EP2794975B1

EP2794975B1 - Bauteil eines haushaltsgerätes mit einer beschichtung

Info

Publication number: EP2794975B1
Application number: EP12812203.3A
Authority: EP
Inventors: Andreas Bischof; Marcus Heyer-Wevers
Original assignee: BSH Hausgeraete GmbH
Current assignee: BSH Hausgeraete GmbH
Priority date: 2011-12-20
Filing date: 2012-12-14
Publication date: 2019-06-26
Anticipated expiration: 2032-12-14
Also published as: EP2794975A1; DE102011089114A1; WO2013092422A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Bauteil eines Haushaltsgerätes, das von einer Flüssigkeit benetzt wird und an seiner mit der Flüssigkeit in Kontakt gelangenden Oberfläche mit einer zumindest hydrophob wirkenden Beschichtung versehen ist.
Hydrophobe Oberflächen sind aus der Natur bekannt, in der sie insbesondere an Pflanzen ausgebildet sind. Das Abperlen von Flüssigkeiten von diesen Oberflächen wird allgemein als "Lotus-Effekt" bezeichnet. Die Hydrophobie wird beispielsweise an Blattoberflächen dadurch erzielt, dass diese aus natürlichem Wachs besteht, wobei dieses in einer speziellen Struktur in Form von Wachsschuppen vorliegt.
Es wird bereits versucht, diesen Effekt für industriell erzeugte Bauteile, die mit Flüssigkeiten in Kontakt gelangen, zu nutzen, wobei die entsprechend benetzten Oberflächen mit Beschichtungen versehen werden, die vorzugsweise aus Fluorpolymeren, Silikonharzen, Polysiloxanen oder Polysilanen hergestellt werden. Dabei ist stets darauf zu achten, dass die Flüssigkeit, die Staub, öligen Schmutz oder aggressive Bestandteile enthalten kann, auf Grund einer geneigten Anordnung der Oberfläche abfließen kann. Wenn sich nämlich Flüssigkeitsreste auf der Oberfläche ansammeln, und an diesen Stellen längere Zeit einwirken, besteht trotz der hydrophoben Oberflächenbeschichtung das Risiko, dass die Beschichtung zerstört wird. Dann kann die Flüssigkeit in Kontakt mit der Oberfläche des entsprechenden Bauteils gelangen, so dass sich dort Rückstände bilden oder Korrosion an dem Bauteil auftritt. Neben einer Hydrophobierung der Oberfläche wird, je nach Anwendung, in der Regel auch deren Oleophobierung angestrebt, wobei die entsprechende Beschichtung dann auch geeignet ist, Öle und Fette an einem Anhaften an der Oberfläche zu hindern. Diese Öle, Fette und öligen oder fetten Emulsionen perlen dabei je nach Art und Viskosität an der oleophoben Oberfläche ab.
Eine derartige oleophobe Oberflächenbeschichtung ist in dem wissenschaftlichen Artikel "Bio-inspired self-repairing slippery surfaces with pressure-stable omniphobicity" beschrieben, der im Journal "Nature", Volume: 477, Pages: 443 - 447 vom 22. September 2011 erschienen ist.
Ein Bauteil eines Haushaltsgerätes mit einer hydrophoben Beschichtung der im Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs umschriebenen Gattung ist jeweils aus dem Dokument DE 10 2008 055 093 A1 und dem Dokument DE 10 2008 043 168 A1 bekannt. Bei dem Bauteil aus der DE 10 2008 055 093 A1 handelt es sich dabei um ein Sieb, das innerhalb eines Kanals zur Reinigung der Prozessluft eines Wäschetrockners oder der Abluft eines Staubsaugers verwendet werden soll. Außerdem kann dieses relativ feinmaschige Sieb auch für die Reinigung eines flüssigen Prozessmediums in einem Geschirrspüler oder einer Waschmaschine verwendet werden. In allen diesen Anwendungen ist das Sieb neben der Feuchtigkeit auch Flusen, Schmutzpartikeln und zum Teil Waschmittelresten ausgesetzt, die sich am Gitter des Siebes, sofern dieses nur aus einem entsprechenden Grundmaterial, wie z.B. Draht oder Kunststoff, besteht, festsetzen können. Da diese Schmutzbestandteile, Flusen und Waschmittelreste sehr hartnäckig am Sieb anhaften, ist vorgesehen, das Siebgrundmaterial mit einer hydrophoben Beschichtung zu versehen. Dadurch kann erreicht werden, dass sich beispielsweise bei der Verwendung des Siebes in einem Wäschetrockner die Flusen problemlos mittels einer Siebreinigungsvorrichtung, die einen Sprühkopf aufweist, vom Sieb entfernen lassen. Die hydrophobe Beschichtung soll dabei als Nanolack ausgebildet sein, welcher aus unter eine Lackgrundmasse gemischten Nano-Keramikpartikeln besteht, wobei dieser Nanolack nach dem Auftragen auf das Siebgrundmaterial durch die Einwirkung einer Temperatur aushärtet. Aus der DE 10 2008 043 168 A1 ist es bekannt ein Kondensatorbauteil mit einer hydrophoben Beschichtung zu versehen, wobei die Beschichtung eine Strukturierung aufweist und diese Strukturierung vorteilhafterweise eine Mikro- und/oder Nanostrukturierung umfasst.
Die EP 1 391 249 A1 beschreibt eine Vorrichtung mit leicht reinigbarer bis mindestens 300°C hitzebeständiger Oberflächenschicht, die unter anderem ausgeprägte Antihafteigenschaften aufweist, wobei die Schicht ein Netzwerk aus einem Metalloxid enthält, in das über die Schichtdicke hinweg eine hydrophobe Substanz homogen verteilt vorliegt, und die Schicht ausgeprägt hydrophob ist. Eine solche Oberflächenschicht kann in verschiedenen Gerätschaften, unter anderem in verschiedenen Haushaltsgeräten eingesetzt werden. Die Metalloxidschichten werden dadurch ausgebildet, dass eine aufgebrachte Gelschicht thermisch behandelt wird und dann als fester Überzug oder Coating auf dem Erzeugnis verbleibt. Insbesondere werden Metalloxidgele verwendet, die mittels eines Sol-Gel-Prozesses herstellbar sind. Dabei wird die hydrophobe Substanz zur Solmischung vor bzw. während der Ausbildung des Gels zugegeben, was bewirkt, dass die hydrophobe Substanz im gesamten Volumen des sich bildenden Gelnetzwerks gleichmäßig verteilt enthalten ist. Die Mischung aus Gel und hydrophober Substanz wird dann mittels üblicher Beschichtungsverfahren aufgetragen, nach dem Auftragen getrocknet und anschließend bei erhöhter Temperatur gehärtet. Durch die gleichmäßige Verteilung der hydrophoben Substanz in der Schicht behält die Oberflächenschicht auch im Fall eines oberflächlichen Abriebs die gewünschten Eigenschaften bei.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Oberflächenbeschichtung für ein mit einer Flüssigkeit benetztes Bauteil eines Haushaltsgerätes zu schaffen, das universell an Haushaltsgeräten anwendbar ist und stabil an der Oberfläche des entsprechenden Bauteiles des Haushaltsgerätes anhaftet. Weiterhin soll die Oberflächenbeschichtung unempfindlich gegenüber mechanischen Beschädigungen sein und dauerhaft ein Abfließen der an der Oberfläche vorbeiströmenden, zumeist stark verschmutzten Flüssigkeit gewährleisten.
Diese Aufgabe wird, ausgehend vom Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs, durch die Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Die darauf folgenden abhängigen Patentansprüche geben jeweils vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.
Gemäß dem kennzeichnenden Teil des unabhängigen Patentanspruchs soll die zumindest hydrophob wirkende Beschichtung als flüssige Grenzschicht ausgebildet sein, wobei sie aus einem Substrat mit einer darin eingelagerten Grenzflüssigkeit besteht und diese Grenzflüssigkeit gegenüber der das Bauteil benetzenden Flüssigkeit eine abweisende Gleitschicht bildet, wobei das Substrat als poröses, geflechtartiges Netzwerk ausgebildet ist, in das die Grenzflüssigkeit eingelagert ist, und wobei die flüssige Grenzschicht sowohl hydrophob als auch oleophob wirkt. Flüssigkeitsführende Bauteile in Haushaltsgeräten werden oft über einen längeren Zeitraum nicht vollständig entleert bzw. können nicht trocknen. Außerdem gibt es Oberflächen von Bauteilen, an denen sich Rückstände von gelösten oder aufgeschwemmten Bestandteilen, wie z. B. Kalk, Flusen, Filterrückständen usw. ablagern. Schließlich können organische Rückstande in der Flüssigkeit einen Nährboden für Keimwachstum und die Bildung von Biofilmen sein. Ursache hierfür sind Wechselwirkungen der Flüssigkeit oder ihrer Bestandteile mit der Oberfläche.
Durch die Erfindung können die Oberflächen von Bauteilen der Haushaltsgeräte, an denen diese Probleme auftreten, mit einer technischen Oberfläche versehen sein, welche die rückstandsfreie Entleerung oder Ableitung derartiger Flüssigkeiten und deren ungelöster Bestandteile bewirkt. Damit kann zuverlässig verhindert werden, dass sich Beläge oder Biofilme an der entsprechenden Oberfläche bilden, und es wird erreicht, dass flüssige Betriebsmedien für Haushaltsgeräte effizient und vollständig in dem jeweiligen Arbeitsverfahren eingesetzt werden. Dabei wird mittels der in einem Substrat eingelagerten Grenzflüssigkeit eine selbstreparierende, schlüpfrige Oberfläche gebildet, welche sowohl hydrophob als auch oleophob wirkt.
An der flüssigen Grenzschicht, die sowohl hydrophob als auch oleophob wirkt, können keine Rückstände aus der vorbeigeführten Flüssigkeit haften. Die flüssige Grenzschicht der Grenzflüssigkeit ist eine perfekte Struktur für nicht mischbare Stoffe (Flüssigkeiten). Diese aus dem Substrat und der eingelagerten Grenzflüssigkeit gebildete Beschichtung wird in ihrer Wirkung auch nicht durch vorbeiströmende tensidhaltige Laugen beeinträchtigt. Außerdem können auch in der Flüssigkeit enthaltene Bestandteile, die abrasiv wirken, zu keiner Beschädigung der Oberflächenbeschichtung führen. Daher eignet sich eine derartige Oberflächenbeschichtung in besonderer Weise für Bauteile von Haushaltsgeräten, die von Flüssigkeiten benetzt werden.
Demgegenüber ist die hydrophobe Beschichtung nach der DE 10 2008 055 093 A1 als Nanolack ausgebildet, der auf das entsprechende Siebgrundmaterial mit einer Stärke von 1-10 µm aufgetragen wird. Wie bereits dargelegt, soll dieser Nanolack aus einer Lackgrundmasse bestehen, in die Nano-Keramikpartikel gemischt werden. Der Nanolack soll dabei nach dem Auftragen auf das Siebgrundmaterial durch Temperatureinwirkung aushärten, also eine feste Oberflächenbeschichtung bilden. Mit derartigen Oberflächenbeschichtungen, an denen tensidhaltige Laugen oder Flüssigkeiten mit abrasiv wirkenden Bestandteilen entlang geführt werden, sind erfahrungsgemäß nicht dauerhaft und verlieren ihre Wirkung insbesondere bei mechanischen Beschädigungen.
In Weiterbildung der Erfindung soll das Substrat eine nanoporöse Struktur aufweisen. Die Grenzflüssigkeit haftet dabei stabil an dem die nanoporöse Struktur aufweisenden Substrat nach dem Prinzip der Dochtschmierung an, so dass die Grenzflüssigkeit sich nicht mit der ablaufenden Flüssigkeit vermischt. An der Oberfläche der Grenzflüssigkeit wird eine Gleitschicht gebildet, so dass die auf diese Gleitschicht auftreffende Flüssigkeit bei einem bestimmten Neigungswinkel der entsprechenden Fläche einfach, ohne anzuhaften, abläuft. Auch die in der Flüssigkeit enthaltenen Partikel können sich nicht an der Gleitschicht ablagern.
Das Substrat ist als poröses Netzwerk, insbesondere in Form eines Geflechts, ausgebildet, in das die Grenzflüssigkeit eingelagert ist. Ferner besteht die Möglichkeit, das Substrat durch Ätzen, Laserstrukturieren, Korrodieren, Plasmabearbeitung oder strukturiertes Anwachsen an der Oberfläche des Bauteils herzustellen. Die flüssige Grenzschicht soll dabei sowohl hydrophob als auch oleophob wirken, so dass neben Wasser auch andere Flüssigkeiten mit der Beschichtung in Kontakt gelangen können und an dieser Oberfläche nicht anhaften.
Bei Haushaltsgeräten kann die erfindungsgemäße Oberflächenbeschichtung in allen flüssigkeitsführenden Bauteilen zur Verbesserung der rückstandsfreien Entleerung eingesetzt werden. Bei der Bauteilkonstruktion ist zu berücksichtigen, dass ein bestimmter Neigungswinkel eingehalten werden muss, um ein Ablaufen der Flüssigkeit zu gewährleisten. Typischerweise handelt es sich in Haushaltsgeräten bei den ablaufenden Flüssigkeiten um Wasser und tensidhaltige Spül- bzw. Waschlaugen mit und ohne feste Bestandteile wie Kalk, Zeolithe, Flusen, Speisereste usw.
Als Grenzflüssigkeit können beispielsweise Silikonöle, ionische Flüssigkeiten oder polare bzw. unpolare organische Lösungsmittel gewählt werden. Die Wahl der Flüssigkeitspaarung muss dem Zweck exakt angepasst werden und erfordert ggf. experimentelle Messdaten. Das Substrat muss so gewählt werden, dass die abstoßende Grenzflüssigkeit stabil in das oberflächennahe Netzwerk eingebettet werden kann.
Besonders vorteilhaft sind Anwendungen der Oberflächenbeschichtung in Bauteilen, die unter Umständen kalkhaltiges Wasser aufnehmen und somit zur Verkalkung neigen. Dabei kann es sich beispielsweise um einen Wasserbehälter eines Dampfbügeleisens, einen Wasserbehälter eines Wasserkochers oder eine Heiztasche einer Waschmaschine handeln. Durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Oberflächenbeschichtung wird verhindert, dass sich in diesen Bauteilen Kalkablagerungen niederschlagen können.
Weiterhin kann die Beschichtung in vorteilhafter Weise in Einspülschalen von Geschirrspülern oder Waschmaschinen vorgesehen sein, in denen sich an herkömmlich ausgebildeten Oberflächen stets Reste von Spül- bzw. Waschmittel ablagern. Dieses Problem kann vermieden werden, wenn die mit dem Spül- bzw. Waschmittel in Kontakt gelangende Oberfläche in erfindungsgemäßer Weise ausgebildet ist, so dass diese Mittel mit Sicherheit über das dem Haushaltsgerät zugeführte Wasser vollständig aus der Einspülschale ausgespült werden.
Darüber hinaus ergeben sich weitere Möglichkeiten einer Verwendung dieser Oberflächenbeschichtung an Bauteilen von Haushaltsgeräten:
So können beispielsweise in einer Waschmaschine die Innenseiten eines Laugenbehälters und in einem Kondensationstrockner der als Wärmesenke dienende Wärmetauscher oder der Kondensatbehälter mit einer entsprechenden Beschichtung versehen sein. In Haushaltsgeräten, in denen Flüssigkeiten über Pumpen sowie ein Schlauch- oder Rohrleitungssystem geführt werden, können das Innere der Schläuche oder Rohrleitungen oder auch das Innere der entsprechenden Pumpenbauteile wie Pumpengehäuse und der Laufräder erfindungsgemäß beschichtet werden. In Kühlgeräten kann durch die erfindungsgemäße Beschichtung vermieden werden, dass sich Kondenswasser auf den Kühlflächen niederschlägt und auf Dauer zu deren Vereisung führt.
Besondere Vorteile für die Verwendung dieser erfindungsgemäßen Oberflächenbeschichtung bietet vor allem die Vermeidung einer Biofilmbildung, die hygienerelevant ist. Weiterhin können die Ablagerung von Kalk, die zur Verringerung der Lebensdauer des entsprechenden Haushaltsgerätes führt, von Flusen oder Waschmittelbestandteilen, die die Funktion des Haushaltsgerätes beeinflussen, verhindert werden. In allen flüssigkeitsführenden Systemen kann es anderenfalls nämlich über die Lebensdauer zu solchen Ablagerungen kommen, die im schlimmsten Fall Öffnungen oder Leitungssysteme verschließen. Das kann zum Versagen des Haushaltsgerätes oder zu Performanceeinbußen führen. Die erfindungsgemäße Beschichtung kann bei entsprechender Anwendung in Haushaltsgeräten diese Fehlfunktionen und Performanceverluste erheblich reduzieren bzw. vollständig verhindern.
Ein weiterer Vorteil ist die Selbstreinigungseigenschaft der Oberfläche, da diese durch herablaufende Flüssigkeit ständig von Rückständen befreit wird. Durch die erzielten Selbstreinigungseffekte in Haushaltsgeräten kann auf vorgeschriebene manuelle Gerätereinigungszyklen weitgehend verzichtet werden.
Die Erfindung ist nicht auf die angegebene Kombination der Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs und der von diesem abhängigen Patentansprüche beschränkt. Es ergeben sich darüber hinaus weitere Möglichkeiten, einzelne Merkmale, insbesondere dann, wenn sie sich aus den Patentansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels oder unmittelbar aus der Zeichnung ergeben, miteinander zu kombinieren. Außerdem soll die Bezugnahme der Patentansprüche auf die Zeichnung durch die Verwendung von Bezugszeichen den Schutzumfang der Patentansprüche auf keinen Fall auf die dargestellten Ausgestaltungsbeispiele beschränken.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich im Übrigen aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels und aus der dort in Bezug genommenen beigefügten Zeichnung, in der dieses Ausführungsbeispiel vereinfacht dargestellt ist. Es zeigen:

Figur 1: eine schematische Darstellung einer mit einer Oberflächenbeschichtung versehenen Einspülschale, die vorzugsweise für eine Waschmaschine oder Spülmaschine verwendet wird,
Figur 2: einen vergrößerten Ausschnitt gemäß Ansicht II in Figur 1 und
Figur 3: eine schematische Darstellung einer herkömmlich ausgebildeten Einspülschale.

In der Figur 1 weist die Einspülschale 1 die Seitenwände 2 und 3 sowie einen geneigt verlaufenden Boden 4 auf. Die Einspülschale 1 ist mit einer Austrittsöffnung 5 versehen, die am Ende des geneigt verlaufenden Bodens 4 von diesem gemeinsam mit der Seitenwand 3 gebildet wird. Weiterhin ist der Boden 4 über seine gesamte dem Inneren der Einspülschale 1 zugewandten Oberfläche mit einer Beschichtung 6, die sowohl hydrophob als auch oleophob wirkend ist, versehen. Das Innere der Einspülschale wird üblicherweise mit einer vorgeschriebenen Menge eines Wasch- oder Spülmittels befüllt, und nach dem Beginn des Wasch- oder Spülvorgangs wird, wie symbolisch durch einen Pfeil dargestellt, Wasser über einen Wassereintritt 7 zugeführt. Dieses Wasser spült sodann das Wasch- oder Spülmittel aus der Einspülschale 1 und diese Mischung aus Wasser und Wasch- bzw. Spülmittel tritt sodann für die Austrittsöffnung 5, wie mit einem weiteren Pfeil dargestellt, als Laugenstrom 8 in das Innere eines nicht näher dargestellten Laugenbehälters oder das Innere einer ebenfalls nicht dargestellten Spülmaschine ein.
Der Figur 2 ist im Einzelnen zu entnehmen, dass der Boden 4 aus einer aus Edelstahl hergestellten Wand 8 besteht, wobei auf dieser Wand 8 ein Substrat, bestehend aus einem porösen, geflechtartigen Netzwerk 9 ausgebildet ist, das eine Grenzflüssigkeit 10 aufnimmt. Diese in dem Substrat 9 eingelagerte Grenzflüssigkeit 10 bildet an der von der Wand 8 abgewandten Oberfläche eine Gleitschicht 11, die vermeidet, dass das in der Einspülschale 1 vorhandene Wasch- bzw. Spülmittel oder Rückstände des Wassers sich mit der Oberfläche der Wand 8 verbinden und an dieser anhaften.
In der Figur 3 ist demgegenüber eine herkömmliche Ausbildung einer Einspülschale 12 dargestellt, die über einen unbeschichteten, geneigt angeordneten Boden 13 verfügt. Dabei lagern sich auf diesem Boden 13 Rückstände 14 des Wasch- oder Spülmittels ab, wobei die Menge dieser abgelagerten Rückstände 14, die durch das in die Einspülschale 12 eintretende Wasser nicht mehr entfernt werden können, bei jedem Betrieb des Haushaltsgerätes zunimmt. Dieses Problem wird durch die Beschichtung gemäß Figuren 1 und 2 an der mit einer Flüssigkeit benetzten Oberfläche des Haushaltsgerätes auf sichere Art und Weise vermieden. Da demgemäß eine hydrophob und oleophob wirkende Beschichtung des Bodens vorgesehen ist, wird das in die Einspülschale eingefüllte Wasch- oder Spülmittel vollständig mit dem in diese einströmenden Wasser in das Haushaltsgerät transportiert.

Bezugszeichen

1: Einspülschale
2: Seitenwand
3: Seitenwand
4: Boden
5: Austrittsöffnung
6: Beschichtung
7: Wassereintritt
8: Wand
9: Substrat
10: Grenzflüssigkeit
11: Gleitschicht
12: Einspülschale
13: Boden
14: Rückstände

Claims

Bauteil (1) eines Haushaltsgerätes, das von einer Flüssigkeit benetzt wird und an seiner mit der Flüssigkeit in Kontakt gelangenden Oberfläche mit einer zumindest hydrophob wirkenden Beschichtung versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest hydrophob wirkende Beschichtung (6) als flüssige Grenzschicht, die aus einem Substrat (9) und einer darin eingelagerten Grenzflüssigkeit (10) besteht, ausgebildet ist, wobei die Grenzflüssigkeit (10) gegenüber der das Bauteil (1) benetzenden Flüssigkeit eine die Flüssigkeit abweisende Gleitschicht (11) bildet, wobei das Substrat (9) als poröses, geflechtartiges Netzwerk ausgebildet ist, in das die Grenzflüssigkeit (10) eingelagert ist, und wobei die flüssige Grenzschicht sowohl hydrophob als auch oleophob wirkt.
Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (9) eine nanoporöse Struktur aufweist.
Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (9) durch Ätzen, Laserstrukturieren, Korrodieren, Plasmabearbeitung oder strukturiertes Anwachsen hergestellt ist.
Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mit einer Flüssigkeit benetzte Bauteil ein Wasserbehälter eines Dampfbügeleisens, ein Wasser aufnehmendes Bauteil eines Wasserkochers oder eine Heiztasche einer Waschmaschine ist.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das mit einer Flüssigkeit benetzte Bauteil eine Einspülschale (1) einer Geschirrspülmaschine oder Waschmaschine ist.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass das mit einer Flüssigkeit benetzte Bauteil eine Türmanschette, ein Pumpenbauteil, ein Wärmetauscherbauteil oder ein Dosiereinrichtungsbauteil ist.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das mit einer Flüssigkeit benetzte Bauteil eine Kühlfläche eines Kühl- oder Gefrierschrankes ist.