DE69324714T2

DE69324714T2 - Nichthaftende Beschichtungen

Info

Publication number: DE69324714T2
Application number: DE69324714T
Authority: DE
Inventors: T. J. Bate; H. C. Wilson
Original assignee: Whitford Plastics Ltd
Current assignee: Whitford Plastics Ltd
Priority date: 1992-01-07
Filing date: 1993-01-07
Publication date: 1999-09-30
Anticipated expiration: 2013-01-08
Also published as: EP0551996A1; EP0551996B1; BR9300019A; ES2132177T3; ATE179742T1; TW279891B; KR930016504A; AU3109693A; MX9300029A; DK0551996T3; DE69324714D1; US6133359A; AU663546B2; GB9200181D0; CA2086887A1; JPH0649406A

Description

Die Erfindung betrifft Antihaftbeschichtungen, insbesondere für Küchengeschirr, obwohl diese Erfindung auch auf andere beschichtete Artikel wie Geräte und Werkzeuge für Haushalt und Technik anwendbar ist.
Herkömmlicherweise enthalten Antihaftbeschichtungen eine Schicht aus einem Fluorkohlenstoff wie PTFE (Polytetrafluorethylen), die direkt auf ein metallisches Substrat aufgebracht wird. Dies kann beispielsweise erfolgen, indem die Beschichtung entweder durch Aufwalzen einer Folie bzw. eines Pulvers oder durch ein Flüssigverfahren verbunden wird. In letzterem Fall wird das Beschichtungsmaterial als Lösung oder Dispersion aufgebracht, wobei das flüssige Medium ausgetrieben und die Beschichtung dann ausgehärtet wird.
Solche Beschichtungen neigen jedoch dazu, im Laufe der Benutzung ihre Qualität zu verlieren, wobei sich das Beschichtungsmaterial manchmal vom Substrat löst.
Qualitativ höherwertige Beschichtungen werden erhalten, indem zuerst auf ein angerauhtes Substrat eine Grundschicht und danach auf der Grundschicht eine Fluorkohlenstoff-reiche Deckschicht aufgebracht wird. Die in diesen Systemen eingesetzten flüssigen Medien werden vor dem Aushärten bei etwa 400ºC bei relativ niedrigen Temperaturen verdampft. Während derartige Beschichtungen eme verbesserte Haftung aufweisen, bleibt ihre Oberfläche eher weich und daher empfindlich gegenüber Beschädigung durch Abrieb.
Deshalb liegt der Erfindung als Aufgabe zugrunde, eine Antihaftbeschichtung mit verbesserter Beständigkeit gegenüber Verschleiß und Abrieb bereitzustellen.
Erfindungsgemäß umfaßt eine Beschichtungszusammensetzung, durch welche eine Antihaftbeschichtung bereitgestellt wird, ein oder mehrere Fluorkohlenstoffharze und feuerfeste Fasern, wobei der Fluorkohlenstoff 40 bis 90 Gew.-% und die Fasern 1 bis 25 Gew.-% der trockenen Endbeschichtung ausmachen und die Fasern einen Durchmesser im Bereich von 1 bis 20 um besitzen und die Faserlängen zwischen 70 und 150 um variieren, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusammensetzung zusätzlich ein Bindeharz aufweist, welches ein oder mehrere Polyamidimide, Polyphenylensulfide, Polyethersulfone und Silikonharze umfaßt. Die Fasern und der Fluorkohlenstoff sind vorzugsweise in einem flüssigen Medium dispergiert. Die Zusammensetzung kann auch Pigmente enthalten.
Die Fasern können 5 bis 25 Gew.-%, vorzugsweise 7,5 bis 20 Gew.-% und beispielsweise 10 Gew.-% der trockenen Endbeschichtung ausmachen. (Das ist etwa 2 bis 10 Gew.-%, 3 bis 8 Gew.-% bzw. 4 Gew.-% der nassen Beschichtungszusammensetzung äquivalent.) Der Fluorkohlenstoff kann 60 bis 70 Gew.-% und vorzugsweise 65 Gew.-% der trockenen Endbeschichtung ausmachen. Wenn ein flüssiges Medium eingesetzt wird, kann es von 40 bis 80 g, vorzugsweise 50 bis 70 g und beispielsweise 54,5 g, bezogen auf 100 g der aufgebrachten nassen Beschichtungsformulierung, vorhanden sein. Wenn andere Komponenten enthalten sind, können sie 10 bis 30 Gew.-%, vorzugsweise 15 bis 25 Gew.-% und beispielsweise 22 Gew.-% der Endbeschichtung ausmachen.
Die Fasern sind vorzugsweise Aluminiumoxidfasern, wobei aber auch Kohlenstoffasern, Glasfasern und ähnliche Materiaien eingesetzt werden können. Die Fasern können im Anlieferungszustand einen. Durchmesser im Bereich von 1 bis 5 um besitzen. Ihre Länge variiert zwischen 70 und 150 um, wobei jedoch auch Fasern mit einem Länge : Durchmesser-Verhältnis von zwischen 5 : 1 und 20 : 1 verwendet werden können.
Geeignete Fluorkohlenstoffe können PTFE (Polytetrafluorethylen), FEP (fluoriertes Ethylenpropylen) und PFA (Perfluoralkoxid) umfassen, obwohl die bevorzugten Materialien PTFE und PFA sind und insbesondere PTFE ist.
Die Beschichtung wird vorzugsweise unter Verwendung eines flüssigen Mediums aufgebracht. Geeignete flüssige Medien umfassen Mischungen aus Wasser, aromatischen Kohlenwasserstoffen, NMP (N-Methylpyrrolidon), DMF (Dimethylformamid), Glykolen und Alkoholen, obwohl die bevorzugten Materialien Mischungen aus Wasser, Alkoholen, NMP (N-Methylpyrrolidon) und Glykolen sind. Die Beschichtung kann durch Sprüh-, Walzen- oder Coil-Coating- Verfahren oder alternativ unter Anwendung eines Pulverbeschichtungsverfährens aufgebracht werden. Die Dicke des Beschichtungssystems kann zwischen 20 und 50 um variieren, beträgt aber vorzugsweise 30 bis 35 um.
Das Substratmaterial ist vorzugsweise Stahl (einschließlich rostfreier Stahl) oder Aluminium, obwohl andere Materialien wie Kupfer, Glas oder Keramik verwendet werden können, insbesondere wenn andere Artikel als Küchengeschirr zu beschichten sind. In manchen Fällen, wenn Verfahren der Flüssigbeschichtung angewendet werden, wird das Substrat im flachen Zustand beschichtet und anschließend umgeformt, wobei aber auch die Beschichtung geformter Artikel durchgeführt werden kann.
Die Erfindung ist besonders für mehrschichtige Überzüge, speziell zweischichtige Überzüge, geeignet. Dabei können eine oder mehrere der Schichten erfindungsgemäß sein. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform hat eine Grundschicht einen Fasergehalt von 1 bis 20 Gew.-% und vorzugsweise 7,7 Gew.-% ihrer trockenen Endzusammensetzung, während eine Deckschicht einen Fasergehalt von bis zu 10 Gew.-%, vorzugsweise von etwa 1 bis 10 Gew.-% und insbesondere von etwa 1 Gew.-% ihrer Endzusammensetzung hat.
Die Dicke der Grundschicht kann zwischen 5 und 30 um variieren und beträgt vorzugsweise zwischen 15 und 25 um, beispielsweise 25 um. Die Dicke der Deckschicht kann zwischen 5 und 20 um variieren und beträgt vorzugsweise zwischen 10 und 15 um, beispielsweise 15 um. Wahlweise kann eine mittlere Schicht aufgetragen werden, um beim Aufbringen des Beschichtungssystems zu unterstützen.
Die Erfindung erstreckt sich deshalb auch auf einen Artikel, der unter Verwendung einer wie zuvor definierten Zusammensetzung beschichtet ist, oder im weitesten Sinn auf einen Artikel mit einer Antihaftbeschichtung, die einen Fluorkohlenstoff und feuerfeste Fasern enthält.
Entsprechend einem weiteren erfindungsgemäßen Merkmal umfaßt ein Verfahren zum. Aufbringen einer Antihaftbeschichtung auf einem Artikel das Dispergieren von feuerfesten Fasern und eines Fluorkohlenstoffs in einem flüssigen Medium, um eine "nasse" Beschichtungszusammensetzung zu bilden, Aufbringen der nassen Zusammensetzung auf den Artikel, Austreiben des flüssigen Mediums, um eine "trockene" Beschichtung zurückzulassen, und Aushärten der Beschichtung bei erhöhter Temperatur, um eine ausgehärtete Beschichtung zu erzeugen.
Bei einem mehrschichtigen Überzug wird vorzugsweise jede Schicht getrocknet, bevor die nächste Schicht aufgetragen wird, obwohl die Schichten auch naß auf naß aufgebracht werden können. Das Aushärten der verschiedenen Schichten kann einzeln oder gleichzeitig durchgeführt werden.
Der Trocknungsschritt (falls vorgesehen) kann bei einer Temperatur im Bereich von 50 bis 100ºC und vorzugsweise von etwa 80ºC durchgeführt werden. Dabei kann der erforderliche Zeitraum zwischen 2 und 20 min variieren und typischerweise etwa 5 min dauern, wobei dies von der Ofenleistung abhängig ist. Der Druck kann zwischen 700 und 800 mmHg (93 und 107 kPa) betragen, beträgt aber vorzugsweise 760 mmHg (101 kPa).
Der Härtungsschritt kann bei einer Temperatur im Bereich von 370 bis 450ºC, vorzugsweise 390 bis 420ºC und beispielsweise von 400ºC durchgeführt werden. Der erforderliche Zeitraum bei der Spitzentemperatur des Metalls kann zwischen 5 und 20 Minuten und vorzugsweise 5 und 10 Minuten variieren und beispielsweise 5 Minuten betragen. Der Druck kann zwischen 700 und 800 (93 und 107 kPa) betragen, beträgt aber vorzugsweise etwa 760 mnHg (101 kPa). Der Härtungsschritt kann unter einer Luftatmosphäre durchgeführt werden.
Vorzugsweise wird das zu beschichtende Substrat vor dem Beschichten vorbereitet, um alle Verunreinigungen wie Öl, Fett, Waschmittel und Strahlmedien zu entfernen. Öle und Fette können durch Dampf entfetten, beispielsweise unter Verwendung eines chlorierten oder fluorierten Reinigungsmittels, entfernt werden. Alternativ können Öle und Fette durch Alkaliwäsche oder Abbrennen bei hoher Temperatur, bei welchem die Substrate einem 15minütigen Vorglühen bei 420 bis 450ºC unterworfen werden können, entfernt werden. Vorzugsweise werden die Oberflächen auch angerauht, beispielsweise durch Sandstrahlen. Geeignete Strahlsande, beispielsweise für Aluminiumsubstrate, umfassen eisenfreies Aluminiumoxidkorn von 40 bis 60 mesh (250 bis 375 um) für einen Mittenrauhwert (Ra) von 4 bis 8 um, gemessen mit einem Oberflächenprofilmeßgerät wie einem Perthometer, wobei ein Luftdruck von 100 psi (689 kPa) angewendet wird. Vor dem Beschichten sind sämtliche Strahimedien vom Substrat zu entfernen.
Bei Aluminiumguß ist es möglich, daß auf dem Metall Verunreinigungen aus dem Gießverfahren zurückbleiben, die nicht durch Sandstrahlen oder Entfetten entfernt werden können. In diesem Fall wird ein Abbrennen bei hoher Temperatur vor dem Entfetten und Sandstrahlen empfohlen.
Es ist festgestellt worden, daß erfindungsgemäße Beschichtungen eine verbesserte Abriebfestigkeit bei hoher Temperatur und auch eine verbesserte Widerstandsfähigkeit gegenüber Verschmutzen besitzen, wobei eine Verschlechterung der Haftung nicht bemerkt worden ist.
Die Erfindung kann in der Praxis auf verschiedene Weisen ausgeführt werden sie wird anschließend an Hand folgender Beispiele erläutert.

Beispiel 1

Es wurde folgende Grundschichtzusammensetzung zusammengestellt.
Die ersten sechs Komponenten wurden in einer Kugelmühle gründlich vermischt, danach wurden die verbleibenden Komponenten unter Anwendung eines Schaufelmischers mit einer langsamen Geschwindigkeit von 100 U/min bei Raumtemperatur zugegeben. Die Mischung wurde durch ein 100-um-Sieb geschickt.
Ein gepreßtes Aluminiumsubstrat wurde mit einem herkömmlichen chlorierten Reinigungsmittel dampfentfettet. Danach wurde das Substrat durch Sandstrahlen mit einem Aluminiumoxidkorn von 40 bis 60 mesh bei einem Luftdruck von 100 psi (689 kPa) auf einen Mittenrauhwert (Ra) von Ei um augerauht. Dann wurde das Substrat unter Anwendung herkömmlicher Verfahren von allen Strahimedien gereinigt.
Das Beschichtungsmaterial wurde als Grundschicht mittels einer Spritzpistole "Binks model 630", ausgestattet mit einer 1,8-mm-Flüssigkeitsdüse und einer Luftdüse, die auf einen Durchsatz von 13 Kubikfuß (0,37 m³) Luft pro Minute bei 30 psi (206 kPa) eingestellt worden war, auf das Substrat aufgebracht. Die Grundschicht wurde durch Sprühen mit einer stets gleichbleibenden Bewegung gleichmäßig auf dem Substrat aufgetragen. Nach dem Aufbringen der Grundschicht mit der erforderlichen nassen Schichtdicke (70 bis 90 um) wurden die Lösungsmittel, einschließlich Wasser, bei einer Temperatur von 80 bis 100ºC verdunsten gelassen, und das beschichtete Substrat wurde abkühlen gelassen. Beisipiel 2 Eine Deckschichtzusammensetzung wurde mit folgenden Komponenten zusammengestellt.
Die Deckschichtzusammensetzung wurde auf dieselbe Weise wie im Beispiel 1 hergestellt und mit einer nassen Schichtdicke von 50 um auf die abgekühlte Grundschicht aufgebracht. Die Lösungsmittel, einschließlich Wasser, wurden etwa 10 Minuten lang bei einer Temperatur von 80 bis 100ºC verdunsten gelassen. Danach wurde das Substrat mit dem zweischichtigen Überzug 5 Minuten lang bei 400ºC ausgehärtet (wobei eine maximale Aushärtung von 5 Minuten bei 420ºC oder eine Mindestaushärtung von 4 Minuten bei 400ºC ausreichend gewissen wären). Dabei bedeuten diese Temperaturen die Spitzentemperaturen der Metalloberfläche.
Das resultierende Erzeugnis umfaßte eine 21 um dicke Grundschicht und eine 11 um dicke Deckschicht. Die Beschichtung hatte eine halbglänzende glatte Oberfläche. Eine Prüfung erbrachte einen praktischen Betriebstemperaturbereich von -20 bis 290ºC.

Claims

1. Beschichtungszusammensetzung zum. Aufbringen einer Antihaftbeschichtung, welche ein oder mehrere Fluorkohlenstoffharze und feuerfeste Fasern umfaßt, wobei die Fluorkohlenstoffe 40 bis 90 Gew.-% und die Fasern 1 bis 25 Gew.-% der trockenen Endbeschichtung betragen und die Fasern einen Durchmesser im Bereich 1 bis 20 um besitzen wad die Faserlängen zwischen 70 und 150 um variieren, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusammensetzung zusätzlich ein Bindeharz aufweist, welches ein oder mehrere Polyamidimide, Polyphenylensulfide, Polyethersulfone und Silikonharze umfaßt.

2. Zusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie zusätzlich ein flüssiges Medium umfaßt und die Fasern und der Fluorkohlenstoff in dem Medium dispergiert sind.

3. Zusammensetzung nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Fluorkohlenstoff 60 bis 70% der Endbeschichtung umfaßt.

4. Zusammensetzung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das flüssige Medium mit 40 bis 60 g in 100 g der Beschichtungsmischung, vorzugsweise mit 50 bis 55 g in 100 g der Beschichtungsmischung enthalten ist.

5. Zusammensetzung nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern Alunuiniumoxid-, Kohlenstoff- oder Glasfasern sind.

6. Zusammensetzung nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fluorkohlenstoffe PTFE (Polytetrafluorethylen) und/oder FEP (fluoriertes Ethylenpropylen) und/oder PFA (Perfluoralkoxid) umfassen.

7. Zusammensetzung nach irgendeinem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das flüssige Medium eine Mischung von einigen oder allen der Stoffe Wasser, Xylol, Toluol, MNP (N-Methylpyrrolidon), DMF (Di- Methylformamid), Glykol und Alkohol ist.

8. Verfahren zur Aufbringung einer Antihaftbeschichtung auf ein Substrat, welches umfaßt: Dispergierung einer Beschichtungszusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 in einem flüssigen Medium, um eine flüssige Beschichtungsmischung zu bilden, Aufbringung der flüssigen Beschichtungsmischung auf das Substrat, Austreiben des flüssigen Medium, um eine trockene Beschichtung zurückzulassen, Härten der Beschichtung bei einer erhöhten Temperatur, um eine gehärtete Beschichtung zu erzeugen.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Trocknungsschritt bei einer Temperatur im Bereich von 20 bis 100ºC während einer Zeit zwischen 2 und 20 Minuten und/oder der Härteschritt bei einer Temperatur im Bereich von 370 bis 45() ºC während einer Zeit zwischen 5 und 20 Minuten ausgeführt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Beschichtung das Substrat behandelt wird, um Verunreinigungen zu entfernen, vorzugsweise durch Aussetzung des Substrates gegenüber einer Temperatur von 420 bis 450ºC.

11. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat Stahl, Aluminium, Kupfer, Glas oder Keramik ist.

12. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von Schichten auf das Substrat aufgebracht werden.