DE69901649T2 - Scheibe mit kontrollierter Oberflächenunregelmässigkeit für eine Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

• Diese Erfindung richtet sich auf eine Natriumsilikat-Farbzusammensetzung auf Wasserbasis, die besonders nützlich ist um ein Farbfeld auf Glastafeln aus Natron- Kalk-Silikatglas bereitzustellen, welche später einer Hochtemperatur-Temperung ausgesetzt werden.
• Qualifizierten Handwerkern sind verschiedene Farbzusammensetzungen zum Färben von Fahrzeug- und Bauglas bekannt. Solche Farben werden beispielsweise benutzt um opake Ränder um die peripherischen Randflächen von Verglasungen zu erzeugen, die als Windschutzscheiben, Seitenscheibe, oder Heckscheibe benutzt werden. Im Allgemeinen sind diese Zusammensetzungen keramische Gemische, die sich aus einer Mixtur aus Metalloxiden in einem organischen Bindemittel zusammensetzen. Die Mixtur der Metalloxide wird so eingestellt, daß in der letztendlich hergestellten, eingebrannten, keramischen Farbe eine bestimmte Farbe erreicht wird. Beispielsweise sind die auf Fahrzeugverglasungen eingebrannten, opaken peripherischen Farbstreifen im allgemeinen schwarz und können Oxide wie Chromoxid, Kobaltoxid und Nickeloxid umfassen. Die im Allgemeinen in solchen Gemischen enthaltenen organischen Bindemittel, wie zum Beispiel Pineöl, Mineralöle, Erdölfraktionen mit niedrigem Molekulargewicht und dergleichen werden verwendet, um das Auftragen der keramischen Farbe durch Auftragen, Aufstreichen oder Siebdruck zu ermöglichen. Die Metalloxide reagieren nicht miteinander oder mit anderen Materialien wie Glasfritten, die oft in der keramischen Farbe enthalten sind. Diese Glasfritten sind die Substanzen, die letztendlich für das Zusammenschmelzen der keramischen Farbe und für die Verschmelzung mit der Glastafel verantwortlich sind, um so sicherzustellen, daß die keramische Farbe mit der Glastafel verbunden bleibt, nachdem sie auf Raumtemperatur abgekühlt wurde. Wenn diese Substanzen auf eine Glastafel aufgetragen werden, werden sie gewöhnlich auf hohe, über dem Erweichungspunkt des Glases liegende Temperaturen erhitzt, um die Farbe auszuhärten und um die gefärbten Glastafeln für die weitere Handhabung während eines späteren Hochtemperatur-Formgebungsprozesses geeignet zu machen.
• Angesichts ökologischer und kommerzieller Gesichtspunkte wäre es wünschenswert, wenn Farben auf Wasserbasis entwickelt werden könnten, die anstatt dieser Farben mit organischen Bindemitteln benutzt werden könnten. Es wäre weiterhin wünschenswert Farben auf Wasserbasis zu entwickeln, die bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen ausgehärtet werden könnten, im Gegensatz zu den hohen Temperaturen, die im allgemeinen zum Aushärten der keramischen, auf organischen Bindemitteln basierenden Farben benötigt werden. Die hohen Temperaturen, denen das mit der Farbschicht versehene Glas während des Aushärtens der Farbe ausgesetzt wird, verleiht den Glasscheiben oft unerwünschte optische Verzerrungen. Um die konventionell benutzten Keramikfarben angemessen ersetzen zu können, müßte die Farbe auf Wasserbasis eine gleichmäßige Beschichtung ermöglichen, haltbar sein und auch gut an dem Glas haften. Eine derartige Farbe auf Wasserbasis wird in U.S-Patent 5,518,535 mit dem Titel "Water-Based Paint For Glass Sheets" offengelegt, welches die selbe Erfinderschaft wie die vorliegende Erfindung aufweist und gemeinsam mit diesem erteilt ist.
• Die vorliegende Erfindung stellt eine Farbzusammensetzung auf Wasserbasis bereit, die als eine Beschichtung auf getempertem Natron-Kalk-Silikatglas besonders nützlich ist. Die Zusammensetzung umfaßt: (i) wasserlösliches Natriumsilikat, das 20 bis 45 Gewichtsprozent der Zusammensetzung ausmacht; (ii) Wasser, das 5 bis 25 Gewichtsprozent der Zusammensetzung ausmacht; (iii) wasserlösliche Lauge in ausreichender Menge, um das Gemisch mit einem pH-Wert von mindestens 10,5 zu versehen; (iv) feinverteiltes Metalloxidpulver, das aus jener aus Oxiden von Kupfer, Eisen, Nickel Kobalt und Gemischen hieraus bestehenden Gruppe von Oxiden ausgewählt wird, das 25 bis 40 Gewichtsprozent der Zusammensetzung ausmacht, und das eine Partikelgröße von durchschnittlich weniger als 7 um aufweist; und (v) Partikel aus Natron-Kalk-Silikatglas, die mindestens 10 Gewichtsprozent der Zusammensetzung ausmachen und im Durchschnitt einen Durchmesser von weniger als 20 um besitzen, und einen Schmelzpunkt von mindestens etwa 927ºC (1700ºF) aufweisen; und mindestens ein Material, das aus jener Gruppe gewählt ist die besteht aus: (vi) niedrigschmelzendem Frittenpulver, das unterhalb 704ºC (1300ºC) schmilzt und 0 bis 10 Gewichsprozent der Zusammensetzung ausmacht, und im Durchschnitt eine Teilchengröße von weniger als 10 um aufweist; und (vii) Zinkoxid, das 0 bis 10 Gewichtsprozent dieser Zusammensetzung ausmacht; wobei diese Zusammensetzung frei von Chromoxid ist.
• In einer bevorzugten Farbzusammensetzung auf Wasserbasis dieser Erfindung: bildet dieses wasserlösliche Natriumsilikat 25 bis 36 Gewichtsprozent dieser Zusammensetzung; bildet dieses Wasser 10 bis 25 Prozent dieser Zusammensetzung; ist dieses fein verteilte Metalloxidpulver fein verteiltes Kupferoxidpulver, das 25 bis 45 Gewichtsprozent dieser Zusammensetzung bildet und eine durchschnittliche Teilchengröße zwischen 3 und 7 um (Mikron) aufweist; besitzen diese Partikel aus Natron-Kalk-Silikatglas im Durchschnitt einen Durchmesser im Bereich von 3 bis 10 um (Mikron), und sind nach Gewichtsprozenten zusammengesetzt aus: Siliziumdioxid 68-75; Aluminiumoxid 0-5; Kalziumoxid 5-15; Magnesiumoxid 0-10; Natriumoxid 10-18; und Kaliumoxid 0-5; worin das Kalziumoxid + Magnesiumoxid nach dem Gewicht 6-15% und Natriumoxid + Kaliumoxid 10-20% betragen; wobei dieses Glasfrittenpulver 3 bis 8 Gewichtsprozent dieser Zusammensetzung bildet und im Durchschnitt einen Teilchendurchmesser zwischen 3 und 7 um (Mikron) aufweist, und worin diese Glasfritte ein Silikat aus einem Metall ist, das aus jener aus Zink, Bor, Wismut, Titan, Zirkon und Aluminium und Mischungen hieraus bestehenden Gruppe gewählt ist; und schließt ein Tensid ein, das 0,1 bis 1,0 Gewichtsprozent dieser Zusammensetzung ausmacht.
• Zusätzlich umfaßt die Zusammensetzung bevorzugt kleine Mengen an Aluminiumhydroxid.
• Die wasserbasierte Farbe der Erfindung kann durch Kombination und Mischung der Komponenten in zwei Schritten hergestellt werden, wie es hierin genauer beschrieben ist.
• Die vorliegende Erfindung stellt eine Farbzusammensetzung auf Wasserbasis bereit, welche eine ausgezeichnete Haftung an Glas zeigt und die bei relativ niedrigen Temperaturen aushärtbar ist, und welche eine ausgezeichnete Beständigkeit zeigt. Es ist ein Vorteil dieser Erfindung ein wasserbasierte Farbe bereitzustellen, die zur Verwendung auf Glas geeignet ist, welches einem - während der Temperung des Glases erzeugten - weiten Bereich hoher Temperaturen (oft 677ºC (1250ºF) und mehr) ausgesetzt werden kann.
• Die Zusammensetzung der Erfindung ist eine chromfreie Farbe auf Wasserbasis, die als Beschichtung auf Glas nützlich ist, etwa für den Abdunkelungsbereich um die Peripherie einer Windschutzscheibe. Wie oben offenbart umfaßt diese Zusammensetzung wasserlösliches Natriumsilikat, Wasser, fein verteiltes Metalloxidpulver, welches der Farbe ihre schwarze bis graue Farbe verleiht, und Partikel aus Natron-Kalk-Silikatglas. Wir haben unerwartet herausgefunden daß die Farbe durch Einschließen dieser Glaspartikel - entweder als Pulver oder Kugeln -über einen weiteren Bereich von Glas-Einbrenntemperaturen eine verbesserte Temperatur zeigte. Dies war wichtig wenn die ein Farbfeld tragende Glastafel einer Temperung ausgesetzt wurde. Temperungstemperaturen können 677ºC (1250ºF) überschreiten. Zusätzlich schließt die Farbe bevorzugt eine niedrigschmelzende Glasfritte ein, um die Haftung an Glas zu verbessern; an PVB, welches in einem Windschutzscheiben- Laminat verwendet werden kann; und an Urethan, welches oft verwendet wird um das Glas in einem Kraftfahrzeug einzudichten und anzubringen. Sie kann weiterhin oder alternativ Zinkoxid einschließen, um die Haftung der Farbe am Glas zu verbessern. Jede dieser Komponenten, einschließlich optionaler Komponenten, wird unten genau besprochen werden.
• Wasserlösliche Natriumsilikate machen zwischen 20 und 45 Gewichtsprozent der Zusammensetzung dieser Erfindung aus, vorzugsweise zwischen 30 und 38 Gewichtsprozent des Gemischs, wobei "Gewichtsprozent" wie hierin verwendet als Bruchteil des Gesamtgewichts der Zusammensetzung zu verstehen ist. Sie können ein einzelnes Natriumsilikat oder eine Silikat-Mixtur umfassen. Wasserlösliche Natriumsilikate, die in der Zusammensetzung dieser Erfindung nützlich sind, können durch die Formel SiO&sub2; : Na&sub2;O dargestellt werden, wobei das Molverhältnis der zwei darin befindlichen Oxide zwischen 2 : 1 und 4 : 1 liegt. Zusätzlich zu dem wasserlöslichen Natriumsilikat können der Zusammensetzung auch wasserlösliche Kaliumsilikate mit ähnlicher Formel beigefügt werden. Wenn sie eingeschlossen sind, liegen sie im allgemeinen in geringeren Mengen vor - vorzugsweise weniger als 10 Gewichtsprozent, im allgemeinen zwischen 5 und 10 Gewichtsprozent des Gemischs. Eine weitere benötigte Komponente der Zusammensetzung ist Wasser, das einen Anteil von 5 bis 25 Gewichtsprozent des Gesamtgewichts der Zusammensetzung ausmacht, vorzugsweise in einer Größenordnung zwischen 10 und 25 Prozent. Die Zusammensetzung schließt weiterhin eine wasserlösliche Lauge ein, die verwendet wird um das Farbgemisch mit einem pH-Wert von mindestens 10,5 zu versehen, vorzugsweise über 12,5, besser um 13,5. Wie durch den benötigten pH-Wert angedeutet wird, muß der pH-Wert auf der basischen Seite liegen. Es ist notwendig, die Zusammensetzung mit diesem pH-Wert zu versehen, um der Farbe eine wünschenswerte Lagerbeständigkeit zu verleihen. Für Ausführungen von Farben dieser Erfindung mit einem pH-Wert von über 13 wurde zum Beispiel eine Lagerbeständigkeit von mindestens 3 Monaten ermittelt. Beispiele von wasserlöslichen Laugen, die benutzt werden können, schließen Natriumhydroxid und Kaliumhydroxid ein, wobei Natriumhydroxid bevorzugt wird, sind jedoch nicht auf diese beschränkt. Die Menge der verwendeten Lauge hängt zum Beispiel von der jeweiligen Lauge und der verwendeten Konzentration ab. Beispielsweise wird eine 2 N Natriumhydroxidlauge im Allgemeinen mit etwa 2 bis 10 Gewichtsprozent der Zusammensetzung eingeschlossen, noch besser 3 bis 8 Gewichtsprozent, und optimalerweise 3 bis 6 Gewichtsprozent.
• Dem Fachmann sollten angesichts der vorliegenden Offenbarung optimale Mengen und Arten verwendbaren Laugen ersichtlich sein.
• Das Gemisch umfaßt weiterhin ein feinverteiltes Metalloxid-Pulverpigment, das aus Kupferoxid, Eisenoxid, Nickeloxid, Kobaltoxid und Mischungen hieraus ausgewählt wird, wobei der Einschluß von Kupferoxid bevorzugt ist. Dieses Pulverpigment gibt der Farbe ihre schwarze Färbung und bildet zwischen 25 und 45 Gewichtsprozent der Zusammensetzung, vorzugsweise zwischen 30 und 40 der Zusammensetzung. Das feinverteilte Pulverpigment weist eine Teilchengröße (Durchmesser) von im Durchschnitt weniger als 7 um auf, vorzugsweise zwischen 3 und 7 um, und am besten um 5 um. Diese Zusammensetzungen würden je nach Mixtur und Anteil der Metalloxide farblich von schwarz bis dunkelgrau variieren. Kupferoxid, welches bevorzugt wird, stellt eine schwarze Farbzusammensetzung bereit. Wir haben herausgefunden daß es nicht wünschenswert ist Chromoxid in der Farbzusammensetzung zu verwenden, da es das Haftvermögen der Farbe am Glas beeinträchtigt; daher ist die Erfindung chromfrei.
• Die Fähigkeit der Farbzusammensetzung, ihre ausgezeichneten physikalischen Eigenschaften bei den sehr hohen, während der Temperung des Glases erfahrenen Temperaturen beizubehalten, wird durch Einschluß von Partikeln aus Natron-Kalk- Silikatglas in der Farbzusammensetzung bedeutend verbessert. Diese verbesserte Temperaturstabilität wird erfahren obgleich die Glaspartikel bei der Einbrenntemperatur nicht schmelzen. Wir glauben daß der Einschluß der Glaspartikel dazu neigen mag Scherbelastung zu lindern, die zwischen dem Glassubstrat und der Farbe während des Erhitzens und Kühlens aufgrund von Unterschieden in ihrer Wärmeausdehnung gewöhnlich erfahren wird. Eigentlich neigt der Einschluß von Glaspartikeln dazu die Wärmeausdehnungskoeffizienten der Farbe und des Glassubstrates näher zusammen zu bringen. Und der Einschluß der Glaspartikel, welche in der Farbe unlöslich sind, hat keinerlei nachteilige Wirkung auf die Beständigkeit oder andere physikalische Eigenschaften der Farbe, wie etwa die Kratzfestigkeit, gezeigt. Übrigens wird geglaubt daß die verbesserte Hochtemperatur-Farbstabilität sich teilweise daraus ergibt daß die Glaspartikel der Farbschicht eine zusätzliche Struktur bereitstellen, welche bei den Farb-Einbrenntemperaturen nicht schmilzt. Während diese Idee im Versuch vorgebracht wurde die bedeutende Verbesserung in den Hochtemperatur- Stabilitätseigenschaften der gehärteten Farbe zu erklären, die durch Einschluß von Natron-Kalk-Silikatglas-Partikeln bereitgestellt wird, so ist doch weder ihre Genauigkeit noch ihr Verständnis für die Praxis der Erfindung erforderlich.
• Die Partikel sind aus Natron-Kalk-Silikatglas hergestellt, wobei diese Art von Glas in der Glasindustrie wohlbekannt ist. Natron-Kalk-Silikatglas, das in der Kraftfahrzeug- und Bauindustrie verwendet wird, wird gewöhnlich mittels des Floatglas-Verfahrens hergestellt. Es wird im Allgemeinen durch die folgende Grundzusammensetzung gekennzeichnet, wobei die Mengen der Komponenten auf den prozentualen Gewichtsanteilen an der Gesamt-Glaszusammensetzung basiert: Siliziumdioxid 68-75; Aluminiumoxid 0-5; Kalziumoxid 5-15; Magnesiumoxid 0-10; Natriumoxid 10-18; und Kaliumoxid 0-5. Zusätzlich betragen das Kalziumoxid + Magnesiumoxid 6-15%, und Natriumoxid + Kaliumoxid betragen 10-20%. Derartige Gläser können Farbmittel wie Eisenoxid, Kobaltoxid oder Kupferoxid einschließen, um ein paar zu nennen. Oft sind UV-Absorber wie Titandioxid oder Ceroxid eingeschlossen, um die optischen Eigenschaften zu verbessern. Natron-Kalk-Silikatgläser, entweder mit oder ohne derartigen Farbmitteln oder anderen Additiven, können in der Farbzusammensetzung der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Wünschenswert wären die in der Farbzusammensetzung eingeschlossenen Glaspartikel ähnlich oder identisch mit dem Glas, auf welchem die Farbe aufgebracht wird, obgleich dies nicht erforderlich ist. Die Verwendung eine speziellen Natron-Kalk-Silikatglases ist für die durch die vorliegende Erfindung erfahrene Verbesserung nicht kritisch. Die Glaspartikel können in Pulver- oder Kugelform vorliegen. Allgemein beträgt der Durchmesser der Partikel im Durchschnitt weniger als 20 um, und beträgt bevorzugt 3 bis 15 um. Stärker bevorzugt besitzen die Partikel einen Durchmesser im Bereich von 5 bis 7 um.
• Die Natron-Kalk-Silikatglas-Partikel sind in der Farbzusammensetzung in einer Menge von mindestens 10 Gewichtsprozent eingeschlossen, basierend auf dem Gesamtgewicht der Farbzusammensetzung. Die Menge an hochschmelzenden Glaspartikeln in der wasserbasierten Farbe beträgt bevorzugt 10 bis 45 Gewichtsprozent, und beträgt optimal 20 bis 40 Gewichtsprozent. Diese Partikel können durch Mahlen des Glases auf einen gewünschten Durchmesser erhalten oder kommerziell bezogen werden. Kugelförmige Partikel sind am wünschenswertesten wenn die Farbe mittels Siebdruck aufzutragen ist, weil sie das Sieb weniger stark abschleifen. Kugelförmige Partikel sind zum Beispiel von Cataphote Inc. unter dem Namen Glasschrot-Glaspartikel kommerziell erhältlich. Im Fall von kugelförmigen Teilchen kann die Größe 5 bis 20 um oder sogar eine kleinere Größe sein, da sie für die Verwendung optimal geeignet sind, doch sind kleinere Größen kommerziell nicht so leicht verfügbar.
• Zusätzlich zu den obig empfohlenen Komponenten schließt die chromfreie Farbe weiterhin mindestens einen Haftvermittler, der gewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: einem niedrigschmelzenden Glasfrittenpulver und Zinkoxid. Mindestens eines dieser Materialien muß in der Farbzusammensetzung eingeschlossen sein. Es ist jedoch höchst wünschenswert daß in der Zusammensetzung nur die niedrigschmelzende Glasfritte eingeschlossen wird. Das Zinkoxid kann jedoch zusammen mit der niedrigschmelzenden Glasfritte oder an deren Stelle eingeschlossen werden. Es wurde herausgefunden daß diese Haftvermittler die Haftung der Farbe am Glas fördern. Und zusätzlich fördern diese Haftvermittler wie unten beschrieben auch die Haftung das Vinyls an dem Glas, wenn die Farbe wie in einer laminierten Windschutzscheibe in Kontakt mit Vinyl verwendet wird.
• Die Farbe schließt wünschenswert, aber optional, eine geringe Menge eines Glasfrittenpulvers ein. Diese Glasfritte ist ein Glasmaterial das unterhalb von 704ºC (1300ºF) schmilzt. Optimal wird sie in der wasserbasierten Farbzusammensetzung in einer bis zu 10 Gewichtsprozent betragenden Menge eingeschlossen, beträgt bevorzugter zwischen 2 und 10 Gewichtsprozent, und beträgt am stärksten bevorzugt zwischen 2 und 8 Gewichtsprozent der schwärzlichen Farbzusammensetzung der vorliegenden Erfindung. Am stärksten bevorzugt liegt die niedrigschmelzende Glasfritte in der Zusammensetzung in einer Menge von etwa 5 Gewichtsprozent vor, basierend auf dem gesamten Gewicht der Zusammensetzung. Die Glasfritte wird, wenn sie verwendet wird, in einer Pulverform in die Farbzusammensetzung eingeschlossen, wobei der Partikeldurchmesser im Durchschnitt geringer als etwa 10 um ist, bevorzugt zwischen 3 und 7 um beträgt, und am stärksten bevorzugt im Durchschnitt um 7 um beträgt. Beispielhaft für in der vorliegenden Zusammensetzung nützliche, bevorzugte Glasfritten-Materialien, die oft Emailfritten genannt werden, sind Silikate von Metallen wie etwa Zink, Bor, Wismut, Titan, Zirkon und Aluminium, und Mischungen hieraus; z. B. Titan-Silikatglas, Zink-Bor-Silikatglas und Wismut-Borosilikatglas. Viele derartige Glasfritten sind leicht kommerziell verfügbar, wie etwa von General Colours Co. und O. Hommel Co. Noch andere Glasfritten, die man in der vorliegenden Erfindung verwenden kann, werden den Fachleuten mit Blick auf die vorliegenden Offenlegung offensichtlich sein. Wir haben herausgefunden daß der Einschluß dieses niedrigschmelzenden Glasfrittenpulvers in der Glaszusammensetzung die Haftung der Farbe an Glas, an PVB- oder Urethan-Dichtungsmassen bedeutend verbessert, wenn sie in Kontakt mit der Farbe verwendet werden. Wie bekannt wird PVB innerhalb laminierter Windschutzscheiben verwendet, und Urethan-Dichtungsmassen werden zwischen dem Glas und der Fahrzeugkarosserie verwendet. Während die Glasfritte nicht allgemein in Wasser löslich ist, haben wir doch überraschend herausgefunden daß die Glasfritte in dieser Farbzusammensetzung auf Wasserzusammensetzung zumindest teilweise löslich erscheint. Es wird geglaubt daß dies an der Verwendung eines hohen Niveaus an Base (z. B. NaOH) in der Zusammensetzung liegt. Die Fähigkeit der Glasfritte, zusammen mit anderen wasserlöslichen Komponenten der Farbzusammensetzung z. B. Natriumsilikat löslich zu sein, kann es der Glasfritte erlauben mit anderen wasserlöslichen Komponenten der Farbzusammensetzung wechselzuwirken, um so die Haftung der ausgehärteten Farbe zu verbessern.
• Ein weiterer optionaler Bestandteil des Farbgemischs, der in der Farbe eingeschlossen werden kann, ist Zinkoxid als ein anderer Haftvermittler. Wenn es in der Zusammensetzung eingeschlossen ist umfaßt es allgemein bis zu 10 Gewichtsprozent, beträgt bevorzugt 2 bis 10 Gewichtsprozent, und beträgt am stärksten bevorzugt zwischen 3 und 6 Gewichtsprozent. Optimal umfaßt es, wenn es eingeschlossen ist, zwischen 4 und 6 Gewichtsprozent auf Grundlage des Gewichtes der Zusammensetzung. Es wird bevorzugt daß das Zinkoxid in der Farbzusammensetzung in einer Teilchengröße von im Durchschnitt zwischen 2 und 3 um bereitgestellt wird, die Teilchengröße ist jedoch nicht kritisch. Der Erfinder glaubt daß das Zinkoxid den Ausdehnungskoeffizienten der Silikat-Farbzusammensetzung erniedrigt, was ihn mit jenem der Glaszusammensetzung genauer passend macht, so daß sich während des Aufheizens und Abkühlens des Glases in der Farbe weniger Spannung entwickelt. Ähnlich verbessert es die Haftung an Vinyl- und Urethan-Dichtmassen.
• Ein weiterer optionaler, aber wünschenswert in dem schwarzen Farbgemisch dieser Erfindung eingeschlossener Bestandteil ist ein Tensid. Tenside sind wohlbekannte Substanzen und werden Farben oft beigefügt, um die Benetzungseigenschaften der flüssigen Farbe auf dem Substrat zu verbessern, auf die sie aufgetragen wird. Beispielhaft für eine solche Substanz ist das von der Firma 3M hergestellte 'FC-171'. Weitere, andere Tenside sind den Fachleuten bekannt. Wünschenswert bildet es 0,1 bis 1,0 Gewichtsprozent der Farbzusammensetzung, vorzugsweise etwa 0,25 bis 0,5 Gewichtsprozent. Eine andere optionale, aber wünschenswerte Komponente ist Aluminiumhydroxid, welches in der Zusammensetzung vorzugsweise in bis zu 5 Gewichtsprozent der Zusammensetzung eingeschlossen ist. Es wird allgemein als Aluminiumhydroxyd-Hydrat zu der Farbe hinzugegeben, und es wurde herausgefunden daß es die Lagerfähigkeit der Farbe erhöht, und die Haftung der Farbe an der Glastafel steigern kann.
• Während diese Farbzusammensetzung eine besondere Nützlichkeit auf Natron-Kalk- Silikatglas besitzt, wie es in Kraftfahrzeug- oder Bauglas verwendet wird, bedeutet dies nicht daß ihr Nutzen dahingehend limitiert ist. Sie kann auch zu Verwendung auf anderen Gläsern wie Spandrille oder auf dekorativen Glastafeln Anwendung finden.
• Um die Farbzusammensetzung herzustellen werden die Komponenten im Allgemeinen zusammengegeben und dann mittels Kugelmühle vermählen, bis eine im Wesentlichen einheitliche Mischung von Komponenten erhalten wird. Dieses Mahlen kann auch ausgeführt werden um die gewünschte Teilchengröße der Komponenten - zum Beispiel der Glaspartikel und optionaler Komponenten wie der Glasfritte - bereitzustellen, wenn sie anfänglich in Teilchengrößen vorliegen welche größer sind als es in der endgültigen Farbe gewünscht ist. Dies bedeutet in manchen Situationen daß diese Komponenten anfänglich in größeren Teilchengrößen in die Mischung hineingegeben werden, welche dann während des Mahlens der Komponenten in kleinere Teilchen zerkleinert wird. Dieses Mischen wird im Allgemeinen bei Raumtemperatur durchgeführt. Oft wird die Lauge nach dem Vermählen oder im abschließenden Stadium des Vermahlens mittels Kugelmühle hinzugegeben. Wir haben herausgefunden daß die Farbzusammensetzung nach einer Zeit dickflüssiger wird, und dies liegt an der Zugabe von Partikeln wie Natron-Kalk-Silikatglas-Partikeln. Um die Lagerbeständigkeit zu erhöhen ziehen wir es daher vor das Natron-Kalk- Silikatglas-Pulver und die niedrigschmelzende Fritte erst kurz bevor die Farbe verwendet wird zu der Mischung zu geben. In anderen Worten kann eine Mischung aus den Silikaten, Wasser, Lauge und Farbmitteln zusammengemischt werden. Dies stellt etwa 50 bis 80 Gewichtsprozent der endgültigen Farbzusammensetzung dar. Später kann die Glasfritte, das Glaspulver, und wenn verwendet das Zinkoxid, eingemischt werden, um die endgültige Farbzusammensetzung zu bilden.
• Nachdem die dem Erfindungsgegenstand entsprechende Farbzusammensetzung hergestellt worden ist, kann sie auf ein Substrat, insbesondere ein Glassubstrat, durch eine beliebige Methode aufgetragen werden. Die Glastafel kann aus jeder beliebigen Glassorte hergestellt werden, die in der Glasmacherkunst allgemein bekannt ist. Typische Glastafeln, die zur Verwendung entsprechend der vorliegenden Erfindung in Betracht kommen, sind Fahrzeug- und Bauverglasungen aus Natron-Kalk-Silikatglas, die gewöhnlich durch das bekannte Floatglas-Verfahren hergestellt werden.
• In der Anwendung wird die Farbe durch eine konventionelle Methode der Farbauftragung in einem vorbestimmten Muster in gleichmäßiger Schicht auf eine Oberfläche der Glastafel aufgetragen, zum Beispiel durch Siebdruck, wobei die Farbe durch ein Gummirakel über das Sieb verteilt wird, um die Farbe durch das Muster auf die Glastafel zu drücken. In der Farbverarbeitung ist es eine wohlbekannte Methode, durch Siebdruck einen Farbstreifen auf die Oberfläche von Fahrzeugverglasungen aufzutragen. In einer solchen Situation ist es besonders wünschenswert, während des Siebdruckvorgangs ein feuchtes, die Farbe umgebendes Umfeld aufrecht zu erhalten. Optimalerweise wird die feuchte Umgebung bei Anwendung bevorzugter Farbzusammensetzungen der vorliegenden Erfindung bei ungefähr 80+5% relativer Luftfeuchtigkeit gehalten. Das Aufrechterhalten dieser feuchten Umgebung erlaubt eine längere Verwendung des Siebsystems für den Farbauftrag, indem der Feuchtigkeitsgehalt der Farbe bei einer zur Auftragung wünschenswerten Viskosität gehalten wird. Diese Umgebung kann optimal z. B. durch die von Boaz im US-Patent 5,509964 beschriebene und gemeinsam mit dieser Erfindung erteilte Erfindung bereitgestellt werden. Sie trägt den Titel "Apparatus and Method for Applying a Coating to Glass".
• Das vorherbestimmte Muster, in dem die Farbe auf eine Glasscheibe aufgetragen werden kann, kann zum Beispiel einen opaken Abdeckstreifen umfassen, der sich auf einer peripheren Randfläche einer Fahrzeugverglasung befindet. Solche Abdeckstreifen sind auf dem Gebiet der Fahrzeugverglasung als nützlich wohlbekannt, um die aus der Sonneneinstrahlung resultierende Zersetzung der Klebstoffe zu vermeiden, mit denen die Verglasungen in der Fahrzeugöffnung befestigt werden; und zur Abdeckung von Beschlagteilen und Konstruktionsteilen, die unter den Rändern der Verglasungen liegen. Der Streifen reicht gewöhnlich bis zu den Kanten der Verglasungen und weist eine ausreichende Breite auf, um das darunter liegende Klebemittel und die darunter liegenden Konstruktionsteile zu verbergen; welche aber schmal genug ist um Fahrzeuginsassen maximale Sicht zu ermöglichen. Offensichtlich können beim Auftragen verschiedener Farbfelder auf Glasoberflächen andere vorbestimmte Muster benutzt werden, abhängig vom letztlichen Zweck des ausgehärteten Farbfelds.
• Im Fall von Beschichtungen, die zum Abdunkeln auf Fahrzeugglas aufgetragen werden, wird die Beschichtung vorzugsweise in einer Stärke von ungefähr 12-16 um bereitgestellt. Die Beschichtung kann in jeder beliebigen Stärke aufgetragen werden, die optimale Stärke wird jedoch durch die speziell gewünschte Verwendung bestimmt. Nachdem die aushärtbaren Zusammensetzungen der Erfindung auf ein Substrat aufgetragen worden sind können sie leicht ausgehärtet werden, indem sie bei erhöhter Temperatur eine zum Verdampfen des Wassers ausreichende Zeit eingebrannt werden, wodurch die Beschichtung ausgehärtet wird. Dieser Schritt kann bei jeder Temperatur durchgeführt werden, wünschenswert jedoch bei einer Temperatur unter dem Erweichungspunkt des Glases. Da diese Wasserverdampfung und Trocknung vorzugsweise bei mäßigen Temperaturen, zum Beispiel unterhalb von ungefähr 400ºC, sogar zwischen ungefähr 100ºC und 200ºC, durchgeführt werden kann, wird das gefärbte Glas keiner Erweichung ausgesetzt, und somit wird verhindert daß das Glas während der mäßigen Temperaturerhöhung deformiert wird.
• Dies steht im Gegensatz zu konventionellen Farben mit organischen Bindemitteln, die auf Temperaturen über dem Erweichungspunkt des Glases erhitzt werden müssen um durchgehärtet zu werden. Auf Glastafeln aufgetragene Farbzusammensetzungen werden gewöhnlich zuerst durchgehärtet, um das Glas für weitere Verarbeitung, d. h. Biegung der gestrichenen Glastafel in eine gewünschte endgültige Form, zugänglich zu machen. Das Erhitzen des Glases auf Temperaturen über dem Erweichungspunkt des Glases zum Härten von Farben mit organischen Bindemitteln gibt dem Glas Gelegenheit Verzerrungen anzunehmen. Darauf folgendes Biegen des gefärbten Glases bei einer zweiten Brennung, wiederum bei diesen hohen Temperaturen, stellt eine zweite Möglichkeit zum Einbringen von Verzerrungen in das Glasprodukt dar. Da die Farbe der vorliegenden Erfindung bei vergleichsweise geringen Temperaturen unter dem Erweichungspunkt des Glases durchhärtet, minimiert sie so wünschenswert die Gelegenheit, Verzerrungen in das Glasprodukt einzubringen.
• Dieses Trocknen und Durchhärten der schwarzen Farbzusammensetzung auf Wasserbasis kann durch beliebige Vorrichtungen durchgeführt werden. Zwei besonders bevorzugte Verfahren umfassen das Bestrahlen der auf das Glas aufgetragenen Farbe mit Infrarotstrahlung (IR) oder Mikrowellenstrahlung, wie etwa in einem Mikrowellenofen. Letzteres wird ganz besonders bevorzugt, da es als kompaktes Gerät verhältnismäßig geringer Größe bereitgestellt werden kann, weniger Energie verbraucht und im allgemeinen weniger Wartung benötigt.
• Im Falle einer Probe vom Typ einer Windschutzscheibe von 30,5 cm · 30,5 cm (12" · 12"), bei der ein Teil der Oberfläche mit einer Ausführung des Farbgemischs der Erfindung in Form eines Abdunkelungsstreifens versehen wurde, stellte man fest daß die Beschichtung während ungefähr einer Minute bei 150ºC in einem IR-Ofen oder während weniger als etwa einer Minute in einem Mikrowellenofen (4 KW Leistung) ausgehärtet werden konnte. Die spezielle Ausführung der verwendeten Farbzusammensetzung und die beschichtete Fläche legen die jeweils optimal nützlichen Parameter zum Aushärten der Farbe dieser Erfindung nahe.
• Wie offensichtlich ist sind die durch mäßige Temperaturen durchhärtbaren Zusammensetzungen der vorliegenden Erfindung dahingehend von beträchtlichem Vorteil, daß sie für eine wesentliche Einsparung von Energie im Vergleich zu Gemischen sorgen, die wesentlich erhöhte Temperaturen zum Durchhärten erfordern. Zusätzlich können, wenn das Substrat wie oben besprochen Glas ist, optische Verzerrungen in die Glastafel aufgenommen werden, wenn sie wesentlich erhöhten Temperaturen ausgesetzt wird, wie dies beim Aushärten von konventionellen Glasbeschichtungen mit organischen Bindemitteln notwendig sind. Die Zusammensetzung der vorliegenden Erfindung überwindet diesen Nachteil von Beschichtungen nach dem früheren Stand der Technik, welche zum Aushärten der Farbe erhöhte Temperaturen erfordern. Während die Farbe sich auf Glas - wie oben beschrieben - als besonders nützlich herausstellt, kann sie auch benutzt werden um andere Unterlagen - einschließlich zum Beispiel Metall oder Plastik - zu streichen.
• Im Allgemeinen wird beschichtetes Fahrzeugglas nachfolgend einem Formgebungsprozeß unterzogen, der es beinhaltet daß das Glas in einem Kühlofen hohen Temperaturen der Größenordnung von 621ºC (1250ºF) oder mehr ausgesetzt wird; und welche 677ºC (1250ºF) betragen können wenn das Glas getempert wird. Dies wird es der Beschichtung erlauben weiter auszuhärten, obwohl dies nicht nötig ist, um eine haltbare und haftende Beschichtung auf einer Unterlage bereitzustellen.
• Die folgenden Beispiele werden zur Beschreibung der Erfindung dargeboten, und um die dem Erfinder am geeignetsten scheinende Methode darzustellen, sollten aber keineswegs als einschränkend gedeutet werden.
Beispiele
• Die folgenden drei Beispiele sind Ausführungen von Farbgemischen, die entsprechend der vorliegenden Erfindung hergestellt wurden. Alle Mengenangaben der Komponenten sind in Gewichtsprozent des gesamten Farbgemisches gemacht.
• Die obigen, schwarzen Farbzusammensetzungen wurden mittels Siebdruck in einer Stärke von 16 um auf Glastafeln (Natron-Kalk-Silikatglas) aufgetragen, und in einem IR-Ofen für 3 Minuten bei 120ºC gehärtet.
• Die gehärtete, schwarze Farbe wies eine einheitliche Beschichtung und ausgezeichnete Haftung am Glas auf, wie gezeigt wurde indem man das gestrichene für 5 Tage bei 60ºC einem heißen Wasserbad aussetzte, wodurch die Farbe keine Delaminierung zeigte. Die Farben wurden durch den unten beschriebenen Test außerdem auf Haftung an Klebstoffen vom Urethantyp geprüft, weil diese Klebematerialien zur Montage in einem Fahrzeug oft im Kontakt mit Glas verwendet werden.
Urethanklebstoff/Farbe/Glas - Haftvermögentest
• Die Oberfläche einer Glastafel wird gestrichen und die Farbe wird vollständig durchgehärtet, indem sie durch einen Ofen geleitet wird, der das Glas auf über 550ºC erhitzt. Ein Teil (Streifen) der gestrichenen Oberfläche wird auf Urethanhaftung vorbereitet, indem zuerst eine Schicht Essex Glasgrundierung - Präparat Nr. 43519- aufgetragen wird. Auf diese präparierte Oberfläche wird eine weitere Schicht Essex Glasgrundierung Nr. 43520A aufgetragen. Man läßt die Grundierung ungefähr 10 Minuten bei Raumtemperatur trocknen, und dann wird ein "Tropfen" Essex Urethan- Polymerklebstoff auf die Grundierungsschichten aufgetragen. Eine zweite Glastafel wird auf die gleiche Art und Weise vorbereitet, mit der Ausnahme daß der Urethanklebstoff nicht aufgetragen wird. Die zwei Glasscheiben werden so aufeinander gepreßt, daß der Urethanklebstoff die Grundierung der zweiten Platte berührt, wodurch ungefähr 6 mm (0,25") Raum zwischen den beiden gestrichenen Oberflächen der Platten bleibt. Man läßt das Paar für 72 Stunden an der Luft aushärten. Um den Haftungstest zu bestehen muß das Urethan und nicht die Haftfläche brechen, wenn die Platten gegeneinander verdreht werden. Die Zuverlässigkeit der Haftung wird getestet, nachdem das aneinander haftende Paar für einen gewählten Zeitraum in Wasser von 66ºC (155ºF) eingetaucht wurde.
• Die obenstehenden Farbgemische zeigten alle hervorragendes Haftvermögen und bestanden den Urethan-Hafttest erfolgreich. Vier andere Farbzusammensetzungen wurden wie folgt hergestellt:
• Die beiden Farbzusammensetzungen gemäß Ausführungsformen der Erfindung (#6 und #7) und zwei vergleichende Farben (#4 und #5), die nicht der vorliegenden Erfindung entsprechen, wurden wie oben beschrieben auf Haftung an Urethan- Polymerklebstoffen, und - wie folgt - auch an Polyvinylbutyral (das in Windschutzscheiben als Zwischenschicht verwendet wird):
Vinyl/Farbe/Glas-Haftungs-'Prügel-Test'
• In einem geschichteten Paar Glasscheiben wird ein 7,5 cm (3") breiter Streifen einer Farbe bereitgestellt, wobei sich die Farbe auf einer Oberfläche in Kontakt mit einer Polyvinylbutyral-Zwischenschicht befindet. Das Laminat wird gekühlt und bei -10ºC für vier Stunden stabilisiert. Nach den vier Stunden wird das Laminat schnell entfernt und der gestrichene Teil wird über einem Amboss plaziert, wonach der Abschnitt einer fünf Minuten andauernden Serie von Schlägen mit einem schweren Hammer ausgesetzt wird. Bei dieser Temperatur ist das Vinyl hart und weist geringes Haftvermögen an den zermalmten Glaspartikeln auf. Die Haftung der Glaspartikel an dem Vinyl wird durch Vergleich mit Standards eingeordnet, die von #1 bis #10 definiert sind, wobei #1 vollständigen Verlust der Haftung zwischen Vinyl/Farbe/Glas andeutet und #10 vollständige Haftung von Vinyl/Farbe/Glas andeutet.
Ergebnisse des Vinyl/Farbe/Glas im "Prügel-Tests"
• Farbe #4: "Prügel-Test" #1 - #2
• Farbe #5: "Prügel-Test" #4 - #6
• Farbe #6: "Prügel-Test" #6 - #8
• Farbe #7: "Prügel-Test" #6 - #8 Ergebnisse des Urethanklebstoff/Farbe/Glas - Haftvermögentests nach:
• Aus den obigen Testergebnissen kann ersehen werden daß der Einschluß von Natron- Kalk-Silikatglas-Pulver in der Farbzusammensetzung die Haftung der Farbe an Glas bedeutend verbesserte. Es ist ersichtlich daß der Einschluß von Glasfritte in der Farbzusammensetzung die Haftung der gehärteten Farbzusammensetzung am Glas ebenfalls steigert. Es wurde jedoch herausgefunden daß es ungeeignet ist die Menge über die in der Zusammensetzung der vorliegenden Erfindung spezifizierte hinaus zu erhöhen, da die Farbe dann dazu neigte zu "gelieren".

Claims (9)

1. Eine Farbzusammensetzung auf Wasserbasis, die eine ausgezeichnete Haftung an Glas aufweist, und die umfaßt:

(i) wasserlösliches Natriumsilikat, das 20 bis 45 Gewichtsprozent dieser Zusammensetzung ausmacht;

(ii) Wasser, das 5 bis 25 Gewichtsprozent dieser Zusammensetzung ausmacht;

(iii) wasserlösliche Lauge in ausreichender Menge, um diese Zusammensetzung mit einem pH-Wert von mindestens 10,5 zu versehen;

(iv) feinverteiltes Metalloxidpulver, das aus jener aus Oxiden von Kupfer, Eisen, Nickel Kobalt und Gemischen hieraus bestehenden Gruppe von Oxiden ausgewählt wird, das 25 bis 40 Gewichtsprozent der Zusammensetzung ausmacht, und das eine Partikelgröße von durchschnittlich weniger als 7 um (Mikron) aufweist; und

(v) Partikel aus Natron-Kalk-Silikatglas, die mindestens 10 Gewichtsprozent der Zusammensetzung ausmachen und im Durchschnitt einen Durchmesser von weniger als 20 um (Mikron) besitzen, und einen Schmelzpunkt von mindestens etwa 927ºC (1700ºF) aufweisen; und mindestens ein Material, das aus jener Gruppe gewählt ist die besteht aus:

(vi) niedrigschmelzendem Frittenpulver, das unterhalb 704ºC (1300ºC) schmilzt und bis zu 10 Gewichsprozent der Zusammensetzung ausmacht, und im Durchschnitt eine Teilchengröße von weniger als 10 um (Mikron) aufweist; und

(vii) Zinkoxid, das bis zu 10 Gewichtsprozent dieser Zusammensetzung ausmacht; wobei diese Zusammensetzung frei von Chromoxid ist.

2. Eine wasserbasierte Farbzusammensetzung gemäß Anspruch 1, in der diese Natron-Kalk-Silikatglas-Partikel nach Gewichtsprozenten bestehen aus: Siliziumdioxid 68-75; Aluminiumoxid 0-5; Kalziumoxid 5-15; Magnesiumoxid 0-10; Natriumoxid 10-18; und Kaliumoxid 0-5; und worin das Kalziumoxid + Magnesium nach Gewicht 6-15% und Natriumoxid + Kaliumoxid 10-20% betragen.

3. Eine wasserbasierte Farbzusammensetzung gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2, in der diese Zusammensetzung weiterhin wasserlösliches Kaliumsilikat umfaßt.

4. Eine wasserbasierte Farbzusammensetzung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, in dem dieses niedrigschmelzende Glasfrittenpulver 2 bis 10 Gewichtsprozent dieser Zusammensetzung bildet.

5. Eine wasserbasierte Farbzusammensetzung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, in der diese Zusammensetzung weiterhin 0,1 bis 1,0 Gewichtsprozent Tensid umfaßt.

6. Eine wasserbasierte Farbzusammensetzung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, welche weiterhin bis zu 5 Gewichtsprozent Aluminiumhydroxid umfaßt.

7. Eine wasserbasierte Farbzusammensetzung gemäß Anspruch 1, in der diese niedrigschmelzende Glasfritte ein Silikat eines Metalles ist, das aus jener aus Zink, Bor, Wismut, Titan, Zirkon und Aluminium und Mischungen hieraus bestehenden Gruppe gewählt ist.

8. Eine wasserbasierte Farbzusammensetzung gemäß Anspruch 1, in der:

- dieses wasserlösliche Natriumsilikat 25 bis 36 Gewichtsprozent dieser Zusammensetzung bildet;

- dieses Wasser 10 bis 25 Gewichtsprozent dieser Zusammensetzung bildet;

- dieses feinverteilte Metalloxidpulver 25 bis 45 Gewichtsprozent dieser Zusammensetzung bildet und eine Teilchengröße von im Durchschnitt zwischen 3 und 7 um (Mikron) aufweist;

- diese Partikel aus Natron-Kalk-Silikatglas im Durchschnitt einen Durchmesser im Bereich von 3 bis 10 um (Mikron) aufweisen, und nach Gewichtsprozenten bestehen aus: Siliziumdioxid 68-75; Aluminiumoxid 0-5; Kalziumoxid 5-15; Magnesiumoxid 0-10; Natriumoxid 10-18; und Kaliumoxid 0-5, und worin das Kalziumoxid + Magnesiumoxid nach Gewicht 6-15% und Natriumoxid + Kaliumoxid 10-20% betragen;

- dieses Glasfrittenpulver 3 bis 8 Gewichtsprozent dieser Zusammensetzung bildet und im Durchschnitt einen Teilchendurchmesser zwischen 3 und 7 um (Mikron) aufweist, und in der diese Glasfritte ein Silicat eines Metalles ist, das aus jener aus Zink, Bor, Wismut, Titan, Zirkon und Aluminium und Mischungen daraus bestehenden Gruppe ausgewählt ist; und die

ein Tensid einschließt, das 0,1 bis 1,0 Gewichtsprozent dieser Zusammensetzung bildet.

9. Eine Farbzusammensetzung gemäß Anspruch 8, in der diese Zusammensetzung weiterhin nach Gewicht bis zu 5% Aluminiumhydroxid einschließt.