich eingesetzten weiteren Siliciumverbindungen, umgesetzt werden. Und auch der Einsatz der Komponenten (A) und (B) in dem Fall, daß beide Komponenten mit dem Fluoramid bzw. verschiedenen Fluoramiden umgesetzt wurden, ist möglich, ohne daß Phasen-Bildungen in den erhaltenen Lösungen auftreten.
-
Die Reaktiv-Lösungen können mit allen üblichen Beschichtungs-Verfahren auf dem Substrat aufgebracht werden, wie z. B. durch Rakel-, Tauch- oder Spritz-Beschichtung. Gegenstand der Erfindung sind auch Schutzschichten, die mit der erfindungsgemäßen Beschichtungszusammensetzung hergestellt worden sind.
-
Der entscheidende Vorteil der hier beschriebenen Beschichtungssysteme liegt in den Bedingungen, unter denen die Trocknung und somit die Bildung der abriebbeständigen Schutzschichten erfolgt. Die Trocknung erfolgt bei Temperaturen unter T = 100°C, bevorzugt T = 90°C, über einen kurzen Zeitraum, bevorzugt t = 5 min. Die Schutzschichten zeichnen sich vorteilhafterweise insbesondere durch eine deutlich erhöhte Abrieb-Beständigkeit, eine sehr gute Haftung ohne Vorbehandlung des Substrats, gute Lösungsmittel-Beständigkeit, Transparenz und sehr gute anti-adhäsive Eigenschaften aus.
-
Als besonders vorteilhaft ist dabei zu werten, daß das erfindungsgemäße System durch Mischkondensation mit weiteren Verbindungen modifiziert werden kann. Somit ist ein breiter Fächer an möglichen einstellbaren Eigenschaften möglich, das die Einsatzfähigkeit dieses Systems und damit die Universalität in deutlicher Form erweitert.
-
Es ist nicht erforderlich, zusätzliche Füllstoffe dem erfindungsgemäßen System beizumischen, um eine wesentlich erhöhte Abrieb-Beständigkeit der Schicht zu erhalten.
-
Das erfindungsgemäße System ist bei Polymeren anwendbar, bevorzugt bei Substraten, die keinen hohen Temperaturen ausgesetzt werden dürfen, wie z. B. Polycarbonat, Polystyrol, Polymethylmethacrylat oder Polyethylenterephthalat. Auf eine Vorbehandlung von polymeren Substrate (polymere Festkörper oder Festkörper mit polymerer Oberflächenbeschichtung) vor der Beschichtung kann in den meisten Fällen verzichtet werden, was den Aufwand deutlich verringert, um eine der erfindungsgemäßen Beschichtungssysteme zum Einsatz zu bringen.
-
Die Erfindung ist jedoch nicht auf die Beschichtung polymerer Substrate beschränkt. So können zum Beispiel auch Metalle, wie Aluminium oder Edelstahl, sowie Glas oder auch Holz mit den erfindungsgemäßen Mehrkomponenten-Systemen beschichtet werden. Es werden transparente Schichten erhalten, so daß keine Einschränkung des Einsatzes aufgrund der möglicherweise geforderten Transparenz des Substrates und damit des beschichteten Endsystems vorliegt.
-
Besonders vorteilhaft ist die erfindungsgemäße Ausstattung des Systems mit guten anti-adhäsiven Eigenschaften durch Einsatz des Umsetzungsproduktes eines aminoalkylierten Silans und eines perfluorierten Carbonsäureesters.
-
Während bei Verwendung der zahlreich beschriebenen Fluorsilane als Agenz zur Erhöhung der Anti-Adhäsivität diese Silane, wie z. B. C2F5CH2-CH2-Si(OR4)3, n-C6F13CH2-CH2-Si(OR4)3 oder n-C8F17CH2-CH2-Si(OR4)3, mit R4 = CH3 oder R4 = C2H5, nur in äußerst geringen Konzentrationen ohne Phasen-Bildung der Lösung bzw. nur in stark verdünnten Lösungen eingesetzt und verwendet werden können, was zur Folge hat, daß keine höheren Schichtdicken infolge auftretender Haftungs-Probleme realisiert werden können, ist es möglich, die erfindungsgemäßen Fluoramide in höheren Konzentrationen problemlos zu verwenden. Somit sind auch höhere Schichtdicken realisierbar, was zum anderen die Schutzwirkung der als Schutzschichten eingesetzten Systeme erhöht.
-
Bedeutsam ist zudem die Tatsache, daß bei der erfindungsgemäßen Verwendung der Komponente (C) die Abrieb-Beständigkeit der resultierenden Schutzschichten nicht negativ beeinflußt wird. Statt dessen ist eher eine weitere Verbesserung der Abrieb-Beständigkeit festzustellen.
-
Die erfindungsgemäßen Mehrkomponenten-Systeme sind insbesondere geeignet für Schutzschichten von polymeren Substraten, die keinen höheren Temperaturen ausgesetzt werden können, wie z. B. paßgenau vorgeformten Teilen aus Polycarbonat, wo bei Temperaturen von T > 100°C Verformungen auftreten können und somit eine problemlose Weiterverwendung nicht mehr möglich wäre.
-
Die ausgezeichnete Haftung auf z. B. unbehandeltem Polycarbonat ermöglicht die Einsparung einer entsprechenden Aktivierung des Substrates, wie z. B. einer Primerung.
-
Aufgrund der verschiedenen möglichen Beschichtungs-Varianten können auch Formteile problemlos beschichtet werden, d. h., es liegt keine Beschränkung auf plane Substrate vor, was die Einsetzbarkeit der beschriebenen Systeme deutlich erhöht.
-
Aufgrund des Einsatzes des Umsetzungsproduktes aus einem aminoalkylierten Alkoxysilan und einem perfluorierten Carbonsäureester kann die Anti-Adhäsivität der Schutzschichten deutlich verbessert werden, was die Einsetzbarkeit der beschriebenen Systeme um ein Wesentliches erhöht, da der generelle Trend zu anti-adhäsiven und schmutzabweisenden Schutzschichten bis zu sogenannten „Anti-Graffiti”-Schichten geht.
-
Somit besteht mit den erfindungsgemäßen Beschichtungssystemen die Möglichkeit, transparente, abriebbeständige Schutzschichten mit ausgeprägt anti-adhäsiven Eigenschaften bei niedrigen Temperaturen und geringen Trocknungs-Zeiten zu erhalten.
-
Ausführungsbeispiele
-
Im folgenden werden Beispiele zunächst für mögliche Zusammensetzungen der Einzelkomponenten (A) bzw. (B) vorgestellt. Dem schließen sich Beispiele für die eigentlichen Reaktiv-Lösungen anhand der zuvor beschriebenen Einzelkomponenten an.
-
Die Beschichtungen erfolgen auf einer 100 μm starken Polyester-Unterlage bzw. auf einer ungeprimerten Polycarbonat-Unterlage. Die Eigenschaften der erhaltenen Schutzschichten werden wie folgt bestimmt:
-
Taber Abraser – Test
-
Die Prüfung der Abrieb-Beständigkeit der erhaltenen Schichten erfolgt nach dem Reibrad-Verfahren entsprechend DIN 52 347 mit Hilfe des „Taber Abraser 5131” der Firma TABER Industries. Zu diesem Zweck wird eine kreisförmige Probe mit einem Durchmesser von d = 100 mm aus dem fertigen Beschichtungs-Muster geschnitten. Zunächst ist der Ausgangs-Glanz, d. h. der Glanz vor dem Taber Abraser – Test zu bestimmen. Dies erfolgt mit dem Reflektometer „REFO 3-D” der Firma Dr. Lange GmbH Berlin Industriemeßtechnik bei einem Reflexionswinkel von 20°. Es werden minimal acht Meßpunkte erfaßt und der Mittelwert sowie die Standard-Abweichung bestimmt. Daraufhin wird die Probe, auf dem Drehteller des Verschleiß-Prüfgerätes liegend, durch zwei sich in entgegengesetzter Richtung drehende Reibräder auf Gleitverschleiß beansprucht. Die Verschleißprüfung erfolgt mit 500 Umdrehungen des Drehtellers und einer Auflage-Kraft von 2,5 N jedes der beiden Reibräder CS 10. Der Wert für den Abrieb bzw. die Abrieb-Beständigkeit wird durch erneute Messung des Glanzes, analog dem Ausgangs-Glanz, ermittelt. Minimal acht Meßpunkte dienen der Bestimmung des Mittelwertes für den Glanz nach 500 Zyklen Taber Abraser.
-
Nach der Gleichung: ΔG = 100% – (G500·100%/G0) mit:
- ΔG
- Glanz-Verlust in %
- G0
- Ausgangs-Glanz
- G500
- Glanz nach 500 Zyklen Taber Abraser
kann der auf den Ausgangs-Glanz normierte Glanz-Verlust in % nach 500 Zyklen Taber Abraser bestimmt werden.
-
Gitterschnitt-Prüfung
-
Die Untersuchung zum Haft-Verhalten der erhaltenen Schicht auf dem Substrat erfolgt mittels manueller Gitterschnitt-Prüfung nach DIN EN ISO 2409. Als Schneidgerät kommt ein Mehrschneidengerät (1 mm) der Firma BYK Gardner zum Einsatz. Es wird senkrecht zur Oberfläche angesetzt und mit gleichmäßigem Druck sowie Geschwindigkeit werden die Schnitte angebracht. In einem Winkel von 90° wird das Schneiden wiederholt, so daß ein Gitter entsteht. Mit einer weichen Bürste wird einige Male auf der Probenplatte hin und her gebürstet. Und mit einer Handlupe ist der Gitterschnitt zu beurteilen. Zusätzlich kommt Klebeband entsprechend DIN EN ISO 2409 zum Einsatz. Entscheidend ist die Einschätzung des Gitterschnitts bzw. des Klebebandes nach der in der DIN-Vorschrift vorgegebenen Einstufungen (Gitterschnitt-Kennwerte).
-
Die hier vorgestellten Prüfungen werden an mindestens vier Stellen der Probeplatte durchgeführt.
-
Referenz – Unbeschichtete Unterlage
-
Polyethylenterephthalat-Folie:
-
- – Ausgangs-Glanz: 165
- – Glanz-Verlust nach 100 Zyklen Taber-Abraser: 80,79%
- – Glanz-Verlust nach 500 Zyklen Taber-Abraser: 91,09%
-
Polycarbonat-Folie:
-
- – Ausgangs-Glanz: 180
- – Glanz-Verlust nach 100 Zyklen Taber-Abraser: 87,15%
- – Glanz-Verlust nach 500 Zyklen Taber-Abraser: 94,13%
-
Beispiel 1
-
Herstellung der epoxidfunktionellen Komponente (A)
-
In einem 1-Liter-Glasgefäß, das mit Rührer versehen ist, werden 400 ml Ethanol und 100 ml 0,1 n HCl vorgelegt. Unter Rührung werden bei Raumtemperatur innerhalb von 30 min 100 ml 3-Glycidoxypropyl-trimethoxysilan zugegeben. Das Gemisch wird anschließend noch 3 Stunden gerührt und vor dem Einsatz 3 Tage gelagert. Es wird ein klares Metalloxidsol erhalten.
-
Beispiel 2
-
Herstellung der Komponente (A) durch Mischkondensation
-
Die Verfahrensweise aus Beispiel 1 wird im wesentlichen beibehalten. In einem vorgelegten Gemisch aus 400 ml Aceton und 100 ml 0,1 n HCl werden 80 ml 3-Glycidoxypropyl-trimethoxysilan mit 20 ml Tetraethoxysilan umgesetzt. Das Ergebnis ist ein klares Metalloxidsol.
-
Beispiel 3
-
Herstellung der aminofunktionellen Komponente (B)
-
400 ml Ethanol werden gemeinsam mit 100 ml dest. Wasser in einem 1-Liter-Glasgefäß vorgelegt. Unter Rühren werden bei Raumtemperatur innerhalb von 20 min 100 ml 3-Aminopropyl-trimethoxysilan zugegeben. Das Gemisch wird 3 Stunden gerührt und vor dem Einsatz 3 Tage gelagert. Es wird ein klares Metalloxidsol erhalten.
-
Beispiel 4
-
Herstellung der Komponente (B)
-
Unter Beibehaltung der Verfahrensweise nach Beispiel 3 werden 400 ml EtOH gemeinsam mit 100 ml dest. Wasser in einem 1-Liter-Glasgefäß vorgelegt. Unter Rühren werden bei Raumtemperatur innerhalb von 20 min 100 ml N-(2-Aminoethyl)-3-Aminopropyl-trimethoxysilan zugegeben. Das Gemisch wird 3 Stunden gerührt und vor dem Einsatz 3 Tage gelagert. Es wird ein klares Metalloxidsol erhalten.
-
Beispiel 5
-
Herstellung der Komponente (B) durch Mischkondensation
-
Entsprechend der Vorgehensweise nach Beispiel 3 wird zu vorgelegten 400 ml Ethanol und 100 ml dest. Wasser ein Gemisch aus 80 ml 3-Aminopropyl-triethoxysilan und 20 ml Methyl-triethoxysilan unter Rühren zugegeben. Die Umsetzung erfolgt bei Raumtemperatur innerhalb von 4 Stunden. Nach einer Standzeit von 3 Tagen ist die Komponente (B) einsatzbereit. Es wird ein klares Metalloxidsol erhalten.
-
Beispiel 6
-
Herstellung der Komponente (C)
-
In einem 50 ml-Glasgefäß werden 10 ml 3-Aminopropyl-triethoxysilan vorgelegt. Unter Rühren erfolgt die vorsichtige Zugabe von 7,45 ml Ethyl-heptafluorbutyrat innerhalb von 5 min. Die stark exotherm ablaufende Umsetzung wird über einen Zeitraum von 30 min unter Rühren fortgesetzt. Das Ergebnis ist eine klare, schwach gelblich gefärbte Lösung mit einer Dichte von 1,18 g/cm3.
-
Beispiel 7
-
Herstellung einer Reaktiv-Lösung mit den Komponenten aus den Beispielen 1 und 3, welche nicht Gegenstand der Erfindung ist.
-
In einem 1-Liter-Glasgefäß werden 300 ml der Komponente (A) aus Beispiel 1 vorgelegt. Unter Rühren erfolgt bei Raumtemperatur die Zugabe von 220 ml Ethanol über einen Zeitraum von 10 Minuten. Dem schließt sich die Zugabe von 318 ml der Komponente (B) aus Beispiel 3 innerhalb von 20 Minuten an. Dieses Gemisch wird bei Raumtemperatur für weitere 30 Minuten gerührt. Es wird ein klares Reaktiv-Sol erhalten, welches einen halben Tag klar, stabil und einsatzbereit ist. Die Beschichtung erfolgt mittels Rakel bei einer Naß-Schichtdicke von 25 μm.
-
Die Schicht wird für t = 5 min bei T = 90°C getrocknet. Es wird eine klare, transparente und trockene Schicht erhalten.
- – Ausgangs-Glanz: 163
- – Glanz-Verlust (100 Zyklen): 7,76%
- – Glanz-Verlust (500 Zyklen): 17,19%
- – Randwinkel gegen H2O: 39°
- – Gitterschnitt-Wert auf PC: 1
-
Beispiel 8
-
Herstellung einer Reaktiv-Lösung mit den Komponenten aus den Beispielen 2 und 4, welche nicht Gegenstand der Erfindung ist.
-
Die Vorgehensweise von Beispiel 7 wird beibehalten. 200 ml der Komponente (A) aus Beispiel 2 werden vorgelegt. Dem schließt sich unter Rühren die Zugabe von 350 ml Ethanol an. Die Zugabe von 80 ml der Komponente (B) aus Beispiel 4 erfolgt innerhalb von 10 Minuten. Nach 30 Minuten Rühren ist das Reaktiv-Sol einsetzbar. Es wird ein klares Sol erhalten, welches zwei Tage stabil und einsatzbereit ist.
-
Die Beschichtung und Trocknung wird analog Beispiel 7 durchgeführt. Das Ergebnis ist eine trockene, klare und transparente Schicht.
- – Ausgangs-Glanz: 158
- – Glanz-Verlust (100 Zyklen): 9,92%
- – Glanz-Verlust (500 Zyklen): 19,74%
- – Randwinkel gegen H2O: 60°
- – Gitterschnitt-Wert auf PC: 1
-
Beispiel 9
-
Herstellung einer Reaktiv-Lösung mit den Komponenten aus den Beispielen 1 und 5, welche nicht Gegenstand der Erfindung ist.
-
Die Vorgehensweise von Beispiel 7 wird beibehalten. Vorgelegt werden 150 ml der Komponente (A) aus Beispiel 1, und nach Zugabe von 320 ml Ethanol erfolgt unter Rühren innerhalb von 20 Minuten das Zugeben von 200 ml der Komponente (B) aus Beispiel 5. Der Rührvorgang wird weitere 30 Minuten fortgesetzt. Das Ergebnis ist eine klares Sol, welches zwei Tage stabil und einsetzbar ist.
-
Die Beschichtung des Reaktiv-Sols wird entsprechend Beispiel 7 durchgeführt. Das Ergebnis ist eine klare, transparente und trockene Schicht. Die Schicht-Parameter sind wie folgt:
- – Ausgangs-Glanz: 154
- – Glanz-Verlust (100 Zyklen): 6,71%
- – Glanz-Verlust (500 Zyklen): 18,18%
- – Randwinkel gegen H2O: 60°
- – Gitterschnitt-Wert auf PC: 1
-
Beispiel 10
-
Umsetzung der Komponente (A) aus Beispiel 1 mit der Komponente (C)
-
In einem 1-Liter-Glasgefäß werden 500 ml der Komponente (A) aus Beispiel 1 vorgelegt. 3 ml des fluorhaltigen Umsetzungsproduktes aus Beispiel 6 sind innerhalb von 2 Minuten unter Rühren zuzugeben. Das Reaktionsgemisch wird weitere 3 Stunden gerührt und vor der Weiterverarbeitung 3 Tage gelagert. Es wird ein klares Sol erhalten.
-
Beispiel 11
-
Umsetzung der Komponente (A) aus Beispiel 2 mit der Komponente (C)
-
Die Verfahrensweise aus Beispiel 11 wird beibehalten. Zu 500 ml der Komponente (A) aus Beispiel 2 werden 3 ml der Komponente (C) zugegeben. Diese Lösung wird für 3 Stunden gerührt und weitere 3 Tage gelagert. Das Ergebnis ist ein klares Sol.
-
Beispiel 12
-
Umsetzung der Komponente (B) aus Beispiel 3 mit der Komponente (C)
-
In einem 1-Liter-Glasgefäß werden 500 ml der Komponente (B) aus Beispiel 3 vorgelegt. 5 ml des fluorhaltigen Umsetzungsproduktes aus Beispiel 6 sind innerhalb von 2 Minuten unter Rühren zuzugeben. Das Reaktionsgemisch wird 3 Stunden lang gerührt und vor der Weiterverarbeitung 3 Tage gelagert. Es wird ein klares Sol erhalten.
-
Beispiel 13
-
Umsetzung der Komponente (B) aus Beispiel 5 mit der Komponente (C)
-
Die Verfahrensweise aus Beispiel 12 wird beibehalten. In einem 1-Liter-Glasgefäß werden 500 ml der Komponente (B) aus Beispiel 5 vorgelegt. Unter Rühren erfolgt die Zugabe von 5 ml der Komponente (C) aus Beispiel 6 innerhalb von 2 Minuten. Der Rührvorgang wird weitere 3 Stunden fortgesetzt. Nach einer Lagerung von 3 Tagen ist die modifizierte Komponente (B) einsatzbereit. Das Ergebnis ist ein klares Sol.
-
Beispiel 14
-
Herstellung eines anti-adhäsiven Beschichtungssystems mit den Komponenten aus den Beispielen 10 und 3
-
In einem 1-Liter-Glasgefäß werden 200 ml des Reaktionsproduktes aus Beispiel 10 vorgelegt. Unter Rühren erfolgt bei Raumtemperatur innerhalb von 20 Minuten die Zugabe von 160 ml Ethanol. Dem schließt sich die Zudosierung von 210 ml der Komponente (B) aus Beispiel 3 über einen Zeitraum von 30 Minuten an. Nach 30-minütigem Rühren des Reaktionsgemisches ist dieses einsatzbereit. Es wird ein klares Reaktiv-Sol erhalten, welches einen Tag stabil und einsetzbar ist.
-
Nach dem Beschichtungs-Verfahren entsprechend Beispiel 7 werden klare, transparente und trockene Schichten mit folgenden Schicht-Parametern erhalten.
- – Ausgangs-Glanz: 162
- – Glanz-Verlust (100 Zyklen): 3,02%
- – Glanz-Verlust (500 Zyklen): 8,86%
- – Randwinkel gegen H2O: 80°
- – Randwinkel gegen Hexadecan: 48°
- – Gitterschnitt-Wert: 1
-
Beispiel 15
-
Herstellung eines anti-adhäsiven Beschichtungssystems mit den Komponenten aus den Beispielen 11 und 3
-
Die Verfahrensweise nach Beispiel 14 wird beibehalten. In einem 1-Liter-Glasgefäß werden 200 ml des Reaktionsproduktes aus Beispiel 11 vorgelegt. Bei Raumtemperatur erfolgt unter stetem Rühren die Zugabe von 115 ml Ethanol innerhalb von 15 Minuten. Daraufhin werden 168 ml der Komponente (B) aus Beispiel 3 unter Rühren innerhalb von 20 Minuten zudosiert. Nach einer Reaktionszeit von 30 Minuten ist das klare Sol einsatzbereit, welches für einen Tag stabil ist.
-
Die Beschichtung des Reaktiv-Sols wird entsprechend Beispiel 7 durchgeführt. Das Ergebnis ist eine klare, transparente und trockene Schicht. Die Schicht-Parameter sind wie folgt:
- – Ausgangs-Glanz: 164
- – Glanz-Verlust (100 Zyklen): 6,29%
- – Glanz-Verlust (500 Zyklen): 11,78%
- – Randwinkel gegen H2O: 84°
- – Randwinkel gegen Hexadecan: 51°
- – Gitterschnitt-Wert: 1
-
Beispiel 16
-
Herstellung eines anti-adhäsiven Beschichtungssystems mit den Komponenten aus den Beispielen 12 und 2
-
In einem 1-Liter-Glasgefäß werden 200 ml der Komponente (A) aus Beispiel 2 vorgelegt. Unter Rühren erfolgt bei Raumtemperatur innerhalb von 15 Minuten die Zugabe von 136 ml Ethanol. Dem schließt sich die Zudosierung von 211 ml des Reaktionsproduktes aus Beispiel 12 über einen Zeitraum von 30 Minuten an. Nach 30-minütigem Rühren des Reaktionsgemisches ist dieses einsatzbereit. Es wird ein klares Reaktiv-Sol erhalten, welches einen Tag stabil und einsatzbereit ist.
-
Nach dem Beschichtungs-Verfahren entsprechend Beispiel 7 werden klare, transparente und trockene Schichten mit folgenden Schicht-Parametern erhalten.
- – Ausgangs-Glanz: 159
- – Glanz-Verlust (100 Zyklen): 9,44%
- – Glanz-Verlust (500 Zyklen): 19,59%
- – Randwinkel gegen H2O: 98°
- – Randwinkel gegen Hexadecan: 45°
- – Gitterschnitt-Wert: 1
-
Beispiel 17
-
Herstellung eines anti-adhäsiven Beschichtungssystems mit den Komponenten aus den Beispielen 13 und 1
-
Die Verfahrensweise nach Beispiel 16 wird beibehalten. In einem 1-Liter-Glasgefäß werden 200 ml der Komponente (A) aus Beispiel 1 vorgelegt. Bei Raumtemperatur erfolgt unter Rühren die Zugabe von 190 ml Ethanol innerhalb von 15 Minuten. Daraufhin werden 268 ml des Reaktionsproduktes aus Beispiel 13 unter Rühren innerhalb von 20 Minuten zudosiert. Nach einer Reaktionszeit von 30 Minuten ist das klare Sol einsatzbereit.
-
Die Beschichtung des Reaktiv-Sols wird entsprechend Beispiel 7 durchgeführt. Das Ergebnis ist eine klare, transparente und trockene Schicht. Die Schicht-Parameter sind wie folgt:
- – Ausgangs-Glanz: 161
- – Glanz-Verlust (100 Zyklen): 7,12%
- – Glanz-Verlust (500 Zyklen): 16,75%
- – Randwinkel gegen H2O: 85°
- – Randwinkel gegen Hexadecan: 40°
- – Gitterschnitt-Wert: 1
-
Beispiel 18
-
Herstellung eines anti-adhäsiven Beschichtungssystems mit den Komponenten aus den Beispielen 10 und 13
-
In einem 1-Liter-Glasgefäß werden 100 ml des Reaktionsproduktes aus Beispiel 10 vorgelegt. Unter Rühren erfolgt bei Raumtemperatur die Zugabe von 120 ml Ethanol innerhalb von 10 Minuten. 132 ml des Reaktionsproduktes aus Beispiel 13 werden innerhalb von 20 Minuten zugegeben. Das Reaktionsgemisch wird weitere 30 Minuten gerührt und ist als klares Sol einsatzbereit.
-
Die Beschichtung des so erhältlichen Reaktiv-Sols erfolgt analog Beispiel 7 und führt zu folgenden Schicht-Parametern:
- – Ausgangs-Glanz: 151
- – Glanz-Verlust (100 Zyklen): 7,07%
- – Glanz-Verlust (500 Zyklen): 18,33%
- – Randwinkel gegen H2O: 85°
- – Randwinkel gegen Hexadecan: 35°
- – Gitterschnitt-Wert: 1
-
Beispiel 19
-
Beschichtung einer Edelstahl-Platte mit dem Reaktiv-Sol aus Beispiel 17
-
Eine gebürstete Edelstahl-Platte wurde nach Reinigung in die Reaktiv-Losung aus Beispiel 17 getaucht und nach dem Ablaufen uberschussiger Lösung für t = 5 min bei T = 90°C getrocknet. Das Ergebnis ist eine transparente, klare und trockene Schicht, die sehr gut auf dem Substrat haftet. Der Gitterschnitt-Test führt zu einem Wert von 1, und der Randwinkel gegen H2O beträgt 90°.
-
Bei Fingerkontakt zeigt die beschichtete Fläche eine deutlich verringerte Fingerprint-Empfindlichkeit im Vergleich zur unbeschichteten Fläche. Lediglich kontrastarme Abdrücke werden erhalten, die sich leicht rückstandslos wieder entfernen lassen.
-
Beispiel 20
-
Beschichtung einer Glas-Platte mit dem Reaktiv-Sol aus Beispiel 17
-
Analog Beispiel 19 wurde eine Glas-Platte in die Reaktiv-Lösung aus Beispiel 17 getaucht, zunächst für eine Minute an der Luft und anschließend bei T = 90°C für einen Zeitraum von t = 5 min getrocknet. Als Ergebnis wird eine klare und trockene Schicht erhalten, die sehr gut haftet (Gt-Wert: 1). Der Randwinkel gegen H2O beträgt 88°.