DE19962055A1

DE19962055A1 - Photokatalytisch aktive Beschichtung

Info

Publication number: DE19962055A1
Application number: DE19962055A
Authority: DE
Inventors: Sandra Beling; Andreas Mehner
Original assignee: IWT STIFTUNG INST fur WERKSTO
Current assignee: IWT STIFTUNG INST fur WERKSTO
Priority date: 1999-12-22
Filing date: 1999-12-22
Publication date: 2001-06-28

Abstract

Die Erfindung betrifft eine photokatalytisch aktive Beschichtung, die sich durch hohe biozide Wirksamkeit sowie durch Kratzfestigkeit und geringe Oberflächenrauheit auszeichnet. Mit den bisher zur Herstellung biozider Oberflächen angewendeten Verfahren können keine glatten, kratzfesten Schichten von genau definierter Dicke und Zusammensetzung aufgebracht werden. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine photokatalytisch aktivierbare Schicht mit dem Sol-Gel Verfahren auf die gewünschte Oberfläche aufgebracht wird. Dazu wird ein Sol als dünner Film auf die zu beschichtende Oberfläche aufgetragen. Beim Trocknen geht der Solfilm in einen Gelzustand über und wird durch anschließende Wärmebehandlung in einen kristallinen Oxidfilm umgewandelt. Bei dem Beschichtungsmaterial kann es sich um ein reines Oxid, beispielsweise TiO¶2¶, ein dotiertes Oxid oder ein Mischoxid handeln. Die Schichtdicke kann durch Mehrfachbeschichtung erhöht werden. Zur Erhöhung der Wirksamkeit kann noch eine weitere Schicht aus einem anderen Material aufgebracht werden. DOLLAR A Die Zerstörung anhaftender Keime geschieht durch photokatalytische Aktivierung der Beschichtung bei Bestrahlung mit UV-Licht.

Description

Die Erfindung betrifft eine photokatalytisch aktive Beschichtung.

Viele Bereiche des täglichen Lebens erfordern besonders hygienische Oberflächen. Dies ist beispielsweise in Klimaanlagen von Gebäuden oder in Fahrzeuglüftungssystemen der Fall. Besonders an schwer zugänglichen Oberflächen können sich ungestört Keime an sammeln, die zu Geruchsbelästigungen führen oder sogar eine gesundheitliche Gefahr darstellen, wenn sie in die Umwelt gelangen. Die Anwendung herkömmlicher biozider Mittel zur Reinigung stellt jedoch ebenfalls eine Gefahr für Mensch und Umwelt dar.

Es ist bekannt, daß photokatalytisch aktive Materialien eine biozide Wirkung zeigen, wenn sie mit UV-Licht bestrahlt werden. In Photokatalysatoren entstehen durch die Anregung mit ausreichend energiereichem Licht frei bewegliche Ladungsträger, Elektronen und Löcher, die mit an der Oberfläche anhaftenden Substanzen reagieren können. Der ge naue Mechanismus bei der Zerstörung von Keimen ist zwar noch nicht bekannt, aber man geht davon aus, daß negativ geladene Ionen, z. B. Sauerstoffionen oder Hydroxylgruppen (OH^-) auf der Oberfläche des Photokatalysators entstehen, welche die Zellmembran von Mikroorganismen zerstören können.

Schon heute können Oxidfilme naßchemisch mit dem Sol-Gel Verfahren abgeschieden werden. Oberflächenschichten zur photokatalytischen Desinfektion wurden bisher jedoch mit Verfahren aufgebracht, bei denen entweder Oxidpulver in ein organisches Trägerma terial eingeschmolzen wird oder indem das Oxidpulver zusammen mit einem flüssigen Zusatzstoff als Schlicker aufgetragen und anschließend getrocknet wird.

Der Nachteil dieser Verfahren besteht darin, daß keine glatten Schichten von genau defi nierter Dicke und Zusammensetzung aufgebracht werden können und daß die Haftfestig keit und Kratzfestigkeit der Schichten den gestellten Anforderungen nicht genügend ent spricht. Außerdem können mit den bisher angewendeten Verfahren nur matte oder mil chige Oberflächen erzeugt werden.

Insbesondere bei Oberflächen, die mechanisch belastet werden, beispielsweise auf Labortischen, sind kratzfeste Oberflächen erforderlich. Rauhe Oberflächen sind ebenfalls unerwünscht, weil dort nicht nur Keime leichter anhaften können, sondern auch Staub und Schmutzpartikel. Dies kann unter Umständen zu einer Beeinträchtigung der bioziden Oberflächeneigenschaften führen. Die biozide Wirkung einer Oberflächenschicht hängt von der Schichtzusammensetzung und der Schichtdicke ab. Um optimale Schichteigen schaften zu erzielen müssen diese beiden Parameter definiert und reproduzierbar einge stellt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine photokatalytisch aktivierbare Oberflä chenbeschichtung mit biozider Wirkung herzustellen, die sich durch Kratzfestigkeit und geringe Oberflächenrauheit auszeichnet.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß eine photokatalytisch aktivierbare Oberflächen schicht mit dem Sol-Gel Verfahren auf die gewünschte Oberfläche aufgebracht wird. Dazu wird ein Sol hergestellt, das entsprechende organische oder anorganische Chemikalien oder eine Mischung aus beiden enthält, die durch chemische Reaktion in das gewünschte Beschichtungsmaterial überführt werden können. Das Sol wird als dünner Film auf die zu beschichtende Oberfläche aufgetragen, der beim Trocknen in einen Gelzustand übergeht. Durch eine anschließende Wärmebehandlung wird der Oberflächenfilm in einen kristalli nen Oxidfilm umgewandelt. Die Prozeßführung wird so gewählt, daß eine glatte und riß freie Oberflächenbeschichtung entsteht. Bei dem Beschichtungsmaterial kann es sich um ein reines Oxid, beispielsweise TiO₂, ein dotiertes Oxid oder ein Mischoxid handeln. Der Beschichtungs-, Trocknungs- und Wärmebehandlungsprozeß kann mehrfach wiederholt werden, um die Schichtdicke zu erhöhen.

Durch Bestrahlung mit UV-Licht, wird der Oxidfilm photokatalytisch aktiviert und anhaften de Keime werden zerstört. Zur Erhöhung der Wirksamkeit kann noch eine weitere Schicht aus einem anderen Material aufgebracht werden.

Ausführungsbeispiele Beispiel 1

Ein Titanalkoholat (z. B. Titantetraisopropylat), ein Alkohol (z. B. 2-Propanol) und Acetyla ceton werden im molaren Verhältnis 1 : 10-200 : 0,2-5 vermischt. In einem zweiten Gefäß wird die gleiche Menge Alkohol (z. B. 2-Propanol) wie vorher mit destilliertem Wasser im molaren Verhältnis 1 : 0-500 vermischt. Danach wird die Alkohol/Wasser Lösung zu dem Titanalkoholat/Alkohol/Acetylaceton-Gemisch gegeben und 2-30 min lang verrührt. Zum Schluß werden 0-50 Gewichtsprozent Polyetylenglycol zugegeben und so lange gerührt, bis ein klares Sol entsteht. Das Substrat kann mit Methoden nach dem Stand der Technik beschichtet werden (z. B. Dipcoating, Draincoating, Spincoating, aufpinseln). Die Schicht läßt man an Luft oder im Trockenschrank bei einer Temperatur von 0-150°C 0-10 h lang trocknen. Anschließend wird eine Wärmebehandlung bei 300-1000°C durchgeführt, wo bei sich eine polykristalline Schicht aus Titandioxid bildet. Der Beschichtungsvorgang wird 1-20 mal wiederholt.

Ein Aluminiumalkoholat (z. B. Aluminium-tri-sekbutylat), ein Alkohol (z. B. 2-Propanol) und Acetylaceton werden im molaren Verhältnis 1 : 10-200 : 0,2-5 vermischt. In einem zweiten Gefäß wird die gleiche Menge Alkohol (z. B. 2-Butanol) wie vorher mit destilliertem Was ser im molaren Verhältnis 1 : 0-500 vermischt. Danach wird die Alkohol/Wasser Lösung zu dem Aluminiumalkoholat/Alkohol/Acetylaceton-Gemisch gegeben und 2-30 min lang verrührt. Zum Schluß werden 0-50 Gewichtsprozent Polyetylenglycol zugegeben und so lange gerührt, bis ein klares Sol entsteht. Das aluminiumhaltige Sol mischt man mit einem nach Beispiel 1 hergestellten titanhaltigen Sol, so daß das Verhältnis Al : Ti 1 : 1-10.000 beträgt. Das Substrat kann mit Methoden nach dem Stand der Technik beschichtet werden (z. B. Dipcoating, Draincoating, Spincoating, aufpinseln). Die Schicht läßt man an Luft oder im Trockenschrank bei einer Temperatur von 0-150°C 0-10 h lang trocknen. Anschlie ßend wird eine Wärmebehandlung bei 300-1000°C durchgeführt, wobei sich eine polykri stalline Schicht bildet. Der Beschichtungsvorgang wird 1-20 mal wiederholt.

Ein Vorteil dieser Beschichtungsmethode gegenüber dem Stand der Technik ist, daß die Schichteigenschaften, wie beispielsweise Schichtzusammensetzung, Porosität und Schichtdicke, durch die Wahl der Solzusammensetzung sowie der Beschichtungs- und Wärmebehandlungsparameter sehr genau eingestellt werden können. Insbesondere kön nen bei hoher Reinheit der Ausgangschemikalien sehr reine Schichten hergestellt werden. Da mit dem Sol zunächst eine Vorstufe des eigentlichen Beschichtungsmaterials aufge bracht wird, können sich im weiteren Verlauf des Beschichtungsprozesses feste Bindun gen zwischen Schicht und Unterlage ausbilden, was zu einer guten Schichthaftung führt.

Claims

1. Photokatalytisch aktive Beschichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung aus einem oxidischen Halbleitermaterial besteht und mit dem Sol-Gel Verfahren auf ein Trägermaterial aufgebracht wird und bei Bestrahlung mit UV-Licht keimtötend wirkt.

2. Photokatalytisch aktive Beschichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht auf einem anorganischen Trägermaterial aufgebracht wird.

3. Photokatalytisch aktive Beschichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägermaterial mit einem flüssigen Sol beschichtet wird, das Kolloide oder Polyme re enthält, die durch anschließende Trocknung und Wärmebehandlung in ein anorgani sches Oxid überführt werden.

4. Photokatalytisch aktive Beschichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der auf das Trägermaterial aufgebrachte Solfilm beim Trocknen ein Gelstadium durchläuft.

5. Photokatalytisch aktive Beschichtung einem der Ansprüche 3 und 4, dadurch gekenn zeichnet, daß das Sol auf der Basis von organischen oder anorganischen Metallver bindungen hergestellt wird.

6. Photokatalytisch aktive Beschichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Sol Titanalkoholate als Ausgangsstoffe enthält.

7. Photokatalytisch aktive Beschichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch ge kennzeichnet, daß dem Sol eine oder mehrere organische oder anorganische Verbin dungen zur Stabilisierung zugesetzt werden.

8. Photokatalytisch aktive Beschichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß Acetylaceton im Sol enthalten ist.

9. Photokatalytisch aktive Beschichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß Alkohol im Sol enthalten ist.

10. Photokatalytisch aktive Beschichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß Essigsäure im Sol enthalten ist.

11. Photokatalytisch aktive Beschichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung aus mindestens einer Schicht besteht.

12. Photokatalytisch aktive Beschichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht aus reinem Titandioxid besteht.

13. Photokatalytisch aktive Beschichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht aus dotiertem Titandioxid besteht.

14. Photokatalytisch aktive Beschichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht aus einem Gemisch aus Titandioxid mit einem ande ren Oxid besteht.

15. Photokatalytisch aktive Beschichtung nach einem der einem der vorherigen Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine weitere Schicht aufgebracht ist, die den keimtötenden Effekt der Halbleiterschicht verstärkt.

16. Verfahren zur Aufbringung einer photokatalytisch aktiven Beschichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Sol mit einem Tauch verfahren auf das Substrat gebracht wird.

17. Verfahren zur Aufbringung einer photokatalytisch aktiven Beschichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Sol auf das Substrat ge sprüht wird.

18. Verfahren zur Aufbringung einer photokatalytisch aktiven Beschichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Sol auf das Substrat ge pinselt wird.

19. Verfahren zur Aufbringung einer photokatalytisch aktiven Beschichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Sol durch Rotieren des Substrats gleichmäßig verteilt wird.

20. Oberfläche nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie nach dem vorher beschriebenen Verfahren mit einer photokatalytisch aktiven Schicht versehen wurde.