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Diese
Erfindung betrifft auf Oberflächenbehandlungsmittel,
beispielsweise zur Behandlung von Glas-, Glaslinsen-, Spiegel-,
Kunststoff-, Kunststofflinsen-, Metall-, Keramik-, Porzellan- und
Steingutoberflächen
zur Bildung von fäulnisverhindernden
Beschichtungen, die vorzugsweise nicht klebrig, nicht an Staub und Schmutz
haftend und sowohl wasser- als auch ölabweisend sind. Sie betrifft
auch mit den Oberflächenbehandlungsmitteln
behandelte Gegenstände.
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Nach
dem Stand der Technik ist es bekannt, optische Linsen, wie z.B.
Okular- und Kameralinsen, mit Schichten aus gehärteten Silikon- und/oder Fluorkohlenstoffpolymeren
zu überziehen,
um den Linsen so fäulnisverhindernde
und wasserabweisende Eigenschaften zu verleihen. Die zu diesem Zweck
bisher vorgeschlagenen Behandlungsmittel sind typischerweise trifunktionelle
Organosiliciumverbindungen, wie z.B. C8F17C2H4SiCl3 und C4F9C2H4Si(NH)3/2 oder partielle Hydrolysate davon, wie
sie in der JP-A 60-221470 offenbart sind.
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Werden
Substrate ausschließlich
mit solchen trifunktionellen Verbindungen behandelt, so wird die Oberfläche nur
mit einem Polymer mit dreidimensionaler Struktur bedeckt, so dass
die Oberfläche
flexibel oder eher klebrig bleibt. Staub- und Schmutzpartikel sowie
bei Berührung
hinterlassene Fingerabdrücke
haften daher unerwünschterweise
an der Oberfläche.
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JP-A
11-116809 und JP-A 11-116810 schlagen in der Folge die Verwendung
von Oberflächenbehandlungsmitteln,
bestehend aus einer trifunktionellen fluorierten Silazanverbindung
und einem Organopolysiloxan vor, das eine hydrolysierbare Gruppe,
wie z.B. eine Alkoxygruppe, enthält.
Die hydrolysierbare Gruppe, wie z.B. die Alkoxygruppe, kann jedoch
bei der Härtung
störend
wirken.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung kann ein Oberflächenbehandlungsmittel
bereitgestellt werden, das fäulinsverhindernde,
wasser- und ölabweisende
Eigenschaften aufweist und effektiv zu einer fäulnisverhindernden Beschichtung, an
deren Oberfläche
Staub und Schmutz nicht haften, gehärtet werden kann. In einem
weiteren Aspekt der Erfindung können
oberflächenbehandelte
Gegenstände
bereitgestellt werden.
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Es
wurde festgestellt, dass das Reaktionsprodukt, welches durch Umsetzen
eines Gemischs aus einer Organosiliciumverbindung der allgemeinen
Formel (1) und einer Organosiliciumverbindung der allgemeinen Formel
(2) mit Ammoniak erhalten wird, oder ein Gemisch aus dem durch Umsetzen
einer Organosiliciumverbindung der allgemeinen Formel (1) mit Ammoniak
erhaltenen Reaktionsprodukt und dem durch Umsetzen einer Organosiliciumverbindung
der allgemeinen Formel (2) mit Ammoniak erhaltenen Reaktionsprodukt
als Oberflächenbehandlungsmittel
wirksam ist. Werden Substratoberflächen, wie z.B. Glas, Glaslinsen,
Spiegel, Kunststoffe, Kunststofflinsen, Metalle, Keramik, Porzellan
und Steingut, damit behandelt, so bildet sich auf den Substratoberflächen eine
fäulnisverhindernde
Beschichtung, die kaum oder im Wesentlichen nicht klebrig ist, auf
der Staub und Schmutz kaum oder im Wesentlichen nicht haften und
die sowohl Wasser- als auch ölabweisend
ist.
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Darin
ist Rf eine fluorierte organische Gruppe mit 1 bis 12 Kohlenstoffatomen,
R1 ist eine einwertige Kohlenwasserstoffgruppe
mit 1 bis 10 Kohlenstoffatomen, X ist ein Halogenatom, und "a" = 0, 1 oder 2.
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Darin
sind die R2, die gleich oder unterschiedlich
sein können,
einwertige Kohlenwasserstoffgruppen mit 1 bis 10 Kohlenstoffatomen,
R3 ist eine einwertige Kohlen wasserstoftgruppe
mit 1 bis 10 Kohlenstoftatomen, die ein Fluoratom enthalten kann,
R4 ist eine hydrolysierbare Gruppe der allgemeinen
Formel (3), R5 und R6 sind
wie für
R2 oder R4 definiert,
k ist eine ganze Zahl von 0 bis 100, m ist eine ganze Zahl von 0
bis 100, n ist eine ganze Zahl von 0 bis 5, und k+m+n = 0 bis 200,
mit der Maßgabe,
dass die Verbindung der Formel (2) zumindest ein R4 pro
Molekül
aufweist.
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Darin
ist R1 eine einwertige Kohlenwasserstoffgruppe
mit 1 bis 10 Kohlenstoffatomen, R8 ist eine
zweiwertige Kohlenwasserstoffgruppe mit 2 bis 10 Kohlenstoftatomen
oder ein Sauerstoffatom, X ist ein Halogenatom, und "b" = 0, 1 oder 2.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN
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In
der ersten Ausführungsform
der Erfindung enthält
das Oberflächenbehandlungsmittel
das durch Umsetzen eines Gemischs aus (A) einer Organosiliciumverbindung
der allgemeinen Formel (1) und (B) einer Organosiliciumverbindung
der allgemeinen Formel (2) mit Ammoniak erhaltene Reaktionsprodukt.
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Darin
ist Rf eine fluorierte organische Gruppe mit 1 bis 12 Kohlenstoffatomen,
R1 ist eine einwertige Kohlenwasserstoffgruppe
mit 1 bis 10 Kohlenstoffatomen, X ist ein Halogenatom, und "a" = 0, 1 oder 2.
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Darin
sind die R2, die gleich oder unterschiedlich
sein können,
einwertige Kohlenwasserstoffgruppen mit 1 bis 10 Kohlenstoffatomen,
R3 ist eine einwertige Kohlenwasserstoffgruppe
mit 1 bis 10 Kohlenstoftatomen, die ein Fluoratom enthalten kann,
R4 ist eine hydrolysierbare Gruppe der allgemeinen
Formel (3), R5 und R6 sind wie für R2 oder R4 definiert,
k ist eine ganze Zahl von 0 bis 100, m ist eine ganze Zahl von 0
bis 100, n ist eine ganze Zahl von 0 bis 5, und k+m+n = 0 bis 200,
mit der Maßgabe,
dass die Verbindung der Formel (2) zumindest ein R4 pro
Molekül
aufweist.
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Darin
ist R7 eine einwertige Kohlenwasserstoffgruppe
mit 1 bis 10 Kohlenstoffatomen, R8 ist eine
zweiwertige Kohlenwasserstoffgruppe mit 2 bis 10 Kohlenstoftatomen
oder ein Sauerstoffatom, X ist ein Halogenatom, und "b" = 0, 1 oder 2.
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In
Formel (1) sind die durch Rf dargestellten fluorierten organischen
Gruppen nicht entscheidend, solange sie über 1 bis 12 Kohlenstoffatome
verfügen.
Typisch sind hierfür
Perfluoralkylengruppen, die entweder direkt oder über eine
Alkylengruppe an ein Siliciumatom gebunden sind. Zu empfehlen sind
Perflouralkylengruppen, dargestellt durch
worin p eine ganze Zahl zwischen
1 und 8, vorzugsweise zwischen 4 und 8, ist, q eine ganze Zahl zwischen
0 und 10, vorzugsweise 2 oder 3, ist, und p+q = 1 bis 12 ist. Beispiele
hierfür
sind CF
3-C
2H
4-, C
4F
9-C
2H
4-, C
BF
17-C
2H
4-
und C
8F
17-C
3H
6-Gruppen. Beispiele
für die
durch R
1 dargestellten einwertigen Kohlenwasserstoffgruppen
sind unter anderem Alkylgruppen, wie z.B. Methyl, Ethyl, Propyl,
Butyl und Hexyl, Alkenylgruppen, wie z.B. Vinyl und Allyl, Arylgruppen,
wie z.B. Phenyl und Tolyl, sowie Aralkylgruppen, wie z.B. Benzyl.
Davon werden Methyl, Ethyl, Propyl und Phenyl bevorzugt, wobei Methyl
besonders bevorzugt wird.
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Für die in
den Formeln (2) und (3) durch R2, R3 und R7 dargestellten
einwertigen Kohlenwasserstoffgruppen gelten die für R1 angeführten
Beispiele. Die durch R3 dargestellten einwertigen
Kohlenwasserstoffgruppen können
Fluoratome enthalten; solche Gruppen sind beispielsweise die oben
genannten Alkyl-, Alkenyl-, Anl- und Aralkylgruppen, bei denen einige
oder alle der an Kohlenstoffatome gebundenen Wasserstoffatome durch
Fluoratome ersetzt sind, sowie die für Rf angeführten Beispiele von Gruppen,
im Speziellen Perfluoralkylengruppen der Formel CpF2p+1CqH2q-.
Beispiele für
die durch R6 dargestellten zweiwertigen
Kohlenwasserstoffgruppen sind unter anderem Alkylengruppen, wie
z.B. Ethylen, Propylen, Butylen und Hexylen. Beispiele für die durch
X dargestellten Halogenatome sind Chlor und Brom, wobei Chlor besonders
bevorzugt wird. Der Buchstabe k steht für eine ganze Zahl von 0 bis
100, vorzugsweise 0 bis 50; m ist eine ganze Zahl von 0 bis 100,
vorzugsweise 0 bis 25; n ist eine ganze Zahl von 0 bis 5; und k+m+n
= 0 bis 200, vorzugsweise 0 bis 70.
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Die
Organosiliciumverbindung der Formel (2) enthält mindestens ein R4, d.h. eine hydrolysierbare Gruppe der Formel
(3), pro Molekül.
Die hydrolysierbare Gruppe kann entweder an eine Seitenkette oder
an das Ende des Polysiloxanmoleküls
oder an beide gebunden sein.
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Beispiele
für die
Organosiliciumverbindung der Formel (2) werden nachstehend angeführt.
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Darin
sind R2, R3, R7, R8,X, k, m, n
und b wie oben definiert. Vorzugsweise ist b=0. Nachstehend werden
Beispiele für
die Organosiliciumverbindung der Formel (2) zur Illustration und
nicht als Einschränkung
angeführt.
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Das
Mischungsverhältnis
zwischen (A) der Organosiliciumverbindung der Formel (1) und (B)
der Organosiliciumverbindung der Formel (2) ist nicht entscheidend,
obwohl es, auf das Gewicht bezogen, vorzugsweise von 1:0,1 bis 0,1:1,
insbesondere von 0,5:1 bis 1:0,5, reicht. Außerhalb dieser Bandbreite können zu geringe
Mengen der -6- Organosiliciumverbindung
der Formel (1) zu verringerten ölabweisenden
Eigenschaften führen,
während
zu geringe Mengen der Organosiliciumverbindung der Formel (2) zu
eher klebrigen Oberflächenbeschichtungen
führen
kann. In beiden Fällen
können
die gewünschten
fäulnisverhindernden
Eigenschaften gegebenenfalls nicht erzielt werden.
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Beim
Umsetzen des Gemischs der Organosiliciumverbindungen der Formeln
(1) und (2) mit Ammoniak wird das Gemisch vorher in einem geeigneten
Lösungsmittel
gelöst.
Das dazu verwendete Lösungsmittel ist
nicht entscheidend, aber aufgrund von guter Löslichkeit werden solche bevorzugt,
die Fluoratome enthalten, wie z.B. m-Xylolhexafluorid, Pentafluordichlorpropan
und Octadecafluoroctan.
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Zur
Reaktion mit Ammoniak wird Ammoniakgas in das Gemisch eingeblasen,
sodass das Ammoniak mit den Halogenatomen der Organosiliciumverbindungen
der Formeln (1) und (2) reagiert. Was die Reaktionsbedingungen betrifft,
so wird zumindest eine den Halogenatomen entsprechende äquimolare
Menge an Ammoniak bei Temperaturen zwischen Raumtemperatur und einer
unter dem Siedepunkt des Lösungsmittel
liegenden Temperatur umgesetzt. Die Reaktion läuft binnen kurzer Zeit vollständig ab.
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Am
Ende Reaktion wird das entstandene Ammoniumchlorid abfiltriert.
Das Reaktionsprodukt kann entweder sofort als Oberflächenbehandlungsmittel
verwendet werden oder, falls gewünscht,
zuvor noch mit einem der oben beschriebenen Lösungsrnittel verdünnt werden.
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In
einer zweiten Ausführungsform
der Erfindung enthält
das Oberflächenbehandlungsmittel
ein Gemisch aus
- (A')
dem durch Umsetzen von (A) einer Organosiliciumverbindung der allgemeinen
Formel (1) mit Ammoniak erhaltenen Reaktionsprodukt und
- (B') dem durch
Umsetzen von (B) einer Organosiliciumverbindung der allgemeinen
Formel (2) mit Ammoniak erhaltenen Reaktionsprodukt.
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Zur
Umsetzung der Komponenten (A) und (B) mit Ammoniak kann ein Verfahren
wie oben beschrieben eingesetzt werden. Die daraus resultierenden
Reaktionsprodukte werden vermischt, um das Oberflächenbehandlungsmittel
bereitzustellen.
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Das
Mischungsverhältnis
zwischen dem Reaktionsprodukt (A')
und dem Reaktionsprodukt (B')
ist nicht entscheidend, obwohl es, auf das Gewicht bezogen, vorzugsweise
von 1:0,1 bis 0,1:1, insbesondere von 0,5:1 bis 1:0,5, reicht. Außerhalb
dieser Bandbreite können
zu geringe Mengen an Reaktionsprodukt (A') zu verringerten ölabweisenden Eigenschaften
führen,
während
zu geringe Mengen an Reaktionsprodukt (B') zu einer eher klebrigen Oberflächenbeschichtung
führen.
In beiden Fällen
können
die gewünschten
fäulnisverhindernden
Eigenschaft nicht erzielt werden.
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Das
Oberflächenbehandlungsmittel
der zweiten Ausführungsform
kann auch, wie oben beschrieben, als Lösung in einem Lösungsmittel
eingesetzt werden.
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Das
Reaktionsprodukt (A')
enthält
hauptsächlich
eine Verbindung der allgemeinen Formel (4). Das Reaktionsprodukt
(B') enthält hauptsächlich eine
Verbindung der allgemeinen Formel (5). Auch das Reaktionsprodukt
der Umsetzung des Gemischs aus den Komponenten (A) und (B) mit Ammoniak
kann Verbindungen der Formeln (4) und (5) enthalten.
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Darin
sind Rf, R1, und "a" wie
oben definiert.
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Darin
sind R2, R3, k,
m und n wie oben definiert; R9 ist eine
hydrolysierbare Gruppe der folgenden Formel (6); R10 und
R11 sind wie R2 oder
R9 definiert; mit der Maßgabe, dass die Verbindung
der Formel (5) zumindest ein R9 pro Molekül aufweist.
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Darin
sind R7, R8 und
b wie oben definiert.
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Beispiele
für Verbindungen
der Formel (5) werden durch die folgenden Formeln dargestellt.
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Darin
sind R2, R3, R8, k, m, n und b wie oben definiert. Vorzugsweise
ist b = 0.
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Nachstehend
werden Beispiele für
Verbindungen der Formel (5) zur Illustration und nicht als Einschränkung angeführt.
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Demgemäß stellt
die Erfindung auch ein Oberflächenbehandlungsmittel
bereit, das Verbindungen der Formeln (4) und (5) enthält. Das
Mischungsverhältnis
zwischen der Verbindung der Formel (4) und der Verbindung der Formel
(5) reicht, auf das Gewicht bezogen, vorzugsweise von 1:0,1 bis
0,1:1, insbesondere von 0,5:1 bis 1:0,5. Außerhalb dieser Bandbreite können zu
geringe Mengen der Verbindung der Formel (4) zu verringerten ölabweisenden
Eigenschaften führen,
während
zu geringe Mengen der Verbindung der Formel (5) zu einer eher klebrigen
Oberflächenbeschichtung
führen
können.
In beiden Fällen
können
die gewünschten
fäulnisverhindernden
Ei genschaften nicht erzielt werden. Dieses Oberflächenbehandlungsmittel
kann auch, wie bei den obigen Ausführungsformen, als Lösung in
einem Lösungsmittel,
beispielsweise in einem, das Fluoratome enthält, eingesetzt werden.
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Die
Konzentration des Reaktionsprodukts eines Gemischs der Komponenten
(A) und (B) oder die Konzentration eines Gemischs der Reaktionsprodukte
der Komponenten (A) und (B) im Oberflächenbehandlungsmittel kann
in Abhängigkeit
vom jeweiligen Aufbringungsverfahren geeignet gewählt werden.
Gewöhnlich
ist eine Konzentration von mindestens 0,1 Gew.-%, vorzugsweise von
mindestens 0,5 Gew.-%, erwünscht,
um zufrieden stellende wasserabweisende und fäulnisverhindernde Eigenschaften
zu erzielen.
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Jegliches
Substrat kann mit dem Oberflächenbehandlungsmittel
gemäß vorliegender
Erfindung behandelt werden. Dies beinhaltet anorganische Materialien,
wie z.B. Glas, Glaslinsen, Spiegel, Metalle, Keramik, Porzellan
und Steingut; organische Materialien, wie z.B. Gummi und Kunststoffe;
sowie optisch-funktionelle Materialien, wie z.B. Kunststofflinsen
und Filter für
Flüssigkristall-Displays.
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Wie
Substrate mit dem Oberflächenbehandlungsmittel
behandelt werden, ist nicht entscheidend. So können die Substrate beispielsweise
mit einem mit dem Behandlungsmittel imprägnierten Tuch abgewischt werden.
Andere geeignete Verfahrensweisen umfassen Aufbürsten, Tauchbeschichtung, Spin-Coating,
Gießbeschichtung
und Vakuumaufdampfung.
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BEISPIELE
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Nachstehend
werden Beispiele für
die Erfindung zur Illustration und nicht als Einschränkung angeführt.
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Beispiele 1 – 18 und
Vergleichsbeispiele 1 – 6
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Verschiedene
Substrate wurden mit Oberflächenbehandlungsmitteln
behandelt. Die Eigenschaften der behandelten Substrate wurden untersucht,
und die Ergebnisse werden in Tabelle 1 gezeigt.
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Substrat
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Glas:
Floatglas, dessen Oberfläche
zuvor mit Aceton gereinigt wurde. Kunststofflinse: Polycarbonatlinse,
deren Oberfläche
mit einer Hartbeschichtung überzogen
wurde, auf die anschließend
Siliciumdioxid aufgedampft wurde.
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PET-Film:
Polyethylenterephthalatfilm, auf den Siliciumdioxid aufgedampft
wurde.
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Behandlung
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Das
Substrat wurde 5 Minuten lang in das Oberflächenbehandlungsmittel eingetaucht,
herausgeholt, zur Reinigung zweimal für jeweils 1 Minute in dasselbe
Lösungsmittel,
das auch im Oberflächenbehandlungsmittel
verwendet wird, eingetaucht und dann 10 Minuten lang bei 100 °C getrocknet.
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Formulierung des Oberflächenbehandlungsmittels
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Organosiliciumverbindungslösung 1-1:
- 3%ige m-Xylolhexafluorid-Lösung
von C4F9C2H4Si(NH)3/2, hergestellt durch
- Umsetzung von C4F9C2H4SiCl3 mit
Ammoniak
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Organosiliciumverbindungslösung 1-2:
- 3%ige m-Xylolhexafluorid-Lösung
von C8F17C2H4Si(NH)3/2, hergestellt durch
- Umsetzung von C8F17C2H4SiCl3 mit
Ammoniak
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Organosiliciumverbindungslösung 2-1:
- 3%ige m-Xylolhexafluorid-Lösung
von
- hergestellt durch Umsetzung von
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Organosiliciumverbindungslösung 2-2:
- 3%ige m-Xylolhexafluorid-Lösung
von
- hergestellt durch Umsetzung von
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Organosiliciumverbindungslösung 2-3:
- 3%ige m-Xylolhexafluoridlösung
von
- hergestellt durch Umsetzung von
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Oberflächenbehandlungsmittel
1-1:
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- Gemisch aus 1 Gewichtsteil Organosiliciumverbindungslösung 1-1
und
- 1 Gewichtsteil Organosiliciumverbindungslösung 2-1
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Oberflächenbehandlungsmittel
1-2:
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- Gemisch aus 3 Gewichtsteilen Organosiliciumverbindungslösung 1-2
und
- 1 Gewichtsteil Organosiliciumverbindungslösung 2-2
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Oberflächenbehandlungsmittel
1-3:
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- Gemisch aus 3 Gewichtsteilen Organosiliciumverbindungslösung 1-2
und
- 1 Gewichtsteil Organosiliciumverbindungslösung 2-3
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Oberflächenbehandlungsmittel
2-1:
- Silazanverbindungslösung,
erhalten durch Einblasen von 2,8 Gewichtsteilen
- Ammoniakgas in ein Gemisch aus 3 Gewichtsteilen C4F9C2H4SiCl3, 3
- Gewichtsteilen einer Verbindung der folgenden Formel (1) und
94
- Gewichtsteilen m-Xylolhexafluorid bei 60 °C, Abkühlen der Reaktionslösung,
- Abfiltrieren des Ammoniumchlorids und weiteres Verdünnen der
erhaltenen
- Lösung
auf das dreifache Volumen mit m-Xylolhexafluorid.
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Oberflächenbehandlungsmittel
2-2:
- Silazanverbindungslösung,
erhalten durch Einblasen von 1,8 Gewichtsteilen
- Ammoniakgas in ein Gemisch aus 3 Gewichtsteilen C8F17C2H4SiCl3, 1
- Gewichtsteil einer Verbindung der folgenden Formel (II) und
96
- Gewichtsteilen m-Xylolhexafluorid bei 60 °C, Abkühlen der Reaktionslösung,
- Abfiltrieren des Ammoniumchlorids und weiteres Verdünnen der
erhaltenen
- Lösung
auf das doppelte Volumen mit m-Xylolhexafluorid.
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Oberflächenbehandlungsmittel
2-3:
- Silazanverbindungslösung,
erhalten durch Einblasen von 1,6 Gewichtsteilen
- Ammoniakgas in ein Gemisch aus 3 Gewichtsteilen C8F17C2H4SiCl3, 1
- Gewichtsteil einer Verbindung der folgenden Formel (III) und
96
- Gewichtsteilen m-Xylolhexafluorid bei 60 °C, Abkühlen der Reaktionslösung,
- Abfiltrieren des Ammoniumchlorids und weiteres Verdünnen der
erhaltenen
- sLösung
auf das doppelte Volumen mit m-Xylolhexafluorid.
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Oberflächenbehandlungsmittel
3-1:
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- Organosiliciumverbindungslösung 1-2
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Oberflächenbehandlungsmittel
3-2:
- Organosiliciumverbindungslösung 2-1
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Tests
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Kontaktwinkel:
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Die
Kontaktwinkel mit Wasser und Hexadecan wurden mit einem Kontaktwinkelmessgerät, Modell CA-X150
(von Kyowa Kaimen Kagaku K.K.) gemessen.
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Abwischen
von Fingerabdrücken:
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Der
Daumen der rechten Hand wurde auf das behandelte Substrat gedrückt. Nach
einer Stunde wurde der Fingeradruck zehnmal mit Seidenpapier abgewischt.
- A: Fingerabdruck zur Gänze weggewischt
- B: Fingerabruch zum Teil sichtbar
- C: Fingerabdruck deutlich sichtbar
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Es
zeigt sich deutlich, dass die mit den Oberflächenbehandlungsmitteln innerhalb
des Schutzumfangs der Erfindung behandelten Substratstoffe hochgradig
wasserund ölabweisend
sind und sich klebrige Schmutzstoffe wirksam abwischen lassen. Die
japanische Patentanmeldung Nr. 2000-196928 ist durch Verweis hierin aufgenommen.