EP3052673A1

EP3052673A1 - Oberflächenbeschichtung mit seltenerdmetalloxiden

Info

Publication number: EP3052673A1
Application number: EP14781141.8A
Authority: EP
Inventors: Michael Haupt; Christian Oehr; Jakob Barz
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2013-10-01
Filing date: 2014-10-01
Publication date: 2016-08-10
Also published as: US20160333458A1; DE102013219903A1; JP2016539888A; WO2015049291A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen zwei- oder dreidimensionalen Körper mit einer mindestens ein Seltenerdmetalloxid aufweisenden Anti-Eis-Beschichtung, Verfahren zu dessen Herstellung und Verwendung dieser Anti-Eis-Beschichtung zur Verhinderung von Eisbildung auf oder zur Verminderung der Eisadhäsionskraft zu mindestens einer Oberfläche des zwei- oder dreidimensionalen Körpers oder zur Gefrierpunktserniedrigung.

Description

BESCHREIBUNG

Oberflächenbeschichtung mit Seltenerdmetalloxiden

Es ist bekannt, dass Eis die Funktionsfähigkeit und Sicherheit von zwei- oder dreidimensionalen Körpern, unter anderem von Wintersportausrüstung, Windkraftanlagen, Windschutzscheiben, Heckscheiben und Signalbeleuchtungsabdeckung, beeinträchtigt.

Bei der Wintersportausrüstung haftet das Eis beispielsweise in und auf Skibindungen und beeinträchtigt so zum Beispiel die Auslösung der Bindung bei Stürzen. Eis haftet beispielsweise auf der Oberseite von Skiern, sodass insbesondere bei Tourenskiern und Langlaufskiern die Eisbildung zusätzliches Gewicht, einen zusätzlichen Widerstand und eine schlechtere Kontrolle über den Ski verursacht. Eine Eishaftung und -bildung auf Skibrillen beeinträchtigt die Sicherheit und den Tragekomfort insbesondere dadurch, dass einerseits von außen her die Sicht eingeschränkt wird und andererseits, dass durch eine Eisbildung oder -haftung auf den Belüftungsöffnungen die Brille von innen leichter beschlägt. Schließlich bedeutet die Eishaftung und -bildung auf der Skibrille einen Verlust an Tragekomfort, da die Brille schwerer wird und unter Umständen Eis mit der Haut in Berührung kommt.

Bekannt ist es, diese Probleme durch konstruktive geometrische Anpassungen, insbesondere von Skibindungen, zu verhindern, zum Beispiel durch spezielle Backensysteme im vorderen Bereich der Bindung. Dadurch soll verhindert werden, dass Wasser, Schnee und Eis in die Hohlräume der Bindung eindringen kann. Bekannt ist es auch, dass durch flexible Kunststoffauflagen eine Eisadhäsion vermindert werden kann. Die Notwendigkeit Wasser, Schnee oder Eis nicht in sicherheitsrelevante Bereiche der Wintersportausrüstung eindringen zu lassen, erfordert daher die Beachtung der vorgenannten speziellen konstruktiven und geometrischen Maßgaben. Diese schränken einerseits eine an sich gegebene technische Konstruktionsvielfalt, aber andererseits auch Freiheitsgrade im Design der Wintersportausrüstung ein. Die Verwendung von Anti-Eis-Sprays oder von Wachs kann einen Beitrag zur Lösung der genannten technischen Probleme liefern, allerdings lediglich in einem zeitlich sehr eng umrissenen Rahmen. In der Regel und je nach Gebrauchsfrequenz und Witterungsverhältnissen ist ein häufiger Auftrag dieser Agentien notwendig. Der Einsatz von Windkraftanlagen, auch als Windenergieanlagen (WEA) bezeichnet, findet bekanntermaßen unter atmosphärischem Einfluss statt und ist dementsprechend durch eine häufige Exposition zu Regen, Kondensat oder Schnee gekennzeichnet. Derartiger Niederschlag setzt sich unter entsprechenden Umweltbedingungen in Form von Eis auch auf den Rotorblättern einer Windenergieanlage fest. Als problematisch erweist sich unter anderem, dass das zusätzliche Gewicht dieses Niederschlags am Rotorblatt zu einer Unwucht des Rotors führen kann, so dass die Windenergieanlage häufig abgeschaltet werden muss und/oder ggf. sogar ein Schaden auftritt. Der sich ausbildende Eisansatz führt in der Regel zu einer zusätzlichen Oberflächenrauheit des Rotorblatts mit der Folge zusätzlicher Windgeräusche. Die sich verändernde Dynamik der Rotation reduziert die Effizienz der Windenergieanlage mit der Folge von Ertragsausfällen, die darüber hinaus auch durch eine aufgrund einer gegebenenfalls erforderlichen Reparatur notwendig werdende Stillstandzeit beeinträchtigt werden kann. Schließlich kann der Niederschlag, insbesondere Eis, in die Umwelt abgeschleudert werden und damit die Sicherheit der Umgebung gefährden. Eine Zusammenfassung der mit der Niederschlagsbildung auf Rotorblättern von Windenergieanlagen zusammenhängenden technischen Probleme findet sich zum Beispiel in Seifert und Tammelin, Final Report, Deutsches Windenergieinstitut Wilhelmshaven, JOU2- CT93-0366, DEWI 1996.

Zur Lösung der vorstehend erörterten Probleme werden die Rotorblätter häufig mit elektrischen Heizmatten, die in das Rotorblatt eingearbeitet sind, durch heiße Luft oder durch Mikrowellen von innen beheizt. Notwendig ist dazu die Integration von Sensoren in das Rotorblatt, die die Eisbildung registrieren und die Heizsysteme an- und abschalten.

Zur Verhinderung der Eisbildung an Windschutzscheiben oder Heckscheiben werden beispielsweise durch sehr dünne Heizdrähte elektrisch beheizt. Im Falle von Signalbeleuchtungsabdeckungen werden aufwändig feine Drähte in eine Folie einlaminiert und in das Lampengehäuse zur Beheizung geklebt.

Die Funktionsfähigkeit und Sicherheit von Wintersportausrüstung, Windkraftanlagen, Windschutzscheiben, Heckscheiben und Signalbeleuchtungsabdeckung ist demnach durch die Eisbildung und Eisadhäsion beeinträchtigt. Bislang sind keine kostengünstigen und dauerhafte Lösungen zur Gewährleistung der Funktionsfähigkeit und Sicherheit dieser zwei- oder dreidimensionalen Körpern bekannt.

Azimi et al. (Nature Materials, 2013, 12, 315-320) offenbaren zudem, dass Seltenerdmetalloxidkeramiken hydrophob sind.

Boinovich et al. (Mendeleev Communication, 2013, 23, 3-10) offenbaren, dass superhydrophobe Beschichtungen aus einer theoretischen Betrachtungsweise heraus die Vereisung von Oberflächen verhindern könnten. In dem Jahrbuch Oberflächentechnik, 2011, Band 67, Seiten 184 bis 191, werden des Weiteren_Anti-Eis- Beschichtungen offenbart, die im Niederdruck-Plasmaverfahren unter Einsatz von fluorhaltigen Monomergasen erzeugt werden.

Das der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende technische Problem liegt also darin, Mittel bereitzustellen, die eine Vereisung von zwei- oder dreidimensionalen Körpern verhindern oder reduzieren, insbesondere die vorgenannten Nachteile überwinden und insbesondere einen lang anhaltenden, vorzugsweise permanenten, und wirksamen Schutz gegen Vereisung gewährleisten, vorzugsweise in kostengünstiger und leicht bereitzustellender Weise. Insbesondere soll eine Oberflächenbeschichtung bereitgestellt werden, die in besonders vorteilhafter Weise, die Eisanhaftungskraft und/oder Eisbildung auf Oberflächen eines zwei- oder dreidimensionalen Körpers vermindert, bevorzugt verhindert.

Die vorliegende Erfindung löst das ihr zugrundeliegende technische Problem durch die Bereitstellung der Lehren der unabhängigen Patentansprüche.

Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere einen zwei- oder dreidimensionalen Körper, aufweisend eine auf mindestens einer Oberfläche des zwei- oder dreidimensionalen Körpers aufgebrachte Anti-Eis- Beschichtung mit einer Dicke von bis 500 nm, bevorzugt von bis 195 nm, bevorzugt von 10 bis 500 nm, bevorzugt von 10 bis 195 nm, wobei die Anti-Eis-Beschichtung mindestens ein Seltenerdmetalloxid aufweist, bevorzugt aus dem mindestens einen Seltenerdmetalloxid besteht.

Bevorzugt weist die Anti-Eis-Beschichtung mindestens eine monomolekulare Schicht, bevorzugt genau eine monomolekulare Schicht des mindestens einen Seltenerdmetalloxids auf.

Unter dem Begriff „zweidimensionaler Körper" wird in einem dreidimensionalen Raum mit den Raumachsen x, y und z ein Körper mit den räumlichen Ausdehnungen x', y' und z' entlang der Raumachsen verstanden, wobei die räumlichen Ausdehnungen von x' und y' deutlich größer als die räumliche Ausdehnung z' sind, bevorzugt um den Faktor 5, bevorzugt um den Faktor 10, bevorzugt um den Faktor 50, bevorzugt um den Faktor 100, bevorzugt um den Faktor 1000. Der Begriff „zweidimensionaler Körper" bedeutet demgemäß, dass eine gewisse räumliche Ausdehnung in jeder der drei Raumachsen erfolgt.

Atom-% der in der Anti-Eis-Beschichtung vorhandenen Elemente beziehen sich auf Gesamt-Atom-% der Anti-Eis-Beschichtung und addieren auf 100 Atom-%> der Gesamt-Anti-Eis-Beschichtung auf. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird unter einem„Muster" eine gleichbleibende Struktur verstanden, gemäß der sich das Strukturierungsmerkmal, beispielsweise ein Punkt oder eine Linie, regelmäßig wiederholt. Eine zufällige Verteilung von Strukturierungselementen stellt erfindungsgemäß kein Muster dar.

Unter dem Begriff„Seltenerdmetalloxid" wird ein Oxid der Metalle der Seltenen Erden verstanden. Zu der Gruppe der Metalle der Seltenen Erden gehören Scandium, Yttrium und die Lanthanoide, nämlich Lanthan, Cer, Praseodym, Neodym, Promethium, Samarium, Europium, Gadolinium, Terbium, Dysprosium, Holmium, Erbium, Thulium, Ytterbium und Lutetium. Die Seltenerdmetalloxide lassen sich bevorzugt durch die allgemeine Formel SE_xO_y mit x = 1 bis 6 und y = 1 bis 11 darstellen, wobei SE für Seltenerdmetall steht.

Bevorzugt weist das mindestens eine Seltenerdmetalloxid eine chemische Zusammensetzung ausgewählt aus der Gruppe aus SC2O3, Y2O3, La₂0₃, Ce0₂, PT_ÖOH, Nd₂0₃, Pm₂0₃, Sm₂0₃, EU2O3, Gd₂0₃, Tb iOv, Dy₂0₃, H02O3, Er₂0₃, Tm₂0₃, Yb₂0₃, Lu₂0₃ und Gemische davon auf.

Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das mindestens eine Seltenerdmetalloxid ausgewählt aus Scandiumoxid, Yttriumoxid, Lanthanoxid, Ceroxid, Praseodymoxid, Neodymoxid, Promethiumoxid, Samariumoxid, Europiumoxid, Gadoliniumoxid, Terbiumoxid, Dysprosiumoxid, Holmiumoxid, Erbiumoxid, Thuliumoxid, Ytterbiumoxid, Lutetiumoxid und Gemischen davon.

In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das mindestens eine Seltenerdmetalloxid ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Praseodymoxid, Neodymoxid, Samariumoxid, Europiumoxid, Gadoliniumoxid, Dysprosiumoxid, Holmiumoxid, Erbiumoxid, Thuliumoxid, Ytterbiumoxid, Lutetiumoxid, Terbiumoxid, Ceroxid und Gemischen davon.

In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Anti-Eis-Beschichtung zusätzlich zu dem mindestens einen Seltenerdmetalloxid mindestens ein Seltenerdmetall in metallischer Form und besonders bevorzugt in Partikelform auf. Bevorzugt sind in der Anti-Eis-Beschichtung mindestens ein Seltenerdmetall und mindestens ein Seltenerdmetalloxid enthalten. In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das mindestens eine Seltenerdmetalloxid ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Scandiumoxid, Yttriumoxid, Lanthanoxid und Gemischen davon.

In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das mindestens eine Seltenerdmetalloxid Scandiumoxid, bevorzugt Sc₂0₃. In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das mindestens eine Seltenerdmetalloxid Yttriumoxid, bevorzugt Y₂0₃. In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das mindestens eine Seltenerdmetalloxid Lanthanoxid, bevorzugt La₂0₃.

In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das mindestens eine Seltenerdmetalloxid Ceroxid, bevorzugt Ce0₂. In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das mindestens eine Seltenerdmetalloxid Praseodymoxid, bevorzugt Pr₆On.

In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das mindestens eine Seltenerdmetalloxid Neodymoxid, bevorzugt Nd₂C>3.

In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das mindestens eine Seltenerdmetalloxid Promethiumoxid, bevorzugt Pm₂0₃.

In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das mindestens eine Seltenerdmetalloxid Samariumoxid, bevorzugt Sm₂0₃.

In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das mindestens eine Seltenerdmetalloxid Europiumoxid, bevorzugt EU2O3. In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das mindestens eine Seltenerdmetalloxid Gadoliniumoxid, bevorzugt Gd₂0₃.

In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das mindestens eine Seltenerdmetalloxid Terbiumoxid, bevorzugt Tb iOv.

In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das mindestens eine Seltenerdmetalloxid Dysprosiumoxid, bevorzugt Dy₂03.

In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das mindestens eine Seltenerdmetalloxid Holmiumoxid, bevorzugt Ho₂0₃.

In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das mindestens eine Seltenerdmetalloxid Erbiumoxid, bevorzugt Er₂Ü3. In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das mindestens eine Seltenerdmetalloxid Ytterbiumoxid, bevorzugt Yb₂0₃. In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das mindestens eine Seltenerdmetalloxid Lutetiumoxid, bevorzugt LU2O3.

In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Anti-Eis-Beschichtung mindestens zwei, bevorzugt genau zwei, bevorzugt mindestens drei, bevorzugt genau drei Seltenerdmetalloxide auf. In einer bevorzugten Ausführungsform bilden die in der Anti-Eis-Beschichtung mindestens zwei vorhandenen Seltenerdmetalloxide jeweils mindestens eine Schicht innerhalb der Anti- Eis-Beschichtung aus. Bevorzugt liegen die in der Anti-Eis-Beschichtung vorhandenen mindestens zwei Seltenerdmetalloxide statistisch verteilt vor. Bevorzugt bilden die mindestens zwei verschiedenen Seltenerdmetalloxide Seltenerdmetall-Mischoxide. In einer bevorzugten Ausführungsform besteht die Anti-Eis-Beschichtung aus dem mindestens einen Seltenerdmetalloxid.

In bevorzugter Ausführungsform ist die Anti-Eis-Beschichtung Gefrierpunkt erniedrigend.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Anti-Eis-Beschichtung gefrierverzögernd.

In besonders bevorzugter Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Strukturierung, insbesondere das Strukturierungsmuster, insbesondere das Punkt- oder Linienmuster, periodisch aufgebaut.

Bevorzugt weist der zwei- oder dreidimensionale Körper eine Strukturierung auf, wobei die Strukturierung unregelmäßig ist. Bevorzugt weist der zwei- oder dreidimensionale Körper eine rauhe oder unregelmäßig strukturierte Oberfläche auf, insbesondere wird die rauhe oder unregelmäßig strukturierte Oberfläche durch ein Ätzverfahren erhalten.

Die vorliegende Erfindung betrifft bevorzugt einen zwei- oder dreidimensionalen Körper, aufweisend eine auf mindestens einer Oberfläche des zwei- oder dreidimensionalen Körpers aufgebrachte Anti-Eis- Beschichtung mit einer Dicke von bis zu 500 nm, bevorzugt 10 bis 500 nm, wobei die Anti-Eis- Beschichtung eine Strukturierung, insbesondere eine topographische Strukturierung, insbesondere ein Strukturierungsmuster, insbesondere eine Strukturierung im Mikrometerbereich, insbesondere in Form eines Punkt- oder Linienmusters, aufweist.

Die vorliegende Erfindung betrifft in einer bevorzugten Ausführungsform einen zwei- oder dreidimensionalen Körper, wobei die Anti-Eis-Beschichtung a) 15 bis 45 Atom-% mindestens eines Seltenerdmetalls und b) 30 bis 80 Atom-% Sauerstoff (jeweils bestimmt gemäß XPS-Analyse (Röntgenphotoelektronenspektroskopie, X-ray photoelectron spectroscopy) und bezogen auf Gesamt- Atom-% der Anti-Eis-Beschichtung) enthält. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein zwei- oder dreidimensionaler Körper bereitgestellt, aufweisend eine auf mindestens einer Oberfläche des zwei- oder dreidimensionalen Körpers aufgebrachte Anti-Eis-Beschichtung mit einer Dicke von bis zu 500 nm, bevorzugt 10 bis 500 nm, bevorzugt von 10 bis 195 nm, enthaltend 10 bis 45 Atom-% mindestens eines Seltenerdmetalloxids und 30 bis 80 Atom-% Sauerstoff (jeweils bestimmt gemäß XPS-Analyse (Röntgenphotoelektronenspektroskopie, X-ray photoelectron spectroscopy) und bezogen auf Gesamt- Atom-%) der Anti-Eis-Beschichtung), wobei die Anti-Eis-Beschichtung eine topographische Strukturierung, insbesondere eine Strukturierung im Mikrometerbereich, insbesondere ein Strukturierungsmuster, insbesondere ein Punkt- oder Linienmuster, aufweist. Die vorliegende Erfindung löst das ihr zugrunde liegende technische Problem, insbesondere und in bevorzugter Ausführungsform, durch die Bereitstellung eines zwei- oder dreidimensionalen Körpers, aufweisend eine auf mindestens einer Oberfläche des zwei- oder dreidimensionalen Körpers aufgebrachte Anti-Eis-Beschichtung mit einer Dicke von bis zu 500 nm, bevorzugt 10 bis 500 nm, bevorzugt von 10 bis 195 nm, enthaltend, vorzugsweise bestehend aus, a) 15 bis 40 Atom-%> mindestens eines Seltenerdmetalls, b) 30 bis 70 Atom-%> Sauerstoff und 5 bis 25 Atom-%> weitere Komponenten, jeweils bestimmt gemäß XPS-Analyse (Röntgenphotoelektronenspektroskopie, X-ray photoelectron spectroscopy) und bezogen auf Gesamt-Atom-%> der Anti-Eisbeschichtung, wobei diese Beschichtung eine Strukturierung, insbesondere eine topographische Strukturierung, insbesondere ein Strukturierungsmuster, insbesondere ein Punkt- oder Linienmuster, aufweist. Eine derartige besonders bevorzugte Ausführungsform einer Anti-Eis-Beschichtung der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden auch als Seltenerdmetalloxid-Beschichtung bezeichnet.

In besonders bevorzugter Ausführungsform sind die weiteren Komponenten der S eltener dmetalloxid- Beschichtung ausgewählt aus der Gruppe aus Wasserstoff, Stickstoff, Kohlenstoff und Halogene, bevorzugt Fluor. In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Anti-Eis-Beschichtung zusätzlich zu dem Seltenerdmetalloxid eine Matrix auf, in der das mindestens eine Seltenerdmetalloxid, bevorzugt in Partikelform eingebettet ist. Diese Matrix weist mindestens ein hydrophobes Material, bevorzugt mindestens ein hydrophobes Polymer, bevorzugt mindestens ein Fluorkohlenwasserstoffpolymer, bevorzugt Teflon auf, bevorzugt besteht die Matrix aus dem mindestens einen Material, Polymer oder Teflon.

In dieser bevorzugten Ausführungsform weist die Anti-Eis-Beschichtung bevorzugt i) 1 bis 60 Gew.%>, bevorzugt 1 bis 40 Gew.%>, bevorzugt 1 bis 30 Gew.%>, bevorzugt 1 bis 20 Gew.%>, 1 bis 15 Gew.%>, bevorzugt 10 bis 20 Gew.%> des mindestens einen Seltenerdmetalloxids und ii) 40 bis 99 Gew.%>, bevorzugt 60 bis 99 Gew.%, bevorzugt 70 bis 99%, bevorzugt 80 bis 99 Gew.% bevorzugt 80 bis 90 Gew. % der Matrix (jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht der Anti-Eis-Beschichtung) auf.

Die vorliegende Erfindung betrifft bevorzugt einen zwei- oder dreidimensionalen Körper, wobei die Anti- Eis-Beschichtung durch ein Kathodenzerstäubungsverfahren hergestellt wurde. Unter dem Begriff„Kathodenzerstäubungsverfahren", auch als Sputterdesposition bezeichnet, wird ein physikalischer Vorgang verstanden, bei dem Atome aus einem Festkörper durch Beschuss mit energiereichen Ionen, vorzugsweise mit Edelgasionen, herausgelöst werden und in die Gasphase übergehen. Dabei wird bevorzugt in der Nähe des Festkörpers, auch als Target bezeichnet, aus dem die Atome, bevorzugt in Form von Ionen, für die Beschichtung herausgeschlagen werden, die zu beschichtende Oberfläche des zwei- oder dreidimensionalen Körpers gebracht, sodass die herausgeschlagenen Atome aus dem Target auf der Oberfläche kondensieren und mindestens eine Schicht bilden. Vorzugsweise findet dies in einer Prozesskammer statt, in der der Gasdruck so gering ist, dass die Targetatome die Oberfläche erreichen, ohne mit Gasteilchen zusammenzustoßen.

Bevorzugt ist das Kathodenzerstäubungsverfahren ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus DC(Gleichstrom)-Sputtern, HF(Hochfrequenz)-Sputtern, Ionenstrahlsputtern, Magnetronsputtern und reaktives Sputtern. Bevorzugt ist das Kathodenzerstäubungsverfahren Magnetronsputtern, bevorzugt Hochleistungsimpulsmagnetronsputtern.

Beim Magnetronsputtern findet das Abtragen von Atomen aus dem Target durch Beschuss eines Targets mit Ionen statt. Diese Ionen entstehen durch Stöße zwischen Elektronen und einem Sputtergas, auch als Arbeitsgas bezeichnet, bevorzugt Argon.

Bevorzugt werden bei diesem Verfahren in der Nähe des Targets ein parallel dazu gerichtetes Magnetfeld und senkrecht dazu ein elektrisches Feld erzeugt. Elektronen in der Nähe des Targets werden so zu einer spiralförmigen Bewegung in Richtung des Targets gezwungen. Dadurch erhöhen sich die Stöße zwischen den Elektronen und dem Sputtergas und somit auch die Ionisationskraft der Ionen und die Sputterrate. Da mehr Targetmaterial zerstäubt wird, führt dies zu einer deutlich höheren Beschichtungsrate bei gleichem Prozessdruck im Vergleich zu anderen Kathodenzerstäubungsverfahren, wie dem DC-Sputtern und HF- Sputtern. Bei dem Magnetronsputtern kann daher bei gleichen Wachstumsraten im Vergleich zu den anderen Kathodenzerstäubungsverfahren der Prozessdruck um bis zu 100-mal geringer sein. Dies führt zu einer geringeren Streuung der aus dem Target herausgeschlagenen Atome auf dem Weg zu der zu beschichtenden Oberfläche und somit zu einer dichteren, und somit zu einer weniger porösen Schicht auf der Oberfläche. Das Hochleistungsimpulsmagnetronsputtern ist insbesondere vorteilhaft, da dieses Verfahren eine dichtere Schichtmorphologie sowie ein erhöhtes Verhältnis von Härte zum E-Modul der Anti-Eis- Beschichtung im Vergleich zu herkömmlichem physikalischen Gasphasenabscheidungsverfahren bereitstellt. Zudem wird durch dieses spezielle Verfahren die Haftung der Anti-Eis-Beschichtung an die Oberfläche des zwei- oder dreidimensionalen Körpers verbessert, insbesondere wird die Haftung im Vergleich zu dem im Stand der Technik bekannten physikalischen Gasphasenabscheidungsverfahren verdoppelt. Das Verfahren des Hochleistungsimpulsmagnetronsputterns ist bekannt und beispielswiese in A.P. Ehiasarian, Journal of Applied Physics, 2007, 101(5), 054301 offenbart.

Bevorzugt erfolgt das Sputtern mit einer Sputterrate von 30 bis 80 nm pro Minute. Bevorzugt wird für eine Dauer von 1 bis 20 Minuten gesputtert. Bevorzugt liegt die Stromstärke in einem Bereich von 0,1 bis 1 Ampere, bevorzugt 0,2 bis 0,4 Ampere. Bevorzugt liegt die Spannung in einem Bereich von 300 bis 500 V. Bevorzugt wird bei einer Leistung in einem Bereich von 100 bis 400 Watt gesputtert.

Bevorzugt wird die auf mindestens einer Oberfläche eines zwei- oder dreidimensionalen Körpers, bevorzugt durch ein Kathodenzerstäubungsverfahren, aufgebrachte Beschichtung nachbehandelt, bevorzugt weiter oxidiert. Das Nachbehandeln, bevorzugt das weitere Oxidieren, erfolgt bevorzugt durch thermische Oxidation oder durch Plasmaoxidation.

Bei der thermischen Oxidation wird bevorzugt die beschichtete Oberfläche bei einer Temperatur in einem Bereich von 100 bis 700°C, bevorzugt von 200 bis 500°C, bevorzugt von 300 bis 400°C, unter Anwesenheit von Sauerstoff, bevorzugt unter Sauerstoffatmosphäre, bevorzugt zusammen mit Wasser, behandelt. Das Nachbehandeln dauert bevorzugt 10 Minuten bis 24 Stunden, bevorzugt 30 Minuten bis 1 Stunde. Bevorzugt wird das Nachbehandeln bei einem Druck von 0,01 bar bis 1 bar, bevorzugt 0,1 bis 0,5 bar, durchgeführt. Bevorzugt strömt der Sauerstoff kontinuierlich während der thermischen Oxidation über die zu behandelnde Oberfläche.

Die Plasmaoxidation erfolgt bevorzugt mittels Sauerstoff als Plasmagas. Die Plasmaentladung ist bevorzugt eine Mikrowellen- oder Radiofrequenzenplasmaentladung. Die Temperatur während der Plasmaoxidation liegt bevorzugt in einem Bereich zwischen 0 bis 400°C, bevorzugt 100 bis 400°C. Der Sauerstoff wird bevorzugt in eine Plasmakammer eingeströmt, bevorzugt bei einem 0₂-Fluss von 25 bis 500 sccm. Die bei der Plasmaoxidation verwendete Leistung liegt bevorzugt in einem Bereich zwischen 100 und 3500 Watt, bevorzugt 150 bis 300 Watt. Die Plasmaoxidation dauert bevorzugt 10 bis 30 Minuten. Der Druck während der Plasmaoxidation liegt bevorzugt in einem Bereich zwischen 0,001 und 0,5 bar, bevorzugt 0,02 bis 0,2 bar.

Bevorzugt kann als Target das Reinmetall des mindestens einen Seltenerdmetalls, dessen Hydroxide oder Oxide verwendet werden. Wird das Reinmetall des mindestens einen Seltenerdmetalls verwendet, erfolgt bevorzugt nach dem Herausschlagen der Atome aus dem Target eine Oxidation der Seltenerdmetallatome, sodass sich das entsprechende Seltenerdmetalloxid bildet. Ebenfalls kann als Target eine das mindestens eine Seltenerdmetalloxid aufweisende Matrix verwendet werden, wobei die Matrix mindestens ein hydrophobes Material, bevorzugt mindestens ein hydrophobes Polymer, bevorzugt mindestens ein Fluorkohlenwasserstoffpolymer, bevorzugt Teflon aufweist, bevorzugt daraus besteht.

Die vorliegende Erfindung betrifft in bevorzugter Ausführungsform einen zwei- oder dreidimensionalen Körper, wobei die Anti-Eis-Beschichtung durch ein Niederdruckplasmaverfahren hergestellt wurde.

Als Precursor, auch als Vorläuferverbindung bezeichnet, für die Anti-Eis-Beschichtung werden in einem Niederdruckplasmaverfahren bevorzugt metallorganische Verbindungen des mindestens einen Seltenerdmetalls verwendet. Die metallorganischen Verbindungen des mindestens einen Seltenerdmetalls sind bevorzugt stabil bis zu einer Temperatur von 200°C und können bei dem in einem Plasmaverfahren üblichen Bedingungen bis zu einer Temperatur von 200°C in die Gasphase gebracht werden. Bevorzugt sind die metallorganischen Verbindungen Trialkylverbindungen des mindestens einen Seltenerdmetalls, wobei die Alkylreste gleich oder verschieden sein können und bevorzugt ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Methyl, Ethyl, Propyl und Butyl, bevorzugt Methyl.

Ein derartiges Verfahren ist bekannt und zum Beispiel von Haupt et al. in Plasma Process. Polym., (2008), 5, 33-43, und Vakuum in Forschung und Praxis, 17 (2005), Nr. 6, 329-335, beschrieben. Ein derartiges Verfahren wird auch in der WO 2007/012472 AI und der DE 10 2005 034 764 AI beschrieben. Erfindungsgemäß ist in dem Nieder druckplasmaverfahren bevorzugt vorgesehen, dass die zu beschichtende Oberfläche des zwei- oder dreidimensionalen Körpers oder der zu beschichtende Träger in einer Gasatmosphäre mit Niedrigdruck, zum Beispiel bei einem Druck von < 1 mbar, vorliegt und Prozessgase, beispielsweise Ar, He, N₂ oder O2, sowie entsprechendes Ausgangsmaterial für die Herstellung der Seltenerdmetall-Beschichtungen, zum Beispiel Monomergase wie metallorganische Verbindungen des mindestens einen Seltenerdmetalls, bevorzugt Trialkylverbindungen des mindestens einen Seltenerdmetalls, wobei die Alkylreste gleich oder verschieden sein können und bevorzugt ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Methyl, Ethyl, Propyl und Butyl, bevorzugt Methyl, zur Beschichtung, eingesetzt.

Durch Zünden eines Hochfrequenzplasmas, zum Beispiel bei 13,56 MHz, zwischen zwei Elektroden werden bevorzugt die Gasmoleküle ionisiert, fragmentiert und aktiviert, so dass ein Plasma entsteht. In der Plasmaphase beziehungsweise auf der zu beschichtenden Oberfläche finden nun chemische Reaktionen statt, die zu einem kovalenten Binden der Plasmaprodukte an der zu beschichtenden Oberfläche führen. In einer bevorzugten Ausfuhrungsform kann die Beschichtung des zwei- oder dreidimensionalen Körpers mit Antieisadhäsionseigenschaft mittels eines Niederdruck-Plasmaverfahrens hergestellt sein, wobei mittels einer Hochfrequenzentladung zwischen mindestens zwei Elektroden aus Reaktivgas, welches zum Beispiel metallorganische Verbindungen des mindestens einen Seltenerdmetalls, bevorzugt Trialkylverbindungen des mindestens einen Seltenerdmetalls, enthält, wobei die Alkylreste gleich oder verschieden sein können und bevorzugt ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Methyl, Ethyl, Propyl und Butyl, bevorzugt Methyl, ein Plasma erzeugt wird und Seltenerdmetalloxid-Schichten auf dem elastischen Leitungselement aufgebracht werden.

Die vorliegende Erfindung betrifft in bevorzugter Ausführungsform einen zwei- oder dreidimensionalen Körper, wobei die Anti-Eis-Beschichtung durch ein Sol-Gel-Verfahren hergestellt wurde.

Erfindungsgemäß wird unter dem„Sol-Gel-Verfahren" ein Verfahren zur Herstellung nichtmetallischer anorganischer, hybridpolymeren oder festkörperähnlichen Materialien aus kolloidalen Dispersionen, den sogenannten Solen, verstanden. Sole sind bevorzugt Dispersionen fester Partikel im Größenbereich von 1 nm bis 100 nm. In den Solen werden bevorzugt Vorläuferverbindungen eingesetzt. Durch Hydrolyse und Kondensation der Vorläuferverbindungen entstehen die Gele, polymerartige oder festkörperähnliche Strukturen. Die Überführung des Gels in einem oxidkeramischen Werkstoff, also in die Anti-Eis- Beschichtung, erfolgt anschließend bevorzugt durch eine kontrollierte Wärmebehandlung unter Luft.

Als Precursor, auch als Vorläuferverbindung bezeichnet, für die Anti-Eis-Beschichtung werden in einem Sol-Gel-Verfahren bevorzugt metallorganische Verbindungen des mindestens einen Seltenerdmetalls verwendet. Die metallorganischen Verbindungen des mindestens einen Seltenerdmetalls sind bevorzugt stabil bis zu einer Temperatur von 200°C und können bei dem in einem Plasmaverfahren üblichen Bedingungen bis zu einer Temperatur von 200°C in die Gasphase gebracht werden. Bevorzugt sind die metallorganischen Verbindungen Trialkoholatverbindungen des mindestens einen Seltenerdmetalls, wobei die Alkoholatreste gleich oder verschieden sein können und bevorzugt ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Methylat, Ethylat, Propylat und Butylat, bevorzugt Methylat.

Bevorzugt wird das Seltenerdmetalloxid während der Beschichtung der Oberfläche des zwei- oder dreidimensionalen Körpers oder in einem weiteren Verfahrensschritt nach der Beschichtung erhalten.

Die Erfindung betrifft insbesondere eine Anti-Eis-Beschichtung mit einer Dicke von bis 500 nm, bevorzugt 10 bis 500 nm, wobei die Anti-Eis-Beschichtung mindestens ein Seltenerdmetalloxid aufweist. In bevorzugter Ausführungsform gelten die getroffenen Aussagen und/oder die bevorzugten Ausführungsformen in Zusammenhang mit der auf mindestens einer Oberfläche eines zwei- oder dreidimensionalen Körpers vorliegenden Anti-Eis-Beschichtung mutatis mutandis auch für die Anti-Eis- Beschichtung an sich.

In besonders bevorzugter Ausführungsform weist die Anti-Eis-Beschichtung zusätzlich zu der Strukturierung im Mikrometerbereich auch eine Strukturierung im Nanometerbereich auf.

In besonders bevorzugter Ausführungsform ist die Anti-Eis-Beschichtung eine Anti-Eis-Beschichtung, die eine Strukturierung im Mikrometerbereich und eine im Niederdruckplasmaverfahren erzeugte Strukturierung im Nanometerbereich aufweist.

In besonders bevorzugter Ausführungsform ist die Anti-Eis-Beschichtung eine Anti-Eis-Beschichtung, die eine Strukturierung im Mikrometerbereich und eine im Sol-Gel-Verfahren erzeugte Strukturierung im Nanometerbereich aufweist.

Die erfindungsgemäße auf eine Oberfläche des zwei- oder dreidimensionalen Körpers aufgebrachte Anti- Eis-Beschichtung vermindert und/oder verzögert vorteilhafterweise die Eisbildung auf der Oberfläche des zwei- oder dreidimensionalen Körpers und bewirkt in bevorzugter Ausführung eine Gefrierpunktserniedrigung. Die Eishaftung wird vermindert. Dementsprechend wird die die Oberfläche des zwei- oder dreidimensionalen Körpers vor Eis und Schnee geschützt. Vorteilhafterweise liegt die Anti-Eis-Beschichtung permanent auf der Oberfläche des zwei- oder dreidimensionalen Körpers vor und wirkt dementsprechend ständig.

Bevorzugt ist die mindestens eine Oberfläche des zwei- oder dreidimensionalen Körpers mit einer, optional geträgerten, Beschichtung versehen, die schmutzabweisend und leicht reinigbar ist. Zudem ist die erfindungsgemäße Anti-Eis-Beschichtung - im Vergleich zu polymeren Beschichtungen - abrieb- und erosionsstabil. Ebenso weist die erfindungsgemäße Anti-Eis-Beschichtung eine hohe Temperaturstabilität auf, d.h. sie ist bis zu einer Temperatur von 600°C, bevorzugt von 500°C, bevorzugt von 300°C stabil.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist der zwei- oder dreidimensionale Körper als Windschutzscheibe, Heckscheibe, Seitenscheibe, Scheinwerferabdeckung, insbesondere für einen LED- Scheinwerfer, bevorzugt eines Schiffes, eines Autos, eines Zuges oder eines Flugzeuges ausgebildet.

Bevorzugt ist der zwei- oder dreidimensionale Körper als Dachfenster für ein Haus oder für ein Kraftfahrzeug ausgebildet.

Bevorzugt ist der zwei- oder dreidimensionale Körper als Signalbeleuchtung oder Signalbefeuerung eines Schiffes, einer Bohrinsel oder einer Offshore- Windenergieanlage ausgebildet. Bevorzugt ist der zwei- oder dreidimensionale Körper als Solarpanel für Photovoltaik oder Solarthermie ausgebildet.

Bevorzugt wird eine mit der Anti-Eis-Beschichtung beschichtete, strukturierte und/oder geprägte Folie im Bereich der Architektur, des Kraftfahrzeuges oder auf einem Rotorblatt einer Windenergieanlage, eines Flugzeug oder eines Sportgerätes verwendet.

Die vorliegende Erfindung sieht in bevorzugter Ausführungsform also vor, die Oberfläche eines zwei- oder dreidimensionalen Körpers mit einer, optional geträgerten, Beschichtung zu versehen, welche einerseits eine Anhaftung von Eis reduziert, insbesondere verhindert, und andererseits den Gefrierpunkt von Wasser erniedrigt, so dass Wasser nicht oder erst später, das heißt bei einer noch tieferen Temperatur, auf der Oberfläche einfriert.

Ohne durch die Theorie gebunden sein zu wollen, ergibt sich der erfindungsgemäß besonders bevorzugte Gefrierpunktserniedrigungseffekt zum einen durch eine erfindungsgemäß bereitgestellte Topographie oder Strukturierung im Nanometerbereich in Kombination mit der quantitativen und qualitativen Definition der eingesetzten erfindungsgemäßen Beschichtung. Durch die Kombination dieser beiden technischen Aspekte wird - ohne durch die Theorie gebunden zu sein - das Gefrieren eines Tropfens hinausgezögert oder sogar verhindert. Insbesondere werden durch die erfindungsgemäß bestimmte geschaffene Rauheit der Beschichtung keine Kristallisationskeime der passenden Größe zur Eisbildung auf den Oberflächen erzeugt. Ein bestimmter Radius von modellhaften Oberflächen-Clustern wird nicht überschritten und die Eisbildung somit verhindert. Die genannte Topographie im Nanometerbereich ist stochastischer Natur und wird nicht durch eine Maske vorgegeben. Erfindungsgemäß bevorzugt wird diese Struktur im Nanometerbereich bereitgestellt durch die Durchführung eines Oberflächenbeschichtungsverfahrens, bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Kathodenzerstäubungsverfahren, Sol-Gel-Verfahren und Plasmabeschichtungsverfahren, insbesondere Niederdruckplasmabeschichtungsverfahren, vorzugsweise durch lonenbeschuss und Polymerisierung. Die erfindungsgemäß ebenfalls beobachtete Haftungsverminderung wird, ohne durch die Theorie gebunden sein zu wollen, durch die Oberflächenstrukturierung im Mikrometerbereich verbessert. In besonders bevorzugter Ausführungsform beträgt die Rauheit Ra (mittlere Rauheit (Mittrauwert) auf einer Scanscala von 2 auf 2 Mikrometer (xy-Richtung) vorzugsweise 0,2 nm bis 22 nm.

Durch Auswahl verschiedener Prozessparameter wie der Art und Menge der eingesetzten Vorläuferverbindungen, der Temperatur, dem Druck und der Behandlungszeit können sehr dünne Strukturen im Nanometerbereich, insbesondere nanostrukturierte Schichten, erzeugt werden. Diese Strukturen sind nur wenige Nanometer groß, haben aber einen Einfluss auf die Benetzungseigenschaften und damit auch auf die Eisbildungs- und Anti-Eis-Eigenschaften: Wird Wasser auf die Folienoberfläche gebracht, zieht es sich zu einem kugelförmigen Tropfen zusammen, der dann aufgrund der nur minimalen Wechselwirkung mit der Oberfläche von ihr abgestoßen wird.

Erfindungsgemäß bevorzugt führt die eingesetzte Beschichtung zu einer Gefrierpunktserniedrigung, insbesondere von mindestens 3 °C. Durch diesen Effekt des sogenannten„surface-induced pre-melting" schmilzt ein Eiskeim auf einer Beschichtung, insbesondere einer beschichteten Folie bei 0 °C und erst bei mindestens - 6 °C ist ein Gefrieren zu beobachten. Der bulk-Gefrierpunkt des Wassers wird also durch die Anwesenheit der Anti-Eis-Beschichtung auf den Folien herabgesetzt und eine Vereisung somit erschwert.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist also vorgesehen, dass die mindestens eine Oberfläche eine Beschichtung aufweist, die Antieisadhäsionseigenschaften hat. Diese wird erfindungsgemäß auch als Anti-Eis-Beschichtung bezeichnet.

Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird unter Anti-Eisadhäsionseigenschaften verstanden, dass die Eishaftung auf der Außenoberfläche des zwei- oder dreidimensionalen Körpers sehr gering ist, das heißt, dass das Eis sich relativ leicht von dieser Oberfläche ablösen lässt. Die erfindungsgemäß vorgesehene Anti-Eisbeschichtung ist vorzugsweise hydrophob und oleophob.

Die erfindungsgemäße Anti-Eis-Beschichtung zeichnet sich darüber hinaus durch die vorgesehene Strukturierung, insbesondere im Mikrometerbereich, insbesondere eine zwei- oder dreidimensionale Strukturierung, aus.

Erfindungsgemäß bevorzugt ist insbesondere durch die vorgesehene Strukturierung in Form eines Musters, insbesondere eines Punkt- und Linienmusters erreicht, dass ein Zusammenfließen, d.h. eine Koaleszenz, der sich an der beschichteten Oberfläche bildenden oder abscheidenden Tropfen zu größeren Einheiten vermieden wird.

In bevorzugter Ausführungsform kann die Strukturierung durch die Art des Materials, insbesondere die Hydrophilität und/oder Eisadhäsion, und/oder eine geometrische Reliefausgestaltung, insbesondere eine topographische Strukturierung, bereitgestellt werden. Die vorgesehene Strukturierung, insbesondere topographische Strukturierung, kann in einer bevorzugten Ausführungsform eine strukturiert heterogene Oberfläche bereitstellen, insbesondere eine solche, die in definierten Bereichen, die durch das Linienoder Punktmuster vorgegeben ist, eine schlechtere oder bessere Eishaftung als in anderen durch das Muster definierten Bereichen bewirkt, so dass es zu einer unterschiedlichen Eishaftung auf der Oberfläche kommt, welche zu Bruchstellen und damit zu einem weniger stabilen Eisanhaftungsprozess kommt. Dementsprechend kann beispielsweise das Linienmuster oder das Punktmuster eine schlechtere Eishaftung auf den Linien oder Punkten der Oberfläche bewirken. In einer bevorzugten Ausführungsform kann das Linien- oder Punktmuster aus hydrophilen Linien oder Punkten bestehen, und so eine bessere Eishaftung auf die Linien oder Punkte bewirken; dies führt auf der hydrophob beschichteten Oberfläche zu einem gezielten Eiskristallwachstum in den hydrophilen Bereichen mit der Folge, dass die nicht verbundenen Eiskristalle so leichter abreißen. In einer weiteren Ausführungsform kann das Punkt- oder Linienmuster hydrophober als die Anti- Eisbeschichtung sein und führt so ebenfalls zu einer heterogenen Oberflächenstrukturierung.

Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird unter einer Strukturierung im Mikrometerbereich eine Strukturierung, insbesondere eine Oberflächenstrukturierung, insbesondere eine topografische Strukturierung, verstanden, deren Strukturen, z. B. Erhebungen oder Vertiefungen oder Abstände zwischen Erhebungen oder zwischen Vertiefungen, Abmessungen im Mikrometerbereich aufweisen, insbesondere Abmessungen von 1 bis 1000 Mikrometer, vorzugsweise 10 bis 900 Mikrometer, insbesondere 10 bis 300 Mikrometer, insbesondere 10 bis 200 Mikrometer, insbesondere 20 bis 300 Mikrometer aufweisen.

Derartige Erhebungen können in Form von Punkten oder Linien vorliegen. Die Abmessungen der Strukturen können in jeder Raumrichtung vorliegen, das heißt Höhe, Breite, Länge oder zwei oder drei der genannten Ausrichtungen der Struktur betreffen.

Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird unter einer Strukturierung im Nanometerbereich eine Strukturierung, insbesondere eine Oberflächenstrukturierung, insbesondere eine topografische Strukturierung, verstanden, deren Strukturen, z. B. Erhebungen oder Vertiefungen oder Abstände zwischen Erhebungen oder zwischen Vertiefungen, Abmessungen im Nanometerbereich aufweisen, insbesondere Abmessungen von 0,01 bis 800 nm, insbesondere 0,1 bis 700 nm, insbesondere 0,1 bis 500 nm, insbesondere 0,1 bis 100 nm, insbesondere 0,1 bis 50 nm, insbesondere 0,1 bis 40 nm, insbesondere 0,1 bis 30 nm, insbesondere 0,02 bis 50 nm, insbesondere 0,02 bis 40 nm, insbesondere 0,02 bis 30 nm, insbesondere 0,02 bis 20 nm aufweisen. In besonders bevorzugter Ausführungsform bedeutet eine Strukturierung, insbesondere topographische Strukturierung, insbesondere im Mikrometerbereich, dass die Beschichtung an ihrer Oberfläche eine Struktur erkennen lässt, beispielsweise eine dreidimensionale Struktur, insbesondere in Form von Vertiefungen und/oder Erhöhungen, insbesondere in Linienform oder in Punktform. In bevorzugter Ausführungsform ist die dreidimensionale Strukturierung zusätzlich durch definierte Bereiche unterschiedlicher Hydrophilie und/oder Hydrophobie beziehungsweise Eishaftung ausgezeichnet. Die Strukturierung kann auch eine zweidimensionale Strukturierung darstellen, wobei die Struktur zum Beispiel allein durch eine unterschiedliche Oberflächenbeschaffenheit bewirkt wird, beispielsweise durch definierte Bereiche unterschiedlicher Hydrophilie beziehungsweise Hydrophobie und/oder unterschiedlicher Eishaftung, vorzugsweise ebenfalls im Punkt- oder Linienmuster.

Die erfindungsgemäße Vorgehensweise, eine, vorzugsweise hydrophobe und oleophobe, Beschichtung einer Oberfläche des zwei- oder dreidimensionalen Körpers in Kombination mit einer Strukturierung, insbesondere topografischen Strukturierung, insbesondere einem Punkt- oder Linienmuster, vorzusehen, bewirkt eine verminderte Wasseranhaftung, eine verminderte Eisbildung und/oder eine verminderte Eishaftung. Die erfindungsgemäß vorgesehene Anti-Eis-Beschichtung bewirkt eine reduzierte Eisadhäsion, das heißt, Eis lässt sich weitgehend rückstandsfrei abziehen. Vorteilhafterweise sind die erfindungsgemäß beschichtete zwei- oder dreidimensionalen Körper daher aufgrund der verminderten Eishaftung besser kontrollierbar, weisen ein geringeres Gewicht und Widerstand und eine verbesserte Sicherheit auf, zum Beispiel eine bessere Sicht durch eine Skibrille, eine bessere Auslösung von Skibindungen und dergleichen.

In besonders bevorzugter Ausführungsform ist ein Strukturierungsverfahren zum Bereitstellen einer Strukturierung, beispielsweise ein Prägeverfahren, vorgesehen. In dieser bevorzugten Ausführungsform wird die zu beschichtende Oberfläche zunächst strukturiert, insbesondere geprägt, und anschließend mit der vorgesehenen Anti-Eis-Beschichtung beschichtet. Alternativ wird die Oberfläche zunächst mit der Anti-Eis-Beschichtung beschichtet und anschließend strukturiert, insbesondere geprägt. In einer weiteren Ausführungsform kann vorgesehen sein, die zu beschichtende Oberfläche nur partial zu beschichten, beispielsweise diese mit mindestens einer Maske abzudecken und eine Beschichtung durchzuführen, so dass in diesem Fall das Strukturierungsverfahren, nämlich das Verwenden einer Maske beim Beschichten, gleichzeitig mit dem Beschichten selbst einhergeht.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform enthält die Anti-Eis-Beschichtung 15 bis 45 Atom-%, bevorzugt 20 bis 45 Atom-%, bevorzugt 30 bis 40 Atom-% mindestens eines Seltenerdmetalls und 30 bis 80 Atom-%), bevorzugt 35 bis 70 Atom-%>, bevorzugt 40 bis 65 Atom-%> Sauerstoff (jeweils bestimmt gemäß XPS-Analyse und bezogen auf Gesamt-Atom-%> der Anti-Eis-Beschichtung).

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform enthält die Seltenerdmetalloxid Anti-Eis-Beschichtung 5 bis 25 Atom-%), bevorzugt 10 bis 20 Atom-%> weitere Komponenten.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der zwei- oder dreidimensionale Körper die Beschichtung unmittelbar auf ihrer Oberfläche aufweist. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der zwei- oder dreidimensionale Körper eine geträgerte Beschichtung der erfindungsgemäßen Art aufweist, das heißt, dass die Beschichtung mittels eines Trägers auf einer Oberfläche des zwei- oder dreidimensionalen Körpers aufgebracht ist.

In besonders bevorzugter Ausführungsform kann der Träger eine Dicke von 0,003 bis 0,300 mm, insbesondere 0,003 bis 0,05 mm, insbesondere 0,150 bis 0,300 mm, insbesondere 0,150 mm oder 0,300 mm aufweisen.

In besonders bevorzugter Ausführungsform ist dieser Träger ein Träger aus leitfähigen Polymeren, insbesondere intrinsisch leitfähigen Polymeren (ICP, Inherent Conductive Polymers), leitfähig beschichteten Polymeren oder extrinsisch leitfähigen, also gefüllten, Polymeren, gefüllt z.B. mit Carbon Black, Carbon-Nanotubes, Graphen, Metallfasern oder Ruß, oder ein Träger aus Lack oder Kunststoff, insbesondere Polyurethan (PU), Polyamid, Polyimid, Polycarbonat, PET (Polyethylenterephthalat), PMMA (Polymethylmethacrylat), PE (Polyethylen), PP (Polypropylen), ABS (Acryl-Nitril-Butadien- Styrol) oder PVC (Polyvinylchlorid).

In einer erfindungsgemäß besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Träger für die Beschichtung eine Folie, insbesondere aus leit-fähigen Polymeren, insbesondere intrinsisch leitfähigen Polymeren (ICP, inherent conductive polymeres), leitfähig beschichteten Polymeren oder extrinsisch leitfähigen, also gefüllten, Polymeren, gefüllt z.B. mit Carbon Black, Carbon-Nanotubes, Graphen, Metallfasern oder Ruß, oder ein Träger aus Lack oder Kunststoff, insbesondere eine Kunststofffolie aus PU, Polyamid, Polyimid, Polycarbonat, PMMA, PET, PE, PP, ABS und/oder PVC. Vorzugsweise ist die Kunststofffolie eine selbstklebende Kunststofffolie. Die erfindungsgemäß beschichteten Träger, insbesondere Kunststofffolien, können auf die Oberfläche des zu beschichteten zwei- oder dreidimensionalen Körpers aufgebracht werden, zum Beispiel geklebt oder unter Temperatur auflaminiert werden. Dies hat den Vorteil, dass die Folien auf den Oberflächen des zwei- oder dreidimensionalen Körpers in einfacher Art und Weise ausgetauscht werden können, wenn sie einem großen Verschleiß ausgesetzt worden sind. Erfindungsgemäß werden dazu die verschlissenen Folien entfernt und durch neue, beschichtete Folien ersetzt.

Bevorzugt weist die mindestens eine zu beschichtende Oberfläche des zwei- oder dreidimensionalen Körpers eine reflektierende Beschichtung auf, bevorzugt eine Beschichtung enthaltend Halbleitermetalle und/oder Edelmetalle, bevorzugt Titan.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann der Träger auch ein Lackfilm, eine Lackfolie oder eine Lackschicht sein, insbesondere solche, die eine Dicke von 0,003 bis 0,300 mm, insbesondere 0,003 bis 0,050 mm, insbesondere 0,150 bis 0,300 mm, insbesondere 0,150 mm oder 0,300 mm, aufweisen. In besonders bevorzugter Ausführungsform kann die Oberfläche des zwei- oder dreidimensionalen Körpers eine Kunststoffoberfläche, eine Lackoberfläche, eine Metalloberfläche oder eine aus Verbundstoffen aufgebaute Oberfläche sein. Eine Kunststoffoberfläche des zwei- oder dreidimensionalen Körpers kann beispielsweise aus PU, Polyamid, Polyimid, Polycarbonat, PET, PE, PP, ABS oder PVC aufgebaut sein. Eine Metalloberfläche kann beispielsweise aus Edelstahl, Aluminium und/oder Magnesium aufgebaut sein. Eine Lackoberfläche kann beispielsweise ein Lackfilm oder eine Lackschicht sein.

In besonders bevorzugter Ausführungsform weist sich die erfindungsgemäß auf mindestens einer Oberfläche des zwei- oder dreidimensionalen Körpers unmittelbar oder mittels eines Trägers aufgebrachte Anti-Eis-Beschichtung durch eine Eis-Adhäsion, hier auch als Eishaftung bezeichnet, von < 200 kPa, vorzugsweise < 200 kPa, vorzugsweise < 150 kPa, insbesondere < 95 kPa, insbesondere < 95 kPa aus.

Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird die Eisadhäsion durch einen Eisabzugstest bestimmt. Gemäß diesem Eisabzugstest wird Wasser, insbesondere ein Wassertropfen, auf der Oberfläche angefroren, für die die Eisadhäsion bestimmt werden soll. Im Wasser, insbesondere Wassertropfen, wird eine Kanüle mit eingefroren, an der man den gefrorenen Wassertropfen von der Oberfläche abziehen kann. Anschließend wird der Tropfen von der Oberfläche senkrecht abgezogen und die aufgewendete Kraft gemessen. Aus dem Quotienten aus Kraft und Oberfläche (F/A, Kraft/Fläche) ergibt sich die Eisadhäsion.

In besonders bevorzugter Ausführungsform weist die Beschichtung eine maximale Dicke von < 200 nm, vorzugsweise < 200 nm, vorzugsweise < 195 nm, vorzugsweise < 150 nm, vorzugsweise < 100 nm, vorzugsweise < 50 nm, insbesondere < 50 nm auf.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Anti-Eis-Beschichtung eine minimale Dicke von einer monomolekularen Schicht des mindestens einen Seltenerdmetalloxids, bevorzugt > 5 nm, insbesondere > 10 nm, insbesondere > 20 nm, insbesondere > 25 nm auf. In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Anti-Eis-Beschichtung eine Dicke von 10 bis 200 nm, bevorzugt 10 bis 195 nm, bevorzugt 20 bis 100 nm, bevorzugt 25 bis 50 nm auf.

In besonders bevorzugter Ausführungsform liegt der Wasserkontaktwinkel, das heißt der Vorrück- und Rückzugskontaktwinkel von Wasser auf der Anti-Eis-Beschichtung bei jeweils > 80°, vorzugsweise liegen beide Winkel bei > 100° bevorzugt bei > 115°, bevorzugt bei > 120°, bevorzugt > 125°, bevorzugt > 130°, bevorzugt > 125°, bevorzugt > 130°, bevorzugt > 135°, bevorzugt > 140°, bevorzugt > 145°, bevorzugt > 150°, bevorzugt > 155°, bevorzugt > 160°, bevorzugt > 165°, bevorzugt > 170°, bevorzugt > 175°, bevorzugt ohne dass die Anti-Eis-Beschichtung eine Strukturierung, bevorzugt eine Strukturierung im Mikro- und Nanometerbereich, bevorzugt in Form eines Linien- und Punktmusters aufweist.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform beträgt der Wasserkontaktwinkel, das heißt der Vorrück- und Rückzugskontaktwinkel von Wasser, auf der Anti-Eis-Beschichtung bei jeweils weniger als 120°, bevorzugt weniger als 110°, bevorzugt weniger als 100°, bevorzugt weniger als 90°, bevorzugt weniger als 80°.

Bevorzugt weist die Anti-Eis-Beschichtung eine Transmission von mehr als 70%, bevorzugt mehr als 80%, bevorzugt mehr als 90%>, bevorzugt mehr als 95% auf (bezogen auf die eingestrahlte Strahlung im sichtbaren Bereich, das heißt in einem Bereich von 350 bis 700 nm). Bevorzugt erreicht die Anti-Eis-Beschichtung Transmissionswerte von mehr als 70%, wenn sie nachbehandelt wurde.

Ohne durch eine Theorie gebunden sein zu wollen, findet an der Oberfläche des zwei- oder dreidimensionalen Körpers eine heterogene Nukleation von Eis statt, wobei die Oberfläche als Nukleationskeim für die Eisbildung dient. Die Energiebarriere der heterogenen Nukleation, auch als WHET bezeichnet, ist immer kleiner als die Energiebarriere der homogenen Nukleation, auch als WHOM bezeichnet. Diese beiden Energien sind über eine Funktion F(KW) verbunden, wobei KW der Kontaktwinkel ist. Je größer der Kontaktwinkel, desto größer ist auch die Funktion F(KW). Daraus kann überraschenderweise geschlossen werden, dass bevorzugt hohe Kontaktwinkel erforderlich sind, um eine Verzögerung der Eisbildung zu erreichen (Ice-premelting-Effect). Zudem sollte die Nanorauheit der Beschichtung so eingestellt werden, dass eine bestimmte Größe des Nukleationskeimes auf der Oberfläche nicht überschritten wird. In diesem Fall kann Wasser ebenfalls nicht auskristallisieren.

Durch Erhöhung eines Kontaktwinkels wird die Kontaktfläche des Wassertropfens und/oder des Eises geringer, wodurch sich auch die Adhäsion vermindert wird („Cassie-Baxter-Regime"). Die Adhäsionskraftminderung findet bevorzugt durch Reduzierung der van der Vaals-Kräfte und der elektrostatischen Kräfte statt.

Außerdem wird durch die erfindungsgemäße Seltenerdmetalloxidbeschichtung der Wärmeübergang zwischen dem Tropfen, bevorzugt Wassertropfen, auf das kalte Substrat erniedrigt. Dementsprechend bleibt der Tropfen, bevorzugt Wassertropen, flüssig, da er seine Kristallisationsenergie nicht abführen kann. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird der Wasserkontaktwinkel und die Oberflächenenergie vorzugsweise bestimmt gemäß a) Müller, M. & Oehr, C, Comments on 'An Essay on Contact Angle Measurements' by Strobel and Lyons. Plasma Processes and Polymers 8, 19-24 (2011), b) Gao, L. & McCarthy, T. J. How Wenzel and Cassie Were Wrong. Langmuir 23, 3762-3765 (2007), c) Blake, T. D. The physics of moving Wetting lines. Journal of Colloid and Interface Science 299, 1-13 (2006) oder d) Morra, M., Occhiello, E. & Garbassi, F. Knowledge about polymer surfaces from contact angle measurements. Advances in Colloid and Interface Science 32, 79 - 116 (1990).

Die XPS-Analyse wird vorzugsweise durchgeführt gemäß Surface Analysis by Auger and X-Ray Photoelectron Spectroscopy Edited by David Briggs and John T. Grant, ISBN 1-901019-04-7, Published in association with IM Publications.

In besonders bevorzugter Ausführungsform weist die Anti-Eis-Beschichtung eine Oberflächenenergie von < 170 mJ/m, bevorzugt < 100 mJ/m, bevorzugt < 30 mJ/m, insbesondere < 30 mJ/m, insbesondere < 21 mJ/m, insbesondere < 21 mJ/m auf.

In besonders bevorzugter Ausführungsform ist der zwei- oder dreidimensionale Körper eine Wintersportausrüstung, bevorzugt Ski, eine Skibrille, ein Snowboard oder ein Skihelm. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist eine Oberfläche des Skis die Oberfläche der Skikante, der Skioberseite, der Skibindung, der Bremsbügel, der Auslösemechanik und/oder der Skiaufliegeplatte.

In besonders bevorzugter Ausführungsform ist die Skioberseite nicht die Skiunterseite, d.h. nicht die Skilauffläche. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist eine Oberfläche der Skibrille die Oberfläche der Gesichtsfeldauflage, der Scheibenbelüftung, des Gesichtsfelds, der Brillenrahmen und/oder des Kopfbandes.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das Punkt-oder Linienmuster eine Periodizität P mit Abständen in einem Bereich von 1 bis 1000 Mikrometer, 10 bis 900 Mikrometer, insbesondere 10 bis 300 Mikrometer, vorzugsweise 10 bis 200 Mikrometer, z.B. von 20 Mikrometer, 40 Mikrometer, 80 Mikrometer, 100 Mikrometer, 120 Mikrometer, 140 Mikrometer oder 180 Mikrometer auf.

Unter der Periodizität wird der Abstand der Punkte oder Linien zueinander verstanden.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Wintersportausrüstung eine Strukturhöhe des Linienmusters in einem Bereich von 1 bis 1000 Mikrometer, 10 bis 900 Mikrometer, insbesondere 10 bis 300 Mikrometer, vorzugsweise 10 bis 200 Mikrometer, z.B von 20 Mikrometer, 40 Mikrometer, 80 Mikrometer, 100 Mikrometer, 120 Mikrometer, 140 Mikrometer oder 180 Mikrometer auf. Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beträgt der Durchmesser der Punkte des Punktmusters 1 bis 1000 Mikrometer, 10 bis 900 Mikrometer, insbesondere 10 bis 200 Mikrometer, z.B. 20 Mikrometer, 40 Mikrometer, 80 Mikrometer, 100 Mikrometer, 120 Mikrometer, 140 Mikrometer oder 180 Mikrometer. In besonders bevorzugter Ausführungsform ist weiterhin vorgesehen, dass die Oberflächenstrukturierung, insbesondere topographische Oberflächenstrukturierung, insbesondere das Punkt- oder Linienmuster, durch ein Strukturierungsverfahren, zum Beispiel durch Prägen des Trägers, z. B. Folienprägung, insbesondere vor dem Beschichten aufgebracht wird. Die fertig geprägte Folie wird anschließend beschichtet. Erfindungsgemäß ist es auch möglich, den Träger, z. B. eine nicht geprägte Folie, teilweise zu beschichten und so zu strukturieren, zum Beispiel den Träger, z. B. die Folie, durch Verwendung von Masken während einer Beschichtung zu strukturieren und zu beschichten.

In bevorzugter Ausführungsform ist daher vorgesehen, das erfindungsgemäße Punkt- oder Linienmuster durch Folienprägen aufzubringen.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, das Punkt- oder Linienmuster auf ungeprägte Träger, insbesondere Folien, durch Verwendung von Masken beim Beschichten aufzubringen, so dass gleichzeitig eine Strukturierung und Beschichtung stattfindet.

In besonders bevorzugter Ausführungsform kann im Falle der Verwendung von geträgerten Beschichtungen, insbesondere folien-geträgerten Beschichtungen, vorgesehen sein, die Folien kontinuierlich, zum Beispiel rollenweise, zum Beispiel von Rolle zu Rolle, oder im Batchverfahren zu beschichten.

Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren zur Herstellung eines beschichteten zwei- oder dreidimensionalen Körpers, wobei eine Anti-Eis-Beschichtung mit einer Dicke von bis 500 nm, bevorzugt von 10 bis 500 nm in einem Oberflächenbeschichtungsverfahren auf die Oberfläche des zwei- oder dreidimensionalen Körpers aufgebracht wird. Bevorzugt ist das Oberflächenbeschichtungsverfahren ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Kathodenzerstäubungsverfahren, Plasmaverfahren und Sol- Gel-Verfahren, wobei das Plasmaverfahren ein Atmosphären- oder ein Niederdruckplasmaverfahren ist.

Bevorzugt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren, wobei die Anti-Eis-Beschichtung a) 15 bis 45 Atom-% mindestens eines Seltenerdmetalls und b) 30 bis 80 Atom-% Sauerstoff (jeweils gemäß XPS- Analyse und bezogen auf Gesamt- Atom-% der Anti-Eis-Beschichtung) aufweist. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung eines beschichteten zwei- oder dreidimensionalen Körpers gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei eine, vorzugsweise gefrierpunktserniedrigende, Anti-Eis-Beschichtung mit einer Dicke von bis 500 nm, bevorzugt von 10 bis 500 nm in einem Oberflächenbeschichtungsverfahren auf die Oberfläche des zwei- beziehungsweise dreidimensionalen Körpers aufgebracht und eine Strukturierung, insbesondere Oberflächenstrukturierung, im Mikrometerbereich in die Oberfläche eingebracht wird.

Sofern in einer weiteren Ausführungsform die Anti-Eis-Beschichtung, insbesondere die Seltenerdmetalloxid-Beschichtung, nicht unmittelbar auf die Wintersportausrüstung, sondern auf einem Träger vorliegt und mittels eines Trägers auf einem zwei- oder dreidimensionalen Körper aufgebracht wird, wird die Anti-Eis-Beschichtung zunächst auf den Träger aufgebracht, dort die Strukturierung eingebracht und anschließend die so getragene Anti-Eis-Beschichtung auf den zwei- oder dreidimensionalen Körper aufgebracht. Erfindungsgemäß bereitgestellt wird auch ein Verfahren zur Herstellung eines beschichteten zwei- oder dreidimensionalen Körpers gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei ein beschichteter Träger, insbesondere eine beschichtete Folie, vorzugsweise Kunststofffolie, umfassend eine, vorzugsweise gefrierpunktserniedrigende, Anti-Eis-Beschichtung mit einer Dicke von bis 500 nm, bevorzugt von 10 bis 500 nm, enthaltend 15 bis 45 Atom-% mindestens eines Seltenerdmetalls und 30 bis 80 Atom-% Sauerstoff (jeweils gemäß XPS-Analyse) mit einer Strukturierung, insbesondere in Form eines Punktoder Linienmusters, insbesondere umfassend eine Anti-Eis-Beschichtung der vorliegenden Erfindung, auf einer Oberfläche, insbesondere einer Außenoberfläche eines zwei- oder dreidimensionalen Körpers aufgebracht und fixiert, z. B. aufgeklebt, wird.

Erfindungsgemäß kann in einer besonders bevorzugten Ausführungsform vorgesehen sein, die Strukturierung getrennt von der Beschichtung bereitzustellen, das heißt beispielsweise einen Träger durch Prägen zu strukturieren und anschließend eine vollständige oder teilweise Beschichtung der strukturierten Oberfläche vorzunehmen. Erfindungsgemäß bevorzugt ist es auch, zunächst eine Beschichtung einer Oberfläche vorzunehmen und diese anschließend zu strukturieren, z. B. zu prägen. In einer weiteren Ausführungsform kann auch vorgesehen sein, die Strukturierung und Beschichtung gleichzeitig durchzuführen, beispielsweise indem die Oberfläche partial beschichtet wird, z. B. unter Verwendung von Masken beschichtet wird, das heißt dass bestimmte Bereiche der Oberfläche von der Beschichtung ausgenommen werden, so dass sich gleichzeitig eine Strukturierung und Beschichtung ausbildet.

Die vorliegende Erfindung betrifft auch die Verwendung einer Beschichtung enthaltend a) mindestens ein Seltenerdmetall und b) Sauerstoff zur Verhinderung von Eisbildung auf mindestens einer Oberfläche eines zwei- oder dreidimensionalen Körpers.

Die vorliegende Erfindung betrifft auch die Verwendung einer Beschichtung enthaltend a) mindestens ein Seltenerdmetall und b) Sauerstoff zur Verminderung der Eisadhäsion zu mindestens einer Oberfläche eines zwei- oder dreidimensionalen Körpers. Die vorliegende Erfindung betrifft auch die Verwendung einer Beschichtung enthaltend a) mindestens ein Seltenerdmetall und b) Sauerstoff zur Gefrierpunktserniedrigung einer auf mindestens einer Oberfläche eines zwei- oder dreidimensionalen Körpers anhaftenden flüssigen Substanz, bevorzugt Wasser.

Die vorliegende Erfindung betrifft auch die Verwendung einer Beschichtung enthaltend a) mindestens ein Seltenerdmetall und b) Sauersoff zur Gefrierverzögerung von auf mindestens einer Oberfläche eines zwei- oder dreidimensionalen Körpers anhaftenden flüssigen Substanz, bevorzugt Wasser.

Unter dem Begriff„Gefrierpunktserniedrigung" wird bevorzugt ein physikalischer Vorgang verstanden, bei dem der Gefrierpunkt der flüssigen Substanz, bevorzugt des Wassers, gegenüber Standardbedingungen, das heißt bei einem Druck von 1013 mbar, erniedrigt ist. Dementsprechend liegt im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung eine Gefrierpunktserniedrigung der flüssigen Substanz, bevorzugt des Wassers, vor, wenn die Gefrierpunkt der flüssigen Substanz, bevorzugt des Wassers, niedriger ist als der unter Standardbedingungen vorliegende Gefrierpunkt. Im Falle des Wassers heißt dies, dass eine Gefrierpunkterniedrigung vorliegt, wenn das Wasser bei einer Temperatur von weniger als 0°C gefriert. Bevorzugt liegt erfindungsgemäß eine Gefrierpunktserniedrigung dann vor, wenn die flüssige Substanz, bevorzugt das Wasser, bevorzugt ein Wassertropfen, bei einer um mindestens 1°C, bevorzugt mindestens 2°C, bevorzugt mindestens 5°C, bevorzugt mindestens 10°C, niedrigeren Temperatur gefriert als auf einer solchen Oberfläche eines zwei- oder dreidimensionalen Körpers ohne die erfindungsgemäße oder erfindungsgemäß bevorzugte mindestens ein Seltenerdmetall und Sauerstoff enthaltenden Beschichtung. Der technische Effekt der„Gefrierverzögerung" liegt im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung dann vor, wenn durch die Beschichtung mindestens einer Oberfläche eines zwei- oder dreidimensionalen Körpers bei einer Oberflächentemperatur von -20°C die Zeitspanne verlängert wird, bevorzugt um mindestens den Faktor 2, bevorzugt mindestens um den Faktor 5, bevorzugt mindestens um den Faktor 10, bevorzugt mindestens um den Faktor 20, vom Auftragen eines Tropfens einer flüssigen Substanz, bevorzugt von Wasser, auf diese Oberfläche bis zum Auskristallisieren, das heißt Gefrieren, des Tropfens im Vergleich zu einer solchen Oberfläche des zwei- oder dreidimensionalen Körpers ohne die erfindungsgemäße oder erfindungsgemäß bevorzugte mindestens ein Seltenerdmetall und Sauerstoff enthaltenden Beschichtung.

Die vorliegende Erfindung betrifft bevorzugt auch die Verwendung einer Beschichtung, bevorzugt einer Anti-Eis-Beschichtung, enthaltend a) 15 bis 45 Atom-% mindestens eines Seltenerdmetalls und b) 30 bis 80 Atom-% Sauerstoff (jeweils gemäß XPS-Analyse und bezogen auf Gesamt-Atom-% der Anti-Eis- Beschichtung) für die Beschichtung mindestens einer Oberfläche eines zwei- oder dreidimensionalen Körpers zur Verhinderung von Eisbildung auf der mindestens einen Oberfläche des zwei- oder dreidimensionalen Körpers. Die vorliegende Erfindung betrifft bevorzugt auch die Verwendung einer Beschichtung, bevorzugt einer Anti-Eis-Beschichtung, enthaltend a) 15 bis 45 Atom-% mindestens eines Seltenerdmetalls und b) 30 bis 80 Atom-% Sauerstoff (jeweils gemäß XPS-Analyse und bezogen auf Gesamt-Atom-% der Anti-Eis- Beschichtung) für die Beschichtung mindestens einer Oberfläche eines zwei- oder dreidimensionalen Körpers zur Verminderung der Eisadhäsionskraft zu der mindestens einen Oberfläche des zwei- oder dreidimensionalen Körpers.

Die vorliegende Erfindung betrifft bevorzugt auch die Verwendung einer Beschichtung, bevorzugt einer Anti-Eis-Beschichtung, enthaltend a) 15 bis 45 Atom-% mindestens eines Seltenerdmetalls und b) 30 bis 80 Atom-%) Sauerstoff (jeweils gemäß XPS-Analyse und bezogen auf Gesamt-Atom-%> der Anti-Eis- Beschichtung) für die Beschichtung mindestens einer Oberfläche eines zwei- oder dreidimensionalen Körpers zur Gefrierpunktserniedrigung, bevorzugt von Wasser, bevorzugt um mindestens 3°C, bevorzugt um 6°C im Vergleich zu dem Gefrierpunkt von Wasser von 0°C.

Die vorliegende Erfindung betrifft bevorzugt auch die Verwendung einer Beschichtung, bevorzugt einer Anti-Eis-Beschichtung, enthaltend a) 15 bis 45 Atom-%> mindestens eines Seltenerdmetalls und b) 30 bis 80 Atom-%) Sauerstoff (jeweils gemäß XPS-Analyse und bezogen auf Gesamt- Atom-%> der Anti-Eis- Beschichtung) zur Gefrierverzögerung einer auf mindestens einer Oberfläche eines zwei- oder dreidimensionalen Körpers anhaftenden flüssigen Substanz, bevorzugt Wasser.

In bevorzugter Ausführungsform gelten die getroffenen Aussagen und/oder die bevorzugten Ausführungsformen in Zusammenhang mit der auf mindestens einer Oberfläche eines zwei- oder dreidimensionalen Körpers vorliegenden Anti-Eis-Beschichtung mutatis mutandis auch für die Verwendungen der Anti-Eis-Beschichtung.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Die Erfindung wird anhand der vorliegenden Figuren näher erläutert.

Figur 1 stellt eine Oberflächenbeschichtung in Linienmusterstrukturierung dar. Durch das Linienmuster wird eine besonders schlechte Eishaftung erreicht. Schematisch dargestellt ist die Periodizität P und die Strukturhöhe H mit einer Periodizität P von 20, 40, 80, 100, 120, 140 oder 180 Mikrometer und einer Strukturhöhe H von 20, 40, 80, 100, 120, 140 oder 180 Mikrometer (Cassie-Baxter-Regime (heterogene Benetzung)).

Figur 2 stellt ein alternativ verwendbares Punktmuster, bestehend aus hydrophilen Punkten mit einem Kontaktwinkel < 10° dar, welches auf der hydrophoben Anti-Eis-beschichteten Oberfläche ein gezieltes Eiskristallwachstum an den vorgegebenen Punkten erreicht, sodass sich die dort bildenden Eiskristalle, die nicht miteinander verbunden sind, durch den Fahrtwind leichter abreißen lassen. Bevorzugt ist eine Periodizität von P = 20, 40, 80, 100, 120, 140 oder 180 Mikrometer vorhanden. Der Durchmesser D der hydrophilen Punkte kann 20, 40, 80, 100, 120, 140 oder 180 Mikrometer betragen.

Beispiele

1. Liste eingesetzter Substrate

Substrates Manufacturer Description

72.2 % SiO_:, 14.3 % Na₂0, 6.4 %

Objektt räger Thermo Scientific, Deutschland CaO

vorgcrcinigt/verwcndungsbercit

Mikroskopdeckglas Chance Propper Ltd., England

Polycarbonat

Arla Plast, Swcden

(Makroclear®)

Silizium-wafer Malaster Company, Inc., USA Kristallorientation <100>

u _* . Mikrostrukturierte Oberfläche mit

PU-Folie lcbctechnik GmbH, Deutschland ,· ,■ , _t

zylindrischen Mustern

2. Erzeugung von zylindrischen Mustern auf den PU-Folien

Die PU-Folien werden in einer Labor-Plattenpresse vom Typ LabEcon 150 der Fa. Fontijne Grotnes geprägt. Dazu werden die Polymerfolien auf die untere Platte gelegt, die zuvor auf bis zu 85 °C vorgeheizt wird. Die Negativformen werden vor Beaufschlagung mit einer Schließkraft von 150 kN mit der Vorderseite nach unten auf den Polymerfolien positioniert. Diese Bedingungen werden dann 4 Minuten beibehalten und anschließend die geprägten Folien und die Stempel von den heißen Platten abgenommen, um einen übermäßig langen Kontakt der Folien mit hohen Temperaturen zu vermeiden, um so das Risiko der Verhärtung und Änderung der mechanischen Eigenschaften zu verringern. Die geprägten Folien werden mit Hilfe des Laserrastermikroskops analysiert und Messungen der zylindrischen Strukturen sind zusammengefasst in Tabelle 1.

Tabelle 1

Strukturierte Oberer Durchmesser Basis-Durchmesser Höhe [μιη] Abstand PU-Folie [μιη] [μι^η] [μι^η]

A4 24,3 ± 1 , 1 34,0 ± 2, 1 18,0 ± 1 ,4 49,8 ± 0,8

A5 31,7 ± 2,4 46,1 ± 2,1 28,5 ± 0,1 123,2 ± 3,1

A6 22,3 i 9,3 53,8 ± 1 ,4 65,9 ± 2,9 276,5 -t- 2, 1 3. Magnetron- Sputtern

Eine Holmiumschicht wird auf verschiedene Substrate bei Raumtemperatur in einem selbst gebauten Gleichstrom-Magnetron-Sputterreaktor aufgebracht. Ein Holmiumtarget dient dabei als die Kathode. Die Substrate werden auf dem Substrathalter mit Hilfe von Polyimid-Klebeband fixiert. Optional wird eine Titangrundschicht vor der Holmiumschicht auf dem Substrat abgeschieden, wozu ein Titantarget als zweite Kathode eingesetzt wird und der zunächst zum Titantarget gerichtete Empfänger in Richtung des Ho-Targets gedreht wird, nachdem die Abscheidung der Titangrundschicht abgeschlossen ist. Mit Hilfe einer Kombination aus einer Drehschieberpumpe und einer Turbomolekularpumpe wird die Kammer abgepumpt, bis der Druck unter einen Wert von 1x10-6 mbar gesunken ist. Ein Überblick über die verwendeten Targets ist Tabelle 2 zu entnehmen.

Tabelle 2

Target Hersteller Verwendung

Holmium FHR Ccntrothcrm Group Abscheidung der oberen

Schicht

Titan FHR Centrotherm Group Optionale Abscheidung der

Zwischenschicht

Die Spannung kann dabei schwanken, um nach einer Rampenzeit von 30 s eine konstante Stromstärke zu erreichen. Um einen Lichtbogendurchschlag zu verringern und ein gleichförmiges Glühen zu erzeugen, wird der Argondruck zunächst auf 8 μbar eingestellt und dann auf 6 μbar verringert, wobei der die Probe vom Target weggedreht ist. Nachdem eine stabile Glühentladung erreicht ist, wird der die Probe zum Target gedreht und die Exposition erfolgt für die gegebene Netto-Sputterdauer. Der Abstand zwischen dem Target und der Probe beträgt 78 mm und wird konstant gehalten.

Zur Kalibrierung der Sputterrate wurden eine Aluminiumfolie von 2x2 mm und ein Objektträger vor und nach dem Sputtern gewogen. Die durchschnittliche Dicke des abgeschiedenen Films, dHo, wird hierbei gravimetrisch bestimmt:

Ein linearer Zusammenhang zwischen der abgeschiedenen Schichtdicke und der Stromstärke sowie der Sputterdauer ist zu beobachten. Tabelle 3 zeigt die Vorversuche unter Verwendung eines Holmiumtargets bei unterschiedlichen Stromstärken, Netto-Sputterdauern und Oberflächenvorbehandlungen und deren Effekte auf das Erscheinungsbild der abgeschiedenen Schicht. Die Spannungs- und Leistungseinstellungen sind 450 V bzw. 0,27 kW. Tabelle 3

Sputter

OberflächenFilmdicke »putterrate Anmerkungen zum dauer

vorbehandlung [nm] [nm/min] abgeschiedenen Film

[min]

Oberfläche reflektierend, mit Isopropanol

semi-transparent, Streifen gereinigt, mit

0,2 1 34 ± 1 34 ± 1 (Spuren von getrocknetem komprimiertem N₂

Isopropanol), Film auf PC getrocknet

leicht matt, verschmiert

Oberfläche reflektierend, mit Ar-Plasma semi-transparent, aktiviert (P_AT=6 μbar; 0,2 1,5 58 ± 2 39 ± 2 Streifenmuster auf PC, t=l min; P=40 W) feine Teilchen (Staub) auf der Oberfläche

Die Parameter von Versuch 4 werden übernommen, um Proben für die anschließenden Experimente zu fertigen. Die Sputterrate von Titan wurde aus der vorherigen Kalibrierung erhalten und beträgt 7 nm/min bei 0,2 A. Circa 25 nm der Zwischenschicht aus Titan werden bei den gleichen Stromstärke-, Spannungsund Leistungseinstellungen wie in Versuch 4 in Tabelle 3 soweit zutreffend abgeschieden.

4. Nachbehandlungen

Mit Holmium beschichtete Deckgläser und Silizium- Wafer werden in den folgenden Behandlungen nach der Abscheidung eingesetzt. 4.1 Thermische Oxidation

Zur Behandlung der beschichteten Substrate bei erhöhten Temperaturen in einer Sauerstoffumgebung wird ein Ofen des Modells N 7/H der Fa. Nabertherm GmbH eingesetzt. Die Substrate werden in ein Quarzrohr gegeben, das mit O-Ring an seinem Fenster, an dem der Gaseinlass und -ablass und das Kühlsystem angeschlossen sind, verschlossen ist. Das Quarzrohr wird zunächst mit Argongas gespült, um die atmosphärischen Gase auszutreiben und unerwünschte reaktive und brennbare Substanzen zu beseitigen, gefolgt von Spülen mit Sauerstoff. Der Nassoxidationsvorgang wird mittels eines Perlungssystems mit Sauerstoffzufluss und Abfluss einer Mischung aus Wasserdampf und Sauerstoff durchgeführt. Das Wasser in der Flasche wird bei ca. 95 °C gehalten. Eine Zusammenfassung der Parameter der thermischen Oxidationsexperimente ist Tabelle 4 zu entnehmen. Die Heizrate des Ofens beträgt 5 °C/Min.

Tabelle 4

Suffix auf der Probe

Experiment Gaszufuhr

Temperatur - Haltezeit

1 100°C - 24h Quarzrohr 3 Min mit 0₂ gespült vor dem Heizen

Kontinuierlicher Fluss einer Mischung aus 0₂ (0,2

300° C - 30min

3 (kontinuierlicher Fluss bar) und Wasserdampf während dem gesamten

nass) Glühvorgang

5 400°C - 30min Quarzrohr 3 Min mit 0₂ gespült vor dem Heizen

6 500° C - 30min Quarzrohr 3 Min mit 0₂ gespült vor dem Heizen

7 700° C - 30min Quarzrohr 3 Min mit 0₂ gespült vor dem Heizen

4.2 Plasmabehandlung

Neben der thermischen Behandlung im Ofen werden Behandlungen nach Abscheidung Sauerstoffplasmen durchgeführt, die erzeugt werden durch:

• Mikrowellenentladung (MW)

• Hochfrequenzentladung (RF)

Die Gerätschaften und Behandlungsparameter sind in Tabelle 5 zusammengefasst. Tabelle 5

Gerätschaften Beschreibung Parameter

Druckkammer = 0,2 mbar

Temperatur = Raumtemperatur (RT)

Tepla 300 (handelsübliches Gerät

MW- der Fa. Technics Plasma GmbH, 0₂-Fluss = 25 sccm

Plasmareaktor

Deutschland), f = 2,4 GHz Leistung = 500 W

Dauer = 30 Min

Kammerdruck = 0,02 mbar

Temperatur = RT

DIN A3 Eigenbau mit einem 13,56 MHz

Hochfrequenz- Hochfrequenz-Generator der Fa. 0₂-Fluss = 50 sccm

Plasmareaktor Dressler Cesar Leistung = 150 W

Dauer = 30 Min

Kammerdruck = 0,006 mbar

Temperatur = RT; 200 °C; 400 °C

HochfrequenzEigenbau mit einem 13,56 MHz

getriebener Hochfrequenz-Generator der Fa. 0₂-Fluss = 500 sccm

ICP-Reaktor Dressler Cesar Leistung = 3500 W

Dauer = 10 Min

Nachdem die vorgegebene Temperatur erreicht ist, werden die Reaktorkammern abgepumpt, bis der Druck auf den angegebenen Wert absinkt. Die Übertragung der Hochfrequenzleistung zur Elektrode erfolgt durch ein geeignetes Netzwerk, dass die Impedanz des Plasmas der des Generators angleicht, so dass nur eine minimale oder im Idealfall keine Leistung von der Matchbox zur Elektrode reflektiert wird. Auf diese Weise wird eine stabile Entladung erreicht. Der Aufbau der Eigenbau-Reaktoren wird durch Gas- und Drucksteuerungen vervollständigt.

5. Charakterisierung und Analytik

5.1 Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS Diese mit einfallenden Photonen arbeitende Technik wird zur Analyse der beschichteten Oberflächen im Hinblick auf ihre Zusammensetzung und den chemischen Zustand verwendet. Zu diesem Zweck wird das Axis Ultra Instrument der Fa. Krato Analytical Ltd. mit einer Röntgenquelle von einer monochromatischen AlKa (1486,6 eV) Linie verwendet. Unter Ultrahochvakuumbedingungen wird die Probe mit der Röntgenquelle bestrahlt und die emittierten Elektronen werden analysiert. Der Abstrahlwinkel beträgt 90°. Die chemische und Elementzusammensetzung stammt von einer oberflächennahen Schicht mit einer Dicke von bis zu 10 nm. Zur Untersuchung der Schwankungen der chemischen Zusammensetzung mit steigender Tiefe werden Spektren einer Ho-Schicht auf Si-Wafer wie abgeschieden zu unterschiedlichen Sputterintervallen aufgezeichnet. Das In-situ-Bombar dement mit Ar⁺-Ionen erfolgt bei 5 kV bei einer Gesamtstromstärke von 10 mA und einem Druck von 2x10^"7 mbar auf einer Fläche von 2x2 mm² statt. Die Datensammlung und -Verarbeitung erfolgten unter Anwendung der Software CasaXPS und mit einer Gaussfunktion für die Fitting-Prozedur. Das Hintergrundrauschen wird nach dem Verfahren von Shirley beseitigt.

5.2 UV-Vis-Spektroskopie (ultraviolett-sichtbar)

Die optische Transparenz der Ho-beschichteten Deckgläser wird durch Messung der Transmission von Licht mit einem UV-2450 Spektrophotomer der Fa. Shimadzu ermittelt. Es werden Transmissionsspektren im Bereich der ultravioletten und der sichtbaren Wellenlängen (200-850 nm) erstellt. Die Auflösung beträgt dabei 1 nm. Um den Effekt des Hintergrundrauschens auszulöschen, wurde vor den Messungen an den Proben (beschichteten Substraten) der Baselinewert ermittelt.

5.3 Messungen des Wasserkontaktwinkels (contact angle, CA) Zur Untersuchung der Benetzungseigenschaften wird der Kontaktwinkel von Wasser an den Probenoberflächen mit einem OCA40 Kontaktwinkel-Goniometer der Fa. DataPhysics Instruments GmbH ermittelt. Das Verfahren des ruhenden Tropfens, auch als„sessile drop"-Methode bezeichnet, wird sowohl für statische als auch für dynamische Messungen des Kontaktwinkels eingesetzt. Nach Auftragung von 2 μΐ reinem Wasser (Milipore) durch eine Nadel mit einer Dosiergeschwindigkeit von 0,5 μΐ/s wird der Arbeitstisch angehoben, bis die Probenoberfläche die Unterseite des Tropfens berührt. Die statischen Kontaktwinkel werden erfasst nachdem das Gleichgewicht zwischen fester, flüssiger und Gasphase sich eingestellt hat.

Für die dynamischen Kontaktwinkel wird die„Sessile Drop Needle-In-Methode" verwendet, bei der die Nadel zur Mitte des auf der Oberfläche ruhenden Tropfens geführt wird. Mit einer CCD-Kamera wird ein Video aufgezeichnet, während die Tropfengröße zunächst soweit vergrößert wird, bis 8 μΐ über die Nadel abgegeben worden sind, und anschließend verringert wird. Die Zugaberate und die Verringerungsrate werden bei 0,5 μΐ/s konstant gehalten. Aus dem aufgezeichneten Video werden grafische Darstellungen des Kontaktwinkels und des Basisdurchmessers des Tropfens über der Zeit abgeleitet. Parallel zum Anstieg des Basisdurchmessers mit steigendem Tropfenvolumen zeigt ein Plateau im Kontaktwinkeldiagramm den Vorrückwinkel an. Wenn das Wasser in die Nadel zurückgesogen wird, bleibt der Tropfen zunächst festgeklemmt. Der Winkel, der gemessen wird, sobald der Basisdurchmesser sich verringert, wird als Rückzugswinkel bezeichnet. Um die Adsorption von Verunreinigungen aus der Luft möglichst gering zu halten, werden Proben, auch als Substrate bezeichnet, die noch aktive Oberflächen aufweisen, nach der Abscheidung und den Behandlungsprozessen in einem mit Sauerstoff gefüllten Exsikkator aufbewahrt. Für jede Probe werden mindestens 3 Messungen vorgenommen, um die Aussagekraft der Ergebnisse zu sichern. 5.4 Wassernukleation

Die Nukleation und das Gefrierverhalten von unterkühltem Wasser werden mit einer CCD-Kamera beobachtet. Für diese Untersuchung werden eine thermostatische Kammer, eine Temperatursteuerungseinheit, eine Flüssigkeitspumpe und ein kühlender Kühlmittelzirkulator verwendet. Der Tisch mit der montierten Probe wird mit einem Peltierelement auf 5 °C gekühlt. Die vom Peltierelement erzeugte Wärme wird durch Umpumpen eines Kühlmittels auf Glykolbasis, dessen Temperatur von dem Kühlmittelzirkulator bei ca. 0 °C gehalten wird, abgeführt. Auf die gekühlte Probenoberfläche werden 3 μΐ reines Wasser gegeben und der Tisch weiter auf -20 °C gekühlt. Die Temperatur der Luft über der Probe wird von einem Temperatursensor überwacht und bleibt unter 8 °C, während am Kammerboden -20 °C erreicht werden. Der Einfluss von Feuchtigkeit oder Kondensation wird durch Spülen mit Stickstoff möglichst gering gehalten.

5.5 Eisanhaftung

Der Eisanhaftungstest wird mit einem Eigenbau-Gerät durchgeführt. Eine Eiskammer weist Peltierelemente am Kammerboden auf und an zwei der Seitenwände wird in ein Kälteelement gestellt. Die Umgebungstemperatur im Kälteelement wird bei ungefähr 10 °C gehalten. Eine Wasserkühlung liegt an, um die von den Peltierelementen erzeugte Wärme abzuführen, die das Innere der Eiskammer unter 5 °C halten. Sobald die Probe mit doppelseitigem Klebeband am Kammerboden fixiert ist, werden mit einer vertikal angebrachten Nadel 5 μΐ reines Wasser auf die Probenoberfläche gegeben. Die Eiskammer wird weiter gekühlt bis auf -18 °C. Nachdem der Wassertropfen gefroren ist und die Nadelspitze unter -5 °C erreicht, wird die Nadel mit 0,2 mm/s nach oben bewegt und zieht das Eis von der Oberfläche, während der Kraftmesser eine Spitze im Kraft-Zeit-Diagramm registriert. Die Höhe der Spitze wird als die Adhäsions- oder Kohäsionskraft F interpretiert, je nach Art des Bruchs.

Es werden Aufnahmen des Bruchs angefertigt. Den echten Durchmesser der gebrochenen Oberfläche des Eises erhält man nach Messungen mit der Software ImageJ und Kalibrierung mit dem Nadeldurchmesser (1,65 mm). Die Querschnittsfläche A wird berechnet und die Eisadhäsionsstärke ergibt sich als Kraft F pro Flächeneinheit A. 6. Ergebnisse

6.1 UV-VIS-Spektren

Aus der Transmission von sichtbarem Licht und ultravioletter Strahlung durch Deckglasproben ergeben sich Durchlässigkeitsspekten. Die Spektren von Ho-beschichteten Deckgläsern verdeutlichen eine Abschwächung der Strahlungsintensität mit steigender Abscheidedicke. Mit ca. 60 nm Ho wird eine Transmission von ungefähr 5 % im Bereich des sichtbaren Lichts gemessen. Nach der thermischen Oxidation der Ho-Schicht derselben Dicke bei 400 °C werden 70 % der Strahlungsintensität im Bereich des sichtbaren Lichts nach dem Durchgang durch die Probe gemessen. Dieser Wert steigt auf 80 % nach thermischer Oxidation bei 700 °C an. Für thermisch oxidierte Proben bei derselben Temperatur wird eine um 5 % niedrigere Lichtdurchlässigkeit gemessen, wenn die Probe in einem kontinuierlichen Sauerstofffluss behandelt wird. Analog zur erhöhten Transparenz bei steigender Behandlungstemperatur ergibt eine niedrigere Behandlungstemperatur weniger transparente Proben. Die Einführung einer Zwischenschicht aus Titan erhöht die Opazität. Die durch Nassoxidation bei niedrigerer Temperatur (300 °C) erhaltene gelblich- durchsichtige Holmiumoxid-Schicht transmittiert mehr Licht im Bereich der höheren Wellenlängen (700- 750 nm).

6.2 XPS-Spektren

Zur Ermittlung der Änderung der chemischen Zusammensetzung der Ho-Schicht nach der Behandlung werden XPS-Spektren für die Proben "wie abgeschieden" und "nach Behandlung" erstellt. Eine vorläufige Analyse zeigt Spektren von O ls und Ho 4d. Zwei deutliche O 1 s-Peaks bei 529 eV und 531 eV sind in den nicht-dargeste Ilten Spektren zu erkennen. Die Intensität des ersten Peaks bei einer höheren Bindungsenergie sinkt mit erhöhter Behandlungstemperatur im Ofen, während der zweite Peak bei einer niedrigeren Bindungsenergie ansteigt. Im allgemeinen werden mehr als 20 at.% C bei -289 eV, -288 eV, -286 eV und 284,6 eV auf der Oberfläche aller Proben mit abgeschiedenem Ho nachgewiesen. Der größte Kohlenstoff-Peak wird bei 284,6 eV beobachtet und macht alleine bereits >10 at.% C aus. Nach der MW-Plasmabehandlung besteht die Ho-Schicht aus einem außergewöhnlich hohen Prozentsatz F (über 30 at.%). Dies könnte auf Fluoridradikale zurückzuführen sein, die durch die Versiegelung des Reaktors bei hohen Leistungswerten eingetragen wurden.

Darüber hinaus sind in Tabelle 6 auch die atomaren Prozentanteile von C und O dargestellt, die auf der Oberfläche der weitergehend analysierten Proben nachgewiesen werden. Dabei sind Sauerstoffpeaks bei höheren Bindungsenergien zu beobachten. Um den Sauerstoffgehalt, der auf organische Substanzen aufgrund der Verunreinigung der Oberfläche zurück zu führen ist, abzutrennen, wird dabei eine Sputteranalyse durchgeführt.

Tabelle 6

Elementenzusammensetzung [at.%]

Ho-schicht O

_{ C total Ho total at ~529eV at ~531 eV at ~532eV at ~537eV

wie abgeschieden 24.4 5.0 37.3 4.1 28.5

Ofen 100°C-24h (nass) 22.5 5.8 36.0 5.1 30.1

Ofen 500°C-30min 24.2 17.2 18.7 5.0 34.8

In einer Tiefenanalyse wird eine auf Si-Wafer abgeschiedene Ho-Schicht mit Argon gesputtert und die Elementzusammensetzung wird zu unterschiedlichen Zeitintervallen ermittelt. Nach Ablauf einer Sputterdauer von 1 Min sinkt der C-Spiegel unter die Nachweisgrenze, was auf die Beseitigung der oberflächlichen Verunreinigung hindeutet. Der O ls-Peak bei -532 eV sinkt von 41,4 at.% auf 3 at.%, während der Peak bei -529 eV von 5 at.% auf 34,1 at.% ansteigt. Zwei aufeinander folgende Analysen mit 1 -Minute- Schritten ergaben eine ähnliche Intensität für beide O ls-Peaks. Dies weist auf das Vorhandensein von nativem Holmiumoxid in der abgeschiedenen Holmiumschicht hin. Es könnte daher der Schluss gezogen werden, dass der O ls-Peak bei -529 eV sich von nativem Holmiumoxid ableitet und organische Oberflächenverunreinigungen für den/die Sauerstoff-Peak(s) bei höheren Bindungsenergien (BE) verantwortlich sind. Die Ho-Zusammensetzung steigt mit steigender Tiefenlage der Schicht an, während die O- Zusammensetzung sinkt, bis 2-3 at.% O zurückbleiben. Die Grenzfläche zwischen dem Si-Substrat und der Ho-Schicht, an der sowohl Si als auch Ho nachweisbar sind, wird nach 18 minütigem Ätzen erreicht.

6.3 Wasserkontaktwinkel

Wasserkontaktwinkel (contact angles, CA) auf blanken Substraten werden als Bezugspunkt gemessen und sind in Tabelle 7 zusammen mit einigen typischen Werten aus der Literatur angegeben. Aufgrund von Schwankungen in der Materialzusammensetzung von Gläsern (Mikroskopträger und Deckgläser) sowie der Kristallinität und Kristallorientierung (im Falle von Si-Wafern) können die Proben sich von den in der Literatur zur Ermittlung des Kontaktwinkels verwendeten Proben unterschieden. Auch die Handhabung der Proben beeinflusst die Aussagekraft der Ergebnisse in wesentlichem Maße, da Kontaktwinkel sich je nach Reinigungsmittel ändern können.

Tabelle 7

Blanke Substrate Sessile Drop Kontaktwinkel [°|

Messwert Literaturwert

Objektträger 36,0 ± 2,7 -

Deckglas 60,0 ± 4,5 51,05 ± 0,84

PC 98,8 ± 3,3 82

Si-Wafer 44,5 ± 2,0 44,8 ± 1,7 ⁹⁵ Um eine konsistente Handhabung der Proben zu gewährleisten, werden die Oberflächen von aufeinander folgenden Proben mit unter komprimiertem N2 abgeblasen und die "Alterung" der Proben wird bei der Ergebnisanalyse berücksichtigt. Tabelle 8 sind die Kontaktwinkel an allen Si-Wafern mit Ho- Abscheidung mit unterschiedlichen Nachbehandlungsmethoden und -parametern zu entnehmen.

Tabelle 8

Statischer Sessile Drop Kontaktwinkel [°] (3-7 Tage nach Behandlung oder

Abscheidung)

wie abgeschieden 66,5 ± 0,5

Si-Ho frisch beschichtete Probe für 4

64,4 ± 1,1

Tage in Wasser eingetaucht

100°C-24h 71,0 ± 0,2

100°C-24h (nass) 74,7 ± 1,2

300°C-30min (kont. Fluss nass) 65,4 ± 0,4

Si-Ho

im Ofen 400°C-30min (kont. Fluss) 61,1 ± 3,4

oxidiert

400°C-30min 62,7 ± 0,8

500°C-30min 63,7 ± 2,2

700°C-30min 58,3 ± 5,4

100°C-24h 71,3 ± 0,9

100°C-24h (nass) 75,3 ± 2,5

300°C-30min (kont. Fluss nass) 47,0 ± 5,3

Si-Ti-Ho

im Ofen 400°C-30min (kont. Fluss) 61,9 ± 0,4

oxidiert

400°C-30min 62,8 ± 0,2

500°C-30min 71,1 ± 6,0

700°C-30min 59,4 ± 4,4

MW-Plasma-RT-500W 62,5 ± 3,1

HF-Plasma-RT-150W 61,9 ± 1,5

Si-Ho

nachbehandelt ICP-RT-3500W 67,4 ± 0,6

in Plasma

ICP-200°C-3500W 31,9 ± 0,4

ICP-400°C-3500W 50,9 ± 0,2 Obwohl die Kontaktwinkel sämtlicher obiger Proben im hydrophilen Bereich liegen, wird bei den Ho- Schichten wie abgeschieden im Vergleich zum unbeschichteten Si-Wafer ein um 22° größerer Kontaktwinkel bei Wasser gemessen. Vergleichbare Kontaktwinkelwerte werden erhalten für Hobeschichtete und Ti-Ho-beschichtete Proben, die unter den gleichen Bedingungen thermisch behandelt wurden. Der höchste Kontaktwinkelwert (~ 75°) wird für die bei 100 °C für 24 h in einer Sauerstoffatmosphäre mit hohem Feuchtigkeitsgehalt oxidierte Si-Ho-Probe erhalten.

Der Kontaktwinkel wird nach einer Ruhezeit von mindestens 3 Tagen in einem mit Sauerstoff gefüllten Exsikkator nach der Abscheidung oder Behandlung gemessen.

Statische und dynamische Wasser-Kontaktwinkel wurden auch an nicht-beschichteten sowie Ho- beschichteten geprägten PU-Folien gemessen und sind in Tabelle 9 dargestellt.

Tabelle 9

Ein Anstieg des statischen Kontaktwinkels um ca. 15° und eine Senkung in CAH um bis zu 5° im Vergleich zu unbeschichteten Folien werden an Ho-beschichteten mikro-strukturierten PU-Folien gemessen. Zylindrische Muster mit feineren Strukturen und geringerem Abstand (A4) besitzen größere Kontaktwinkel.

6.4 Wassernukleation

In diesem Abschnitt wird das Gefrierverhalten von Wasser beobachtet. Da die Temperatur in unterschiedlichen Teilen der Eiskammer unterschiedlich ist, beeinflusst das Temperaturprofil den Wärmeübergang, der wiederum den Gefrierprozess des Wassertropfens beeinflusst. Wenn der Kammerboden -20 °C erreicht, wird die Temperatur der Luft in der Mitte der Kammer zu ungefähr 8 °C gemessen. Die Kammerbodentemperatur, bei der der Tropfen gefriert, und die Zeitdauer vom Beginn der Nukleation bis der Tropfen vollständig gefroren ist (Gefrierdauer) sind in Tabelle 10 angegeben. abelle 10

Si unbeschichtet 1 ,6 ± 0, 1 -20 wie abgeschieden 4,0 ± 0,4 -6

Si-Ho Ofen 500°C-30min 5,5 ± 1 ,4 -7

ICP-200°C-3500W 2,2 ± 0,2 -12 unbeschichtet 31 ,2 ± 0,6 -20

keine Nukleation und Gefrieren zu beobachten

Ho-abgeschieden

nach > 10 Min bei -20 °C.

Das transparente unterkühlte Wasser am Beginn der Nukleation semi-opak und wurde anschließend zunehmend opaker mit fortschreitendem Wachstum der Keime. Der oberste Teil des Tropfens ist der wärmste Bereich. Hier bildet sich eine Spitze wenn der Tropfen vollständig eingefroren ist. Eine Gefrierfront, die vom unteren Teil zum oberen Teil des Tropfens wandert, war zu erkennen. Darüber hinaus war eine Senkung des Wasserkontaktwinkels bei Minustemperaturen zu beobachten.

Während Wasser auf einem Ho-beschichteten Si-Wafer zu gefrieren beginnt, noch bevor der Kammerboden -20 °C erreicht hat, bleibt der Tropfen bei der frischen Probe auf blankem Si-Wafer bis -20 °C erhalten, und ab dann gefriert der Tropfen schnell. Bei erhöhter Temperatur war die Gefrierdauer bei Si-Wafern mit Ho-Abscheidung und bei nachbehandelten Si-Wafern verlängert.

Das Gefrieren eines Tropfens auf der mikro-strukturierten PU-Folie A4 setzt bei -20 °C ein und erfolgt innerhalb einer halben Minute. Mit einer Ho-Schicht zeigt die PU-Folie einen außergewöhnlich langen Gefrierverzug.

6.5 Eisanhaftung Um die Vereisungsschutzeigenschaften der Proben zu prüfen, wird die zur vertikalen Entfernung des gefrorenen Tropfens benötigte Kraft gemessen. Nach Ermittlung des Durchmessers der gebrochenen Eisoberfläche wird die Eishaftfestigkeit berechnet und ist in Tabelle 11 dargestellt. abelle 11

unbeschichtet 1 3 ± 0 4 MPa kohäsiver Bruch wie abgeschieden 1 0 ± 0 2 MPa kohäsiver Bruch

Ofen 500°C-30min 1,2 ± 0,5 MPa kohäsiver Bruch

ICP-200°C-3500W 1,1 ± 0,1 MPa kohäsiver Bruch unbeschichtet 210 ± 30 kPa adhäsiver Bruch

Ho-abgeschieden 110 ± 20 kPa adhäsiver Bruch

Bei einem kohäsiven Bruch bleibt das Eis an die Probenoberfläche befestigt und der Defekt erfolgt im Eis selbst, was für eine starke Adhäsion von Eis spricht. Andererseits erfolgt ein adhäsiver Bruch an der Grenzfläche von Eis und Probenoberfläche und zeigt zudem eine Frostbildung auf ursprünglich trockenen Oberflächen nach dem Kontakt mit Minustemperaturen für > 10 Min.

Während sämtliche Si-Proben einen kohäsiven Bruch mit einer Trennfestigkeit von mehr als 1 MPa zeigen, weisen die für PU-Folie A4 erhaltenen niedrigen Haftfestigkeiten darauf hin, dass Eis leicht zu entfernen ist. Dies wird durch die Anwesenheit einer Ho-Schicht noch verstärkt, die die Haftfestigkeit um ca. 50 % herabsetzt.

Claims

ANSPRÜCHE

1. Zwei- oder dreidimensionaler Körper, aufweisend eine auf einer Oberfläche des zwei- oder dreidimensionalen Körpers aufgebrachte Anti-Eis-Beschichtung mit einer Dicke von bis 500 nm, bevorzugt 10 bis 500 nm, wobei die Anti-Eis-Beschichtung mindestens ein Seltenerdmetalloxid aufweist.

2. Zwei- oder dreidimensionaler Körper nach Anspruch 1, wobei die Anti-Eis-Beschichtung eine Strukturierung im Mikrometerbereich in Form eines Punkt- oder Linienmusters aufweist.

3. Zwei- oder dreidimensionaler Körper nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Anti-Eis-Beschichtung a) 15 bis 45 Atom-% mindestens eines Seltenerdmetalls und b) 30 bis 80 Atom-% Sauerstoff (jeweils bestimmt gemäß XPS-Analyse und bezogen auf Gesamt- Atom-%) der Anti-Eis-Beschichtung) enthält.

4. Zwei- oder dreidimensionaler Körper nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Anti- Eis-Beschichtung durch ein Kathodenzerstäubungsverfahren hergestellt wurde.

5. Zwei- oder dreidimensionaler Körper nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Anti- Eis-Beschichtung durch ein Nieder druckplasmaverfahren hergestellt wurde.

6. Zwei- oder dreidimensionaler Körper nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Anti- Eis-Beschichtung durch ein Sol-Gel-Verfahren hergestellt wurde.

7. Anti-Eis-Beschichtung mit einer Dicke von bis 500 nm, wobei die Anti-Eis-Beschichtung mindestens ein Seltenerdmetalloxid aufweist.

8. Verfahren zur Herstellung eines beschichteten zwei- oder dreidimensionalen Körpers nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei eine Anti-Eis-Beschichtung mit einer Dicke von bis 500 nm mit einem Oberflächenbeschichtungsverfahren auf die Oberfläche des zwei- oder dreidimensionalen Körpers aufgebracht wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Anti-Eis-Beschichtung a) 15 bis 45 Atom-%> mindestens eines Seltenerdmetalls und b) 30 bis 80 Atom-%> Sauerstoff (jeweils gemäß XPS-Analyse und bezogen auf Gesamt-Atom-%) der Anti-Eis-Beschichtung) aufweist.

10. Verwendung einer Beschichtung enthaltend a) mindestens ein Seltenerdmetall und b)

Sauerstoff zur Verhinderung von Eisbildung auf mindestens einer Oberfläche eines zwei- oder dreidimensionalen Körpers.

11. Verwendung einer Beschichtung enthaltend a) mindestens ein Seltenerdmetall und b) Sauerstoff zur Verminderung der Eisadhäsionskraft zu mindestens einer Oberfläche eines zwei- oder dreidimensionalen Körpers.

12. Verwendung einer Beschichtung enthaltend a) mindestens ein Seltenerdmetall und b) Sauerstoff zur Gefrierpunktserniedrigung einer auf mindestens einer Oberfläche eines zwei- oder dreidimensionalen Körpers anhaftenden flüssigen Substanz.

13. Verwendung einer Beschichtung enthaltend a) mindestens ein Seltenerdmetall und b) Sauerstoff zur Gefrierverzögerung einer auf mindestens einer Oberfläche eines zwei- oder dreidimensionalen Körpers anhaftenden flüssigen Substanz.