EP2052038A1 - Titandioxid-schicht mit verbesserten oberflächeneigenschaften - Google Patents

Titandioxid-schicht mit verbesserten oberflächeneigenschaften

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EP2052038A1
EP2052038A1 EP07802600A EP07802600A EP2052038A1 EP 2052038 A1 EP2052038 A1 EP 2052038A1 EP 07802600 A EP07802600 A EP 07802600A EP 07802600 A EP07802600 A EP 07802600A EP 2052038 A1 EP2052038 A1 EP 2052038A1
Authority
EP
European Patent Office
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titanium dioxide
dioxide coating
structuring
titanium
particles
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP07802600A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Florian Eder
Hans-Dieter Feucht
Rudolf Gensler
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Publication of EP2052038A1 publication Critical patent/EP2052038A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J37/00—Processes, in general, for preparing catalysts; Processes, in general, for activation of catalysts
    • B01J37/02—Impregnation, coating or precipitation
    • B01J37/0215—Coating
    • B01J37/0217—Pretreatment of the substrate before coating
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08G—MACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED OTHERWISE THAN BY REACTIONS ONLY INVOLVING UNSATURATED CARBON-TO-CARBON BONDS
    • C08G79/00—Macromolecular compounds obtained by reactions forming a linkage containing atoms other than silicon, sulfur, nitrogen, oxygen, and carbon with or without the latter elements in the main chain of the macromolecule
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J21/00—Catalysts comprising the elements, oxides, or hydroxides of magnesium, boron, aluminium, carbon, silicon, titanium, zirconium, or hafnium
    • B01J21/06—Silicon, titanium, zirconium or hafnium; Oxides or hydroxides thereof
    • B01J21/063—Titanium; Oxides or hydroxides thereof
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09D—COATING COMPOSITIONS, e.g. PAINTS, VARNISHES OR LACQUERS; FILLING PASTES; CHEMICAL PAINT OR INK REMOVERS; INKS; CORRECTING FLUIDS; WOODSTAINS; PASTES OR SOLIDS FOR COLOURING OR PRINTING; USE OF MATERIALS THEREFOR
    • C09D1/00—Coating compositions, e.g. paints, varnishes or lacquers, based on inorganic substances
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09D—COATING COMPOSITIONS, e.g. PAINTS, VARNISHES OR LACQUERS; FILLING PASTES; CHEMICAL PAINT OR INK REMOVERS; INKS; CORRECTING FLUIDS; WOODSTAINS; PASTES OR SOLIDS FOR COLOURING OR PRINTING; USE OF MATERIALS THEREFOR
    • C09D185/00—Coating compositions based on macromolecular compounds obtained by reactions forming in the main chain of the macromolecule a linkage containing atoms other than silicon, sulfur, nitrogen, oxygen, and carbon; Coating compositions based on derivatives of such polymers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32009—Arrangements for generation of plasma specially adapted for examination or treatment of objects, e.g. plasma sources
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J2237/00—Discharge tubes exposing object to beam, e.g. for analysis treatment, etching, imaging
    • H01J2237/32—Processing objects by plasma generation
    • H01J2237/33—Processing objects by plasma generation characterised by the type of processing
    • H01J2237/334—Etching

Definitions

  • Titanium dioxide layer with improved surface properties Titanium dioxide layer with improved surface properties
  • Dirt deposits hydrocarbons, oils, dust etc.
  • Dirt deposits permanently impair the function of components such as e.g. Sensors, injectors, valves, turbines or gas and air compressors.
  • Vanadium pentoxide coatings are known from DE 101 3067 3 for intake valves in internal combustion engines.
  • Titanium dioxide is described as a photocatalytically active material in D. Bruemann "Photocatalytic water treatment - solar energy applications", Solar Energy (2004), Vol.77, pp. 445.459. It is therefore the object to find a titanium dioxide coating which is able to act catalytically also thermally induced.
  • thermocatalytically active titanium dioxide coating which is based on a sol-gel system has been proposed, characterized in that the titanium dioxide coating contains at least one structuring component and / or has been produced by means of at least one structuring method.
  • titanium dioxide coating in the sense of the present invention means or comprises in particular that the coating, with the exception of the possibly present at least one structuring component, contains titanium dioxide as the main component, preferably ⁇ 70%, more preferably ⁇ 80%. and most preferably ⁇ 90% to ⁇ 10% of the titanium dioxide coating.
  • sol-gel system in the context of the present invention means or comprises in particular that the titanium dioxide coating by means of a process which contains a sol-gel step, in particular and insofar preferably by means of one of following illustrated method is produced.
  • structural component in the sense of the present invention means or comprises in particular any component which is capable of increasing the active surface of the titanium dioxide coating.
  • structural process within the meaning of the present invention means or comprises in particular that the titanium dioxide coating has been produced by means of a process which contains a structuring step by which, in particular and to the extent preferred the active surface of the titanium dioxide coating is increased.
  • the coating according to the invention is distinguished by a simple and material-saving production and application which avoids complicated processes such as vacuum coatings (CVD / PVD).
  • the thickness of the produced titanium dioxide coating is at most a few micrometers in many applications. It is therefore largely insensitive to thermal stress and affects component dimensions and tolerances only insignificantly.
  • a preferred embodiment of the invention is characterized in that the titanium dioxide coating is applied to a prestructured substrate. This has proved to be suitable for a large number of applications within the present invention, since in many cases a titanium dioxide coating according to the invention can be obtained in a particularly simple manner.
  • pre-structured may include that the substrate on which the titanium dioxide coating according to the invention has been applied has been structured by method steps, as will be explained in particular below. However, in some applications within the present invention (such as, but not limited to, the following example), it has been found that the substrate may already be suitably pre-patterned "by itself.” However, this usually has to be done prior to application of the titanium dioxide of the present invention Coating can be detected.
  • a preferred embodiment of the invention is characterized in that the roughness of the prestructured substrate ranges from ⁇ 50 nm to ⁇ 10 ⁇ m. It has been found in many cases and applications within the present invention that such a roughness is particularly suitable for achieving a titanium dioxide coating according to the invention.
  • the roughness of the prestructured substrate preferably ranges from ⁇ 10 nm to ⁇ 50 ⁇ m, more preferably ⁇ 200 nm to ⁇ 10 ⁇ m.
  • a preferred embodiment of the invention is characterized in that the prestructured substrate has been prestructured by means of embossing, rolling and / or a wet-chemical and / or plasma etching process. This is particularly preferred in many applications of the present invention where the substrate is not "pre-structured" by itself.
  • a preferred embodiment of the invention is characterized in that the titanium dioxide coating contains structuring metal oxide particles. It has been found for many applications within the present invention that so easily a titania coating according to the invention can be achieved.
  • structural metal oxide particles in the sense of the present invention means or comprises in particular all metal oxides in particulate form which are capable are to increase the active surface of the titanium dioxide coating.
  • the (molar) ratio of metal oxide to titanium dioxide is preferably from .gtoreq.1: 1 to .ltoreq.1000: 1, more preferably from> 10: 1 to .ltoreq.100: 1. This has proven beneficial for many applications within the present invention.
  • a preferred embodiment of the invention is characterized in that the structuring particles have an average particle size of ⁇ 50 nm to ⁇ 50 ⁇ m. This has proved to be particularly favorable for many applications within the present invention.
  • the structuring particles preferably have an average particle size of ⁇ 80 nm to ⁇ 20 ⁇ m, more preferably ⁇ 10 nm to ⁇ 10 ⁇ m.
  • a preferred embodiment of the invention is characterized in that the structuring particles are selected from a material containing SiC> 2, Al 2 O 3, ZrC> 2, TiC> 2, boehmite ( ⁇ -AlO (OH)), phyllosilicates, CeO 2 , Fe 2 O 3 , MnO, Mn 3 O 4 or mixtures thereof.
  • a preferred embodiment of the invention is characterized in that the titanium dioxide coating is applied to a prestructured substrate which is provided with structuring particles, in particular structuring metal oxide particles, preferably as described within the present invention.
  • structural particles in the sense of the present invention means or comprises in particular all materials in particle form which are capable of increasing the active surface of the titanium dioxide coating.
  • a preferred embodiment of the invention is characterized in that the prestructured substrate with particles None containing a material selected from the group SiO 2 , Al 2 O 3 , ZrO 2 , TiO 2 , boehmite ( ⁇ -A10 (OH)), phyllosilicates, CeO 2 , Fe 2 O 3 , MnO, Mn 3 O 4 or mixtures provided from this.
  • the (molar) ratio of structuring particles to titanium dioxide is from ⁇ 1: 1 to ⁇ 1000: 1, more preferably from 10 10: 1 to ⁇ 100: 1. This has proven beneficial for many applications within the present invention.
  • a preferred embodiment of the invention is characterized in that the structuring particles have an average particle size of ⁇ 50 nm to ⁇ 50 ⁇ m. This has proved to be particularly favorable for many applications within the present invention.
  • the structuring particles preferably have an average particle size of ⁇ 80 nm to ⁇ 20 ⁇ m, more preferably ⁇ 10 nm to ⁇ 10 ⁇ m.
  • a preferred embodiment of the invention is characterized in that the titanium dioxide coating solution is produced by means of a sol-gel process and applied by means of a wet-chemical process.
  • sol-gel process in the sense of the present invention means or comprises in particular all processes in which metal precursor materials, in particular metal halides and / or metal alkoxides in solution, are subjected to hydrolysis and subsequent condensation.
  • the present invention also relates to a process for producing a thermocatalytically active titanium dioxide coating, characterized in that the process is based on a sol-gel process and comprises at least one structuring step and / or the addition of at least one structuring component.
  • sol-gel process in the sense of the present invention means or comprises in particular all processes and / or processes in which metal precursor materials, in particular metal halides and / or metal alkoxides in solution are subjected to hydrolysis and subsequent condensation.
  • a preferred embodiment of the method according to the invention for producing a thermocatalytically active titanium dioxide coating is characterized in that the titanium dioxide coating is applied to a prestructured substrate, in particular according to the preferred embodiments of the invention described above.
  • thermocatalytically active titanium dioxide coating is characterized by the addition of structural bender metal oxide particles, in particular structuring metal oxide particles according to the preferred embodiments of the invention described above
  • a preferred embodiment of the process according to the invention for producing a thermocatalytically active titanium dioxide coating is characterized in that the titanium is added in the form of a titanium alkoxide precursor solution.
  • the concentration of titanium in the titanium precursor solution is ⁇ 0.004 mol to ⁇ 0.2 mol of titanium precursor per mole of solvent. This has proven to be beneficial for the production of coatings within a wide range of applications of the present invention.
  • the concentration of titanium in the titanium precursor solution is ⁇ 0.02 mol to ⁇ 0.1 mol of titanium precursor per mole of solvent.
  • Alkyl linear and branched C 1 -C 8 -alkyls
  • long-chain alkyls linear and branched C5-C20 alkyls
  • Alkenyl C2-C6-alkenyl
  • Cycloalkyl C3-C8-cycloalkyl
  • Alkoxide / alkoxy C 1 -C 6 alkoxy, linear and branched long-chain alkoxide / alkoxy: linear and branched C5-C20 alkoxy
  • polyethers selected from the group consisting of H- (O-CH 2 - CH (R)) n-OH and H- (0-CH 2 -CH (R)) n -H wherein R is independently selected from: hydrogen, alkyl , aryl, halogen and n from 1 to 250
  • substituted polyethers selected from the group consisting of R 2 - (O-CH 2 -CH (R 1 )) n -OR 3 and R 2 - (O-CH 2 -CH (R 2 )) n -R 3 where Ri, R 2 , R 3 is independently selected from: hydrogen, alkyl, long chain alkyl, aryl, halogen and n is from 1 to 250
  • Amines the group N (R) 3 wherein each R is independently selected from: hydrogen; Cl-C6-alkyl; Cl-C6-alkyl-C6H5;
  • Alcohol amine the group N (R) 3, wherein each R is independently selected from: hydrogen, - (CR 1 R 2 ) H -OH, wherein each R 1 and R 2 are independently selected from the group consisting of hydrogen, halogen, alkyl and n is from 1 to 6.
  • Ether The compound R 1 -OR 2 , wherein each R 1 and R 2 are independently selected from the group consisting of hydrogen, halogen, alkyl, cycloalkyl, aryl, long chain alkyl
  • Alkyl linear and branched C 1 -C 6 -alkyl
  • Alkenyl C3-C6 alkenyl
  • Cycloalkyl C6-C8-cycloalkyl
  • Polyether selected from the group consisting of H- (O-CH 2 - CH (R)) n-OH and H- (0-CH 2 -CH (R)) n -H wherein R is independently selected from: hydrogen, alkyl , aryl, halogen and n is from 10 to 100, preferably 25 to 50
  • substituted polyethers selected from the group consisting of R 2 - (O-CH 2 -CH (R 1 J) n -OR 3 and R 2 - (O-CH 2 -CH (R 2 )) n -R 3 where R i, R 2 , R 3 is independently selected from: hydrogen, alkyl, long-chain alkyl, aryl, halogen and n is from 10 to 100, preferably 25 to 50
  • a preferred embodiment of the process according to the invention for producing a thermocatalytically active titanium dioxide coating is characterized in that the viscosity of the titanium-containing precursor solution is from ⁇ 1 mPa * s to ⁇ 10 000 mPa * s, preferably> 10 mPa * s to ⁇ l.OOO mPa * s. This has been found to be beneficial in many applications of the present invention.
  • a preferred embodiment of the process according to the invention for producing a thermocatalytically active titanium dioxide coating is characterized in that the titanium-containing precursor solution additionally comprises at least one complexing agent.
  • complexing agent in the sense of the present invention means or comprises in particular all materials which are capable, alone or in combination with other materials, of containing titanium at a concentration of 0.2 mol of titanium per 1 mol of solvent in the titanium Precursor solution at a pH of ⁇ 3, preferably ⁇ 1 to keep in solution.
  • the molar ratio of complexing agent to titanium is preferably ⁇ 0.01 mol to ⁇ 4 mol of complexing agent per mole of titanium. This has been found to be beneficial in many applications of the present invention. Even more preferably, the molar ratio of complexing agent is ⁇ 0.02 mole to ⁇ 0.1 mole of complexing agent per mole of titanium.
  • thermocatalytically active titanium dioxide coating is characterized in that the at least one complexing agent is selected from the group ethers, polyethers, substituted polyethers, nonionic surfactants, amines, alcohol amines or mixtures thereof
  • a preferred embodiment of the process according to the invention for producing a thermocatalytically active titanium dioxide coating is characterized in that the pH of the titanium-containing precursor solution is from ⁇ O to ⁇ 3, preferably ⁇ L to ⁇ 2.
  • the present invention also relates to the use of a titanium dioxide coating according to the present invention and / or a titanium dioxide coating prepared by the process according to the invention for
  • Fig. 1 two steel substrates with and without TiC> 2 coating after a degradation test of paraffin wax
  • Fig. 1 refers to the following Example I, in which - purely illustrative and not restrictive - a titanium dioxide coating was produced as follows:
  • the layer was annealed at 400 0 C for 10 minutes.
  • Fig. 1 an uncoated comparative sample is shown on the left, the right sample shows the coated steel substrate.
  • the uncoated sample (left in FIG. 1) clearly shows the remaining organic residues, while the coated region of the right-hand sample has no residues. Furthermore, the coating prevents oxidation of the underlying metal surface (no tempering colors).

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Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine thermokatalyisch aktive Titandioxid-Beschichtung, welche auf einem Sol- Gel-System basiert, dadurch gekennzeichnet, dass die Titandioxid-Beschichtung eine strukturgebende Komponente enthält und/oder mittels eines strukturgebenden Verfahrens hergetellt wurde.

Description

Titandioxid-Schicht mit verbesserten Oberflächeneigenschaften
Bei vielen Anwendungen in der Automobil- und Kraftwerkstechnik; beeinträchtigen Schmutzablagerungen (Kohlenwasserstoffe, Öle, Staub etc.) nachhaltig die Funktion von Komponenten wie z.B. Sensoren, Injektoren, Ventilen, Turbinen oder Gas- und Luftverdichter .
Daher wurde vorgeschlagen, solche Bauteile, die im Betrieb typischerweise Temperaturen von 200° bis 600° ausgesetzt sind mit Beschichtungen, die eine thermisch-induzierte Selbstreinigungswirkung aufweisen, zu versehen. In vielen Fällen ist damit zu rechnen, dass so deutliche Verbesserungen in Bezug auf Zuverlässigkeit, Lebensdauer, Verringerung von Schadstoff-Emissionen und Erhöhung des Wirkungsgrades erreicht werden .
Jedoch hat sich herausgestellt, dass die vorhandenen BeSchichtungen für den thermisch-induzierten Abbau von organischen Ablagerungen oftmals weniger geeignet sind und wenige solcher Beschichtungen sind derzeit verfügbar.
Eine Vielzahl der im Stand der Technik eingesetzten Beschichtungen beruhen auf Metalloxiden. So sind z.B. Vanadiumpento- xidbeschichtungen aus der DE 101 3067 3 für Einlassventile in Verbrennungsmotoren bekannt.
Die DE 199 153 77 beschreibt eine Mischung aus Übergangsmetalloxiden (Mangan, Cobalt, Cer) zur Desodorierung.
Als photokatalytisch wirkendes Material ist Titandioxid in D. Bahnemann „Photocatalytic water treatment - solar energy applications", Solar Energy (2004), Vol.77, p. 445.459 beschrieben . Es stellt sich daher die Aufgabe, eine Titandioxid-Be- schichtung zu finden, die in der Lage ist, auch thermisch induziert katalytisch zu wirken.
Diese Aufgabe wird durch eine Titandioxid-Beschichtung nach Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 10 der vorliegenden Erfindung gelöst. Demgemäß wird eine thermokatalytisch aktive Titandioxid-Beschichtung, welche auf einem Sol-Gel- System basiert, vorgeschlagen, dadurch gekennzeichnet, dass die Titandioxid-Beschichtung mindestens eine strukturgebende Komponente enthält und/oder mittels mindestens eines strukturgebenden Verfahrens hergestellt wurde.
Die Bezeichnung „Titandioxid-Beschichtung" im Sinne der vor- liegenden Erfindung bedeutet oder umfasst insbesondere, dass die Beschichtung - ausgenommen die evtl. vorhandene mindestens eine strukturgebende Komponente - Titandioxid als Hauptkomponente enthält. Bevorzugt sind dabei ≥70%, noch bevorzugt ≥80% sowie am meisten bevorzugt ≥90% bis ≤IOO der Beschich- tung aus Titandioxid.
Die Bezeichnung „basierend auf einem Sol-Gel-System" im Sinne der vorliegenden Erfindung bedeutet oder umfasst insbesondere, dass die Titandioxid-Beschichtung mittels eines Verfah- rens, welches einen Sol-Gel-Schritt enthält, insbesondere und insoweit bevorzugt mittels eines der im folgenden dargestellten Verfahrens hergestellt wird.
Die Bezeichnung „strukturgebende Komponente" im Sinne der vorliegenden Erfindung bedeutet oder umfasst insbesondere jede Komponente, welche in der Lage ist, die aktive Oberfläche der Titandioxid-Beschichtung zu erhöhen.
Die Bezeichnung „strukturgebendes Verfahren" im Sinne der vorliegenden Erfindung bedeutet oder umfasst insbesondere, dass die Titandioxid-Beschichtung mittels eines Verfahrens hergestellt wurde, welches einen strukturgebenden Schritt enthält, durch welchen insbesondere und insoweit bevorzugt die aktive Oberfläche der Titandioxid-Beschichtung erhöht wird .
Durch eine solche erfindungsgemäße Titandioxid-Beschichtung kann in vielen Anwendungen innerhalb der vorliegenden Erfindung einer oder mehrere der folgenden Vorteile erzielt werden :
Im Vergleich zu Katalysatoren, die auf Edelmetallkompo- nenten basieren, zeichnet sich die erfindungsgemäße Be- schichtung durch eine einfache und materialsparende Herstellung und Auftragung aus, die komplizierte Prozesse wie Vakuumbeschichtungen (CVD / PVD) vermeidet.
- Eine nachträgliche Beschichtung von großen Substraten (z.B. Komponenten von Kompressoren in Kraftwerken) vor Ort ist in vielen Fällen möglich.
Die Dicke der hergestellten Titandioxid-Beschichtung be- trägt bei vielen Anwendungen höchstens wenige Mikrometer. Sie ist daher weitgehend unempfindlich gegenüber thermischem Stress und beeinflusst Bauteilabmessungen und Toleranzen nur unwesentlich.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Titandioxid-Beschichtung auf einem vorstrukturierten Substrat aufgebracht ist. Dies hat sich für eine große Reihe an Anwendungen innerhalb der vorliegenden Erfindung als geeignet herausgestellt, da so eine erfindungs- gemäße Titandioxid-Beschichtung in vielen Fällen auf besonders einfache Weise erhalten werden kann.
Die Bezeichnung „vorstrukturiert" kann beinhalten, dass das Substrat, auf dem die erfindungsgemäße Titandioxid- Beschichtung aufgebracht ist, durch Verfahrensschritte strukturiert wurde, wie insbesondere im folgenden erläutert wird. Bei einigen Anwendungen innerhalb der vorliegenden Erfindung (wie z.B. das nachfolgende Beispiel, ohne darauf beschränkt zu sein) hat sich jedoch herausgestellt, dass das Substrat schon „von sich aus" in geeigneter Weise vorstrukturiert sein kann. Dies muss allerdings meist vor Aufbringung der erfindungsgemäßen Titandioxid-Beschichtung festgestellt werden.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Rauhigkeit des vorstrukturierten Sub- strates von ≥50 nm bis ≤IOO μm reicht. Es hat sich in vielen Fällen und Anwendungen innerhalb der vorliegenden Erfindung herausgestellt, dass eine solche Rauhigkeit besonders geeignet ist, eine erfindungsgemäße Titandioxid-Beschichtung zu erzielen .
Bevorzugt reicht die Rauhigkeit des vorstrukturierten Substrates von ≥IOO nm bis ≤50 μm, noch bevorzugt ≥200 nm bis <10 μm.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das vorstrukturierte Substrat mittels Prägen, Walzen und/oder eines nasschemischen und/oder Plasmaätz- Verfahrens vorstrukturiert wurde. Dies ist insbesondere bei vielen Anwendungen der vorliegenden Erfindung bevorzugt, bei dem das Substrat nicht „von sich aus" in geeigneter Weise vorstrukturiert ist.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Titandioxid-Beschichtung strukturge- bende Metalloxid-Partikel enthält. Es hat sich für viele Anwendungen innerhalb der vorliegenden Erfindung herausgestellt, dass so besonders einfach eine erfindungsgemäße Titandioxid-Beschichtung erreichbar ist.
Die Bezeichnung „strukturgebende Metalloxid-Partikel" im Sinne der vorliegenden Erfindung bedeutet oder umfasst insbesondere alle Metalloxide in Partikelform, welche in der Lage sind, die aktive Oberfläche der Titandioxid-Beschichtung zu erhöhen .
Bevorzugt liegt dabei das (molare) Verhältnis an Metalloxid zu Titandioxid von ≥l : 1 bis ≤1000:l, noch bevorzugt von >10:l bis ≤100:l. Dies hat sich für viele Anwendungen innerhalb der vorliegenden Erfindung als günstig erwiesen.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist dadurch ge- kennzeichnet, dass die strukturgebenden Partikel eine mittlere Partikelgröße von ≥50 nm bis ≤50 μm aufweisen. Dies hat sich für viele Anwendungen innerhalb der vorliegenden Erfindung als besonders günstig erwiesen.
Bevorzugt weisen die strukturgebenden Partikel eine mittlere Partikelgröße von ≥80 nm bis ≤20 μm, noch bevorzugt ≥IOO nm bis ≤IO μm auf.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist dadurch ge- kennzeichnet, dass die strukturgebenden Partikel ausgewählt sind aus einem Material enthaltend SiC>2, AI2O3, ZrC>2, TiC>2, Böhmit (α-AlO(OH)), Schichtsilikate, CeO2, Fe2O3, MnO, Mn3O4 oder Mischungen daraus.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Titandioxid-Beschichtung auf einem vorstrukturiertem Substrat aufgebracht ist, welches mit strukturgebenden Partikeln, insbesondere strukturgebenden Metalloxidpartikeln, bevorzugt wie innerhalb der vorliegenden Erfindung beschrieben, versehen ist.
Die Bezeichnung „strukturgebende Partikel" im Sinne der vorliegenden Erfindung bedeutet oder umfasst insbesondere alle Materialien in Partikelform, welche in der Lage sind, die ak- tive Oberfläche der Titandioxid-Beschichtung zu erhöhen.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das vorstrukturierte Substrat mit Parti- kein enthaltend ein Material ausgewählt aus der Gruppe SiO2, Al2O3, ZrO2, TiO2, Böhmit (α-A10 (OH) ) , Schichtsilikate, CeO2, Fe2O3, MnO, Mn3O4 oder Mischungen daraus versehen ist.
Bevorzugt liegt dabei das (molare) Verhältnis an strukturgebende Partikeln zu Titandioxid von ≥l : 1 bis ≤1000:l, noch bevorzugt von >10:l bis ≤100:l. Dies hat sich für viele Anwendungen innerhalb der vorliegenden Erfindung als günstig erwiesen .
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die strukturgebenden Partikel eine mittlere Partikelgröße von ≥50 nm bis ≤50 μm aufweisen. Dies hat sich für viele Anwendungen innerhalb der vorliegenden Erfin- düng als besonders günstig erwiesen.
Bevorzugt weisen die strukturgebenden Partikel eine mittlere Partikelgröße von ≥80 nm bis ≤20 μm, noch bevorzugt ≥IOO nm bis ≤IO μm auf.
Überraschenderweise hat sich herausgestellt, dass ein derart vorstrukturiertes Substrat nicht nur bei auf TiO2-Beschich- tungen basierenden Systemen in der Lage ist, die Eigenschaften dieser Beschichtungen zu erhöhen, sondern auch bei Be- Schichtungen, die auf anderen Materialien basieren. Der Einsatz von strukturgebenden Partikeln, insbesondere wie innerhalb der vorliegenden Erfindung beschrieben, auf einem vorstrukturierten Substrat ist deshalb von eigenständiger erfinderischer Bedeutung.
Innerhalb dieser bevorzugten Ausführungsform, welche sich für viele Anwendungen als günstig erwiesen hat, ist somit nicht das Titandioxid, sondern das Substrat und/oder die TiO2- Precursorlösung mit strukturgebenden Partikeln versehen. Je- doch wird jeder Fachmann unmittelbar einsehen, dass auch eine Kombination von Substrat, welches Partikel aufweist wie Titandioxid, welches Partikel aufweist, innerhalb der Erfindung möglich ist und ebenfalls eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist dadurch ge- kennzeichnet, dass die Titandioxid- Beschichtungslösung mittels eines Sol-Gel-Verfahrens hergestellt und mittels eines nasschemischen Verfahrens aufgebracht wird.
Die Bezeichnung „Sol-Gel-Verfahren" im Sinne der vorliegenden Erfindung bedeutet oder umfasst insbesondere alle Verfahren bei denen Metallprecursormaterialien, insbesondere Metallhalogenide und/oder Metallalkoxide in Lösung einer Hydrolyse und anschließenden Kondensation unterworfen werden.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich außerdem auf ein Verfahren zur Herstellung einer thermokatalytisch aktiven Titan- dioxid-Beschichtung, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren auf einem Sol-Gel-Prozess beruht und mindestens einen strukturgebenden Schritt und/oder die Zugabe mindestens einer strukturgebenden Komponente umfasst.
Die Bezeichnung „Sol-Gel-Prozess" im Sinne der vorliegenden Erfindung bedeutet oder umfasst insbesondere alle Prozesse und/oder Verfahren bei denen Metallprecursormaterialien, ins- besondere Metallhalogenide und/oder Metallalkoxide in Lösung einer Hydrolyse und anschließenden Kondensation unterworfen werden .
Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfah- rens zur Herstellung einer thermokatalytisch aktiven Titandi- oxid-Beschichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Titandioxid Beschichtung auf einem vorstrukturierten Substrat, insbesondere gemäß den oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung, aufgebracht ist.
Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer thermokatalytisch aktiven Titandi- oxid-Beschichtung ist gekennzeichnet durch Zugabe strukturge- bender Metalloxid-Partikel, insbesondere strukturgebender Metalloxid-Partikel gemäß den oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung
Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer thermokatalytisch aktiven Titandi- oxid-Beschichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Titan in Form einer Titan-Alkoxid-Precursor-Lösung zugegeben wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beträgt die Konzentration an Titan in der Titan- Precursor-Lösung ≥0,004 Mol bis ≤0,2 Mol Titanprecursor auf 1 Mol Lösemittel. Dies hat sich für die Erzeugung von Beschich- tungen innerhalb einer breiten Spanne von Anwendungen der vorliegenden Erfindung als günstig herausgestellt.
Noch bevorzugt beträgt die Konzentration an Titan in der Ti- tan-Precursor-Lösung ≥0,02 Mol bis ≤0,l Mol Titanprecursor auf 1 Mol Lösemittel.
allgemeine Gruppendefinition: Innerhalb der Beschreibung und den Ansprüchen werden allgemeine Gruppen, wie z.B: Alkyl, Al- koxy, Aryl etc. beansprucht und beschrieben. Wenn nicht anders beschrieben, werden bevorzugt die folgenden Gruppen in- nerhalb der allgemein beschriebenen Gruppen im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendet:
Alkyl: lineare und verzweigte Cl-C8-Alkyle,
langkettige Alkyle: lineare und verzweigte C5-C20 Alkyle
Alkenyl: C2-C6-alkenyl,
Cycloalkyl: C3-C8-cycloalkyl,
Alkoxid/Alkoxy : Cl-C6-alkoxy, linear und verzweigt langkettig Alkoxid/Alkoxy : lineare und verzweigte C5-C20 Al- koxy
polyether: ausgewählt aus der Gruppe enthaltend H-(O-CH2- CH(R))n-OH and H- (0-CH2-CH (R) ) n-H wobei R unabhängig ausgewählt ist aus: Wasserstoff, alkyl, aryl, halogen und n von 1 to 250
substitutierte Polyether: ausgewählt aus der Gruppe enthal- tend R2 -(0-CH2-CH(R1 ) ) n-OR3 and R2 -(0-CH2-CH(R2 ) ) n-R3 wobei Ri, R2, R3 unabhängig ausgewählt ist aus: Wasserstoff, Alkyl, langkettige Alkyle, Aryl, halogen und n von 1 to 250 beträgt
Amine: die Gruppe N (R) 3 wobei jedes R unabhängig ausgewählt ist aus: Wasserstoff; Cl-C6-alkyl; Cl-C6-alkyl-C6H5;
Alkoholamin : die Gruppe N (R) 3, wobei jedes R unabhängig ausgewählt ist aus : Wasserstoff, - (CR1R2)H-OH, wobei jedes R1 und R2 unabhängig ausgewählt sind aus der Gruppe enthaltend Wasserstoff, Halogen, Alkyl und n von 1 bis 6 beträgt.
Ether: Die Verbindung R1-O-R2, wobei jedes R1 und R2 unabhängig ausgewählt sind aus der Gruppe enthaltend Wasserstoff, Halogen, Alkyl, Cycloalkyl, Aryl, langkettiges Alkyl
Soweit nicht anders erwähnt, sind die folgenden Gruppen mehr bevorzugte Gruppen innerhalb der allgemeinen Gruppendefinition :
Alkyl: lineare und verzweigte Cl-C6-alkyl,
Alkenyl: C3-C6-alkenyl,
Cycloalkyl: C6-C8-cycloalkyl,
Alkoxy, Alkoxid: Cl-C4-alkoxy, insbesondere Isopropyloxid langkettig Alkoxy: lineare und verzweigte C5-C10 Alkoxy, vorzugsweise lineare C6-C8 Alkoxy
Polyether: ausgewählt aus der Gruppe enthaltend H-(O-CH2- CH(R))n-OH and H- (0-CH2-CH (R) ) n-H wobei R unabhängig ausgewählt ist aus: Wasserstoff, alkyl, aryl, halogen und n von 10 to 100, bevorzugt 25 bis 50 beträgt
substitutierte Polyether: ausgewählt aus der Gruppe enthaltend R2 -(0-CH2-CH(R1 J)n-OR3 and R2 -(0-CH2-CH(R2 ) )n-R3 wobei Ri, R2, R3 unabhängig ausgewählt ist aus: Wasserstoff, Alkyl, langkettige Alkyle, Aryl, halogen und n von 10 to 100, bevorzugt 25 bis 50 beträgt
Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer thermokatalytisch aktiven Titandi- oxid-Beschichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Viskosität der Titan enthaltenden Precursor-Lösung von ≥l mPa*s bis ≤IO.OOO mPa*s beträgt, vorzugsweise >10 mPa*s bis ≤l.OOO mPa*s. Dies hat sich bei vielen Anwendungen der vorliegenden Erfindung als günstig herausgestellt.
Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfah- rens zur Herstellung einer thermokatalytisch aktiven Titandi- oxid-Beschichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Titan enthaltende Precursor-Lösung zusätzlich mindestens ein Kom- plexierungsmittel enthält.
Die Bezeichnung „Komplexierungsmittel" im Sinne der vorliegenden Erfindung bedeutet oder umfasst insbesondere alle Materialien, welche in der Lage sind, alleine oder in Kombination mit anderen Materialien Titan bei einer Konzentration von 0,2 Mol Titan auf 1 Mol Lösemittel in der Titan enthal- tenden Precursor-Lösung bei einem pH von <3, bevorzugt <1 in Lösung zu halten. Bevorzugt beträgt das molare Verhältnis von Komplexierungs- mittel zu Titan ≥0,01 Mol bis ≤4 Mol Komplexierungsmittel auf 1 Mol Titan. Dies hat sich bei vielen Anwendungen der vorliegenden Erfindung als günstig herausgestellt. Noch bevorzugt beträgt das molare Verhältnis von Komplexierungsmittel ≥0,02 Mol bis ≤0,l Mol Komplexierungsmittel auf 1 Mol Titan.
Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer thermokatalytisch aktiven Titandi- oxid-Beschichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Komplexierungsmittel ausgewählt ist aus der Gruppe Ether, Polyether, substituierte Polyether, nichtionische Tenside, Amine, Alkoholamine oder Mischungen daraus
Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer thermokatalytisch aktiven Titandi- oxid-Beschichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass der pH- Wert der Titan enthaltenden Precursor-Lösung von ≥O bis ≤3, vorzugsweise ≥l bis ≤2 beträgt.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich außerdem auf die Verwendung einer Titandioxid-Beschichtung gemäß der vorliegenden Erfindung und/oder einer Titandioxid-Beschichtung, hergestellt nach dem erfindungsgemäßen Verfahren für
- Sensoren,
- Injektoren,
- Ventilen,
- Turbinen, - Gas- und Luftverdichter,
- Haushaltsgeräte, insbesondere Backöfen und Herde
Die vorgenannten sowie die beanspruchten und in den Anwendungsbeispielen beschriebenen erfindungsgemäß zu verwendenden Bauteile unterliegen in ihrer Größe, Formgestaltung, Materialauswahl und technischen Konzeption keinen besonderen Ausnahmebedingungen, so dass die in dem Anwendungsgebiet bekannten Auswahlkriterien uneingeschränkt Anwendung finden können. Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile des Gegenstandes der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung der zugehörigen Zeichnung, in der - beispielhaft - ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Titandioxid-Beschichtung dargestellt ist. In der Zeichnung zeigt:
Fig. 1 zwei Stahlsubstrate mit und ohne TiC>2-Beschichtung nach einem Abbauversuch von Paraffin-Wachs
BEISPIEL I:
Fig. 1 bezieht sich auf das nachfolgende Beispiel I, bei dem - rein illustrativ und nicht beschränkend - eine Titandioxid-Beschichtung wie folgt erzeugt wurde:
1 mol Titan-iso-propoxid wurde bei Raumtemperatur in 16 mol Isopropanol (IPA) gelöst und Ih gerührt. 25g Brij 56 (Aldrich) wurden in 2mol IPA im Ultraschallbad gelöst und in die Lösung langsam eingerührt. Nach 3h Rühren wird eine Lösung aus 200g 5-molarer HCl und 4 mol IPA unter Rühren eingetropft und eine weitere Stunde gerührt. Die erhaltene Lösung wurde durch Tauchen auf ein Stahlsubstrat aufgebracht. Bei diesem war zuvor durch Oberflächenmessung festgestellt worden, dass dieses im Sinne der vorliegenden Erfindung vorstrukturiert ist.
Nach der Trocknung bei Raumtemperatur wurde die Schicht 10 min lang bei 4000C getempert.
Eine organische Testlösung (gesättigte Lösung aus Paraffin- Wachs in Toluol) wurde auf die Plättchen aufgetropft, das Lösungsmittel an Luft abgedampft und die Plättchen bei 4000C 10 Minuten im Ofen gelagert.
In Fig. 1 ist links eine unbeschichtete Vergleichsprobe zu sehen, die rechte Probe zeigt das beschichtete Stahlsubstrat. Die unbeschichtete Probe (in Fig. 1 links) zeigt deutlich die verbliebenen organischen Reste, während der beschichtete Bereich der rechten Probe keine Rückstände aufweist. Des Weiteren verhindert die Beschichtung eine Oxidation der darunter- gelegenen Metalloberfläche (keine Anlassfarben) .

Claims

Patentansprüche
1. Thermokatalytisch aktive Titandioxid-Beschichtung, welche auf einem Sol-Gel-System basiert, dadurch gekennzeichnet, dass die Titandioxid-Beschichtung mindestens eine strukturgebende Komponente enthält und/oder mittels mindestens eines strukturgebenden Verfahrens hergestellt wurde.
2. Titandioxid-Beschichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Titandioxid-Beschichtung auf einem vorstrukturierten Substrat aufgebracht ist
3. Titandioxid-Beschichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rauhigkeit des vorstrukturierten Substrates von ≥50 nm bis ≤IOO μm reicht
4. Titandioxid- Beschichtung, nach einem der Ansprüche 1 bis
3, dadurch gekennzeichnet, dass das vorstrukturierte Substrat mittels Prägen, Walzen und/oder eines nasschemi- sehen und/oder Plasmaätz-Verfahrens vorstrukturiert wurde
5. Titandioxid- Beschichtung, nach einem der Ansprüche 1 bis
4, dadurch gekennzeichnet, dass die Titandioxid- Beschichtung strukturgebende Metalloxid-Partikel enthält
6. Titandioxid- Beschichtung, nach einem der Ansprüche 1 bis
5, dadurch gekennzeichnet, dass die strukturgebenden Partikel eine mittlere Partikelgröße von ≥50 nm bis ≤50 μm aufweisen
7. Titandioxid- Beschichtung, nach einem der Ansprüche 1 bis
6, dadurch gekennzeichnet, dass die strukturgebenden Partikel ausgewählt sind aus einem Material enthaltend SiC>2, Al2O3, ZrO2, TiO2, Böhmit (α-AlO (OH) ) , Schichtsilikate, CeO2, Fe2O3, MnO, Mn3O4 oder Mischungen daraus.
8. Titandioxid- Beschichtung, nach einem der Ansprüche 1 bis
7, dadurch gekennzeichnet, dass die Titandioxid- Beschichtung auf einem vorstrukturierten Substrat aufgebracht ist, welche mit strukturgebenden Partikeln, insbesondere nach einem der Ansprüche 5 bis 7, versehen ist.
9. Titandioxid- Beschichtung, nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Titandioxid- Beschichtung mittels eines Sol-Gel-Verfahrens hergestellt und mittels eines nasschemischen Verfahrens aufgebracht wird.
10. Verfahren zur Herstellung einer thermokatalytisch aktiven Titandioxid-Beschichtung, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren auf einem Sol-Gel-Prozess beruht und mindestens einen strukturgebenden Schritt und/oder die Zuga- be mindestens einer strukturgebender Komponente umfasst.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Titandioxid Beschichtung auf einem vorstrukturierten Substrat, insbesondere nach einem oder mehreren der An- sprüche 2 bis 9, aufgebracht wird.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, gekennzeichnet durch Zugabe strukturgebender Metalloxid-Partikel, insbesondere nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 9.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Titan in Form einer Titan-Alkoxid- Precursor-Lösung zugegeben wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Viskosität der Titan enthaltenden Precursor-Lösung von ≥l mPa*s bis ≤IO.OOO mPa*s beträgt.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch ge- kennzeichnet, dass die Titan enthaltende Precursor-Lösung zusätzlich mindestens ein Komplexierungsmittel enthält.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Komplexierungsmit- tel ausgewählt ist aus der Gruppe Ether, Polyether, substituierte Polyether, nichtionische Tenside, Amine, Alka- nolamine oder Mischungen daraus
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der pH-Wert der Titan enthaltenden Precursor-Lösung von ≥0 bis ≤3 beträgt.
18. Verwendung einer Titandioxid-Beschichtung gemäß eines o- der mehreren der Ansprüche 1 bis 9 und/oder einer Titandioxid-Beschichtung, hergestellt nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 17 für
- Sensoren,
- Injektoren,
- Ventilen,
- Turbinen, - Gas- und Luftverdichter,
- Haushaltsgeräte, insbesondere Backöfen und Herde
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