DE4132230A1 - Verwendung von kugelfoermigem siliciumdioxid - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung von kugelförmigem amorphem Siliciumdioxid in Lacken.

Oberflächen von Holz-, Kunststoff- oder Metallteilen werden in der Regel mit Lackfilmen zur Verbesserung der Haltbarkeit oder zur Erzielung optischer Eindrücke mit farblosen, gefärbten oder pigmentierten Lackfilmen überzogen. Oftmals ist statt einer glänzenden Oberfläche eine Abschwächung der Lichtreflexe er­ wünscht. Dies läßt sich durch Einarbeitung von feinen Teilchen, wie z. B. feinteiligem Polyethylenpulver oder vorzugsweise fein­ teiliger amorpher Kieselsäure, erreichen.

Die Teilchen erzeugen eine mikroskopisch rauhe Oberfläche, die eine diffuse Reflexion einfallender Lichtstrukturen bewirken. Zur Charakterisierung der Rauhigkeit einer mattierten Oberflä­ che, d. h. des Oberflächenprofils, dient ein Perthometer. Eine Abtastnadel wird über eine vorgegebene Wegstrecke über die Lack­ oberfläche geführt. Die Auslenkung der Nadel wird verstärkt, kann als Oberflächenprofilogramm geschrieben werden und dient zur Berechnung von charakteristischen Größen wie R_a, R_z und R_max (siehe DIN 4768). Üblicherweise wird eine möglichst niedrige Oberflächenrauhigkeit bei vorgegebenem Mattgrad gewünscht.

Bei anderen Anwendungen wird gezielt eine Oberflächenrauhigkeit mit Hilfe eines Lackfilms erzeugt, um beispielsweise eine bes­ sere Rutschfestigkeit oder bestimmte Oberflächeneffekte zu er­ zielen, wie sie bei Computergehäusen üblich sind. Nach dem Stand der Technik werden hierfür beispielsweise organische Pulver, Polypropylenpulver, Polyamidpulver oder durch Mahlung herge­ stellte, unregelmäßig geformte Siliciumdioxidteilchen verwendet. Oberflächen, die zunächst mit den diese Strukturierungmittel enthaltenden Lacken beschichtet worden sind, werden anschließend mit einer weiteren Lackschicht ohne Strukturierungsmittel über­ zogen, um zu einer Oberfläche mit gleichmäßig runden Erhebungen zu gelangen.

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, die bekannten Struktu­ rierungsmittel auf Basis von amorphem Siliciumdioxid zu verbes­ sern, um gleichmäßiger strukturierte Lackfilmoberflächen zu erzeugen, die eine erhöhte Abriebfestigkeit und Widerstandskraft gegen bleibende Verformung nach mechanischer Druckeinwirkung aufweisen.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird die Verwendung von kugelförmigem amorphem Siliciumdioxid mit einer Median-Teilchengröße von 15 bis 100 µm in Lacken zu Erzeugung von strukturierten Lackfilm­ oberflächen vorgeschlagen.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.

Es wurde überraschend gefunden, daß durch Verwendung von kugel­ förmigem amorphem Siliciumdioxid in Lacken sehr viel gleichmäßi­ ger strukturierte Lackfilmoberflächen erzielt werden können, die darüber hinaus eine erhöhte Abriebfestigkeit aufweisen und eine deutlich geringere bleibende Verformung nach mechanischer Druck­ einwirkung zeigen. Des weiteren ist die Tendenz zum Metallabrieb deutlich verringert. Wird ein Metallstück mit gewissem Druck über die Oberfläche eines Lacks gezogen, bleibt gegebenenfalls eine sichtbare Spur, hervorgerufen durch verbleibende Metall­ spuren und/oder bleibende Oberflächenverformung des Lackes. Beide Effekte werden durch die Erfindung vermindert, weil die runden Teilchen zu runden Oberflächenerhebungen führen. Dem Metallgegenstand wird dadurch der geringstmögliche Widerstand entgegengesetzt, weil er nur mit wenigen Stellen der Lackober­ fläche in Berührung kommt und an der kugeligen Form leichter abgleitet. Dieses Gleiten kann durch die Beschichtung der Teil­ chen mit einer geeigneten organischen Verbindung noch verstärkt werden (siehe die weiter unten folgenden Erläuterungen zur Ver­ meidung der Bildung von harten Sedimenten).

Die Eigenschaften der erfindungsgemäß erhaltenen Lackfilmober­ flächen sind häufig so gut, daß auf die Aufbringung einer weite­ ren Lackschicht ohne Strukturierungsmittel verzichtet werden kann. Dies stellt selbstverständlich eine erhebliche Vereinfa­ chung und Kosteneinsparung dar.

Der Begriff "kugelförmig" bedeutet, daß die amorphen Siliciumdi­ oxidteilchen überwiegend ohne scharfe Ecken und Kanten vorlie­ gen. Dabei sollen die erfindungsgemäß geeigneten Siliciumdioxid­ teilchen von der idealen Kugelform möglichst wenig abweichen. Das Verhältnis von maximalem zu minimalem Durchmesser der ein­ zelnen Siliciumdioxidteilchen soll vorzugsweise nicht mehr als 2 betragen.

Siliciumdixoidteilchen mit scharfen Ecken und Kanten entstehen typischerweise bei Zerkleinerungsprozessen, während runde Teil­ chen bei Aufbauprozessen, wie Sprühtrocknung oder Granulation entstehen. Die Herstellung von erfindungsgemäß zu verwendenden kugelförmigem Siliciumdioxid erfolgt beispielsweise dadurch, daß ein nach dem Sol-Gel-Verfahren hergestelltes Siliciumdioxid im Hydrogelzustand, d. h. bevor es getrocknet wird, zerkleinert wird, ohne daß ein wesentlicher Wasserverlust eintritt. Dies erfolgt vorzugsweise in einer Rührwerks- bzw. Perlmühle (siehe z. B. H. Dürr "Direkt-Dispergieren von Feststoffen in Flüssigkei­ ten", "CAV", Ausgabe 3/1974). Das so zerkleinerter Siliciumdi­ oxid wird dann resuspendiert und die erhaltene Suspension wird in einem Sprühtrockner getrocknet. Anstelle von nach dem Sol- Gel-Verfahren hergestelltem Siliciumdioxid können als Ausgangs­ stoff auch auf pyrogenem Wege (siehe z. B. R. Iler, The Colloid Chemistry of Silica and Silicates, Seiten 168 und 169), durch Fällung (siehe z. B. DE-OS 38 15 670) oder durch Dialyse (siehe z. B. EP-PS 01 07 142) hergestellte Siliciumdioxide oder kolloi­ dale Kieselsäuren (siehe z. B. R. Iler, The Colloid Chemistry of Silica and Silicates, Seiten 87 bis 89) verwendet werden. Pyro­ gene Kieselsäure liegt immer in ausreichender Feinheit vor, so daß eine Partikelgrößeneinstellung nicht erforderlich ist. Da sie aufgrund des Herstellungsverfahrens nur in wasserfreier Form anfällt, wird sie, so wie sie ist, in Wasser suspendiert und dann sprühgetrocknet. Gefällte oder durch Dialyse hergestellte Kieselsäuren werden vorzugsweise im Hydrogelzustand durch Mah­ lung auf die erforderliche Teilchengröße eingestellt und dann suspendiert und sprühgetrocknet. Es können aber auch getrocknete Xerogelformen verwendet werden, wobei wiederum so vorgegangen wird, daß die geeignete Teilchengröße eingestellt und dann sus­ pendiert und sprühgetrocknet wird.

Die Teilchengrößenverteilung wird durch die verwendete Sprühein­ richtung des Sprühtrockners sowie die Trocknungsbedingungen, (z. B. die Konzentration der Suspension) eingestellt. Eine genaue Anpassung im Hinblick auf die jeweilige Anwendung kann durch nachträgliche Siebung oder Windsichtung erfolgen.

Um die Bildung von harten Sedimenten bei längerem Stehen eines erfindungsgemäß kugelförmiges Siliciumdioxid enthaltenden Lackes zu verhindern, kann es vorteilhaft sein, der Suspension von Siliciumdioxid in Wasser eine emulgier- oder dispergierbare flüssige oder feste organische Komponente zuzusetzen. Hierfür geeignete Wachse und Kunststoffe sind beispielsweise in der DE- PS 10 06 100 und der DE-AS 15 92 865 beschrieben, auf deren Offenbarung hiermit in vollem Umfang Bezug genommen wird.

Die Feststoffkonzentration der versprühten Siliciumdioxidsus­ pension beträgt im allgemeinen 2 bis 30 Gew.%. Das Versprühen erfolgt vorzugsweise durch rotierende Düsen mit einer Umlaufge­ schwindigkeit von 100 bis 180 m/sec, kann aber auch durch Druck geschehen. Die Trocknung erfolgt bei Lufteintrittstemperaturen von 400 bis 600°C und Austrittstemperaturen von 110 bis 180°C.

Erfindungsgemäß wird kugelförmiges amorphes Siliciumdioxid mit einer Median-Teilchengröße (Median-Durchmesser) von 15 bis 100 µm und vorzugsweise 25 bis 80 µm verwendet (bezüglich der Definition der Median-Teilchengröße siehe DIN 5 3206). Die Mes­ sung der Teilchengröße des Siliciumdioxids erfolgt nach dem Laserbeugungsverfahren. Hierfür geeignete Geräte sind im Handel erhältlich (z. B. HELOS von der Fa. SYMPATEC GmbH). Die Messung erfolgt nach Dispergierung des Pulvers mit Ultraschall in Was­ ser.

Die mit den erfindungsgemäß kugelförmiges amorphes Siliciumdi­ oxid enthaltenden Lacken hergestellten Lackoberflächen weisen gegenüber Lackfilmoberflächen aus herkömmliche Mattierungsmittel enthaltenden Lacken eine deutlich veränderte Oberflächenrauhig­ keit auf. Dies haben Messungen von Rauhigkeitsprofilen ergeben, die nach DIN 4768 unter Einschaltung eines Hochpaßfilters mit einer Grenzwellenlänge λc von 2,5 mm durchgeführt wurden. Die Taststrecke betrug 10 mm. Die Abtastung erfolgte in die Rich­ tung, in der der Lack aufgezogen wurde. Die Meßwerte sind al­ lerdings unabhängig von der Tastrichtung. Für die Messungen wurden Geräte der Fa. Perthen, nämlich das Vorschubgerät Typ PVK, das Perthometer Typ C3A und der Perthograph C40 verwendet.

Aus den durchgeführten Messungen der Rauhigkeitsprofile ergab sich, daß Lackfilmoberflächen, die mit erfindungsgemäß kugelför­ miges amorphes Siliciumdioxid enthaltenden Lacken hergestellt worden waren, Oberflächenrauhigkeitswerte R_a von mehr als 2,5 µm, insbesondere mehr als 4,0 µm, und R_z von mehr als 20 µm, ins­ besondere mehr als 25 µm aufweisen. R_a kann bei den erfindungs­ gemäß erzeugten Lackfilmoberflächen ohne weiteres Werte von mehr als 10 µm erreichen, während R_z Werte von mehr als 50 µm errei­ chen kann.

Für die Erzeugung von strukturierten Lackfilmoberflächen mit texturiertem Erscheinungsbild eignen sich aufgrund ihrer mecha­ nischen und chemischen Eigenschaften insbesondere Polyurethan­ lacke. Es können aber auch andere Lacke verwendet werden wie beispielsweise Lacke auf Basis von Epoxidharzen, Acrylharzen und Alkyd-Aminoharzkombinationen.

Beispiel

Es wurde ein Hydrogel nach dem Sol-Gel-Verfahren hergestellt, indem eine verdünnte Schwefelsäure mit einer Natriumwasserglas­ lösung gemischt wurde. Das nach der Reaktion verfestigte Kiesel­ säuregel wurde mit Wasser gewaschen, um das entstandene Natrium­ sulfat zu entfernen und dann mit Ammoniak 4 Stunden gealtert. Durch eine anschließende Waschung wurde das Ammoniak wieder entfernt. Das so hergestellte Hydrogel wurde mit einer Perlmühle auf eine Median-Teilchengröße von 10 µm eingestellt und an­ schließend in Wasser suspendiert. Die Suspension mit einem Fest­ stoffanteil von 12 Gew.% wurde in einem Sprühtrockner mit Hilfe von rotierenden Düsen (siehe oben) versprüht und anschließend im Gleichstrom (siehe oben) getrocknet.

Die Teilchengrößenverteilung des so erhaltenen Siliciumdioxids wurde eingeengt, indem Grobkorn mit einer Größe von mehr als 80 µm und Feingut mit einer Größe von weniger als 10 µm jeweils durch Windsichtung entfernt wurden. Die erhaltene mittlere Frak­ tion besaß eine Median-Teilchengröße von 40 µm. Dieses Produkt wurde in einen pigmentierten Polyurethanlack eingearbeitet, so daß die Siliciumdioxidkonzentration 4,0 Gew.% betrug. Der Lack wurde mit einer Naßfilmstärke von 120 bis 150 µm aufgespritzt und getrocknet. Die erhaltene Trockenfilmstärke betrug 60 bis 70 µm. Dies ist ein typischer Wert für pigmentierte Zweikomponen­ ten-Polyurethansysteme. Das Rauhigkeitsprofil der Lackfilmober­ fläche, die mit diesem Lack erhalten wurde, wurde gemessen und es ergaben sich folgende Kennwerte:
R_a: 10,5 µm,
R_z: 67 µm,
R_max: 70 µm.

Claims (4)

1. Verwendung von kugelförmigem amorphem Siliciumdioxid mit einer Median-Teilchengröße von 15 bis 100 µm in Lacken zur Erzeugung von strukturierten Lackfilmoberflächen mit textu­ riertem Erscheinungsbild.

2. Verwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Median-Teilchengröße des Siliciumdioxids 25 bis 80 µm be­ trägt.

3. Verwendung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von maximalem zu minimalem Durchmesser der einzelnen Siliciumdioxidteilchen nicht mehr als 2 be­ trägt.

4. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Lackfilmoberfläche Oberflächenrauhigkeits­ werte R_a von mehr als 2,5 µm, insbesondere mehr als 4,0 µm, und R_z von mehr als 20 µm, insbesondere mehr als 25 µm, aufweist.