Verfahren zum Erzeugen einer Beschichtung auf einem Substrat
Die Erfindung betrifft ein Nerfahren zum Erzeugen einer Beschichtung mittels elektromagnetischer Strahlung auf einem Substrat.
Beschichtungen von Oberflächen spielen heutzutage bei vielen Anwendungen in der Industrie, im Hausbau, in der Forschung, bei Sport- und Freizeitartikeln eine große Rolle. Durch die Beschichtung einer Oberfläche eines Substrats soll das Substrat Eigenschaften erhalten, die es vor der Beschichtung noch nicht bzw. nicht in gleichem Maße besaß. So können Beschichtungen beispielsweise dazu dienen, einen bestimmten Gegenstand gegen äußere Einflüsse wie z. B. gegen Licht, Strahlung, Wasser, Wärme und mechanische Einwirkungen widerstandsfä- higer zu machen.
Ferner kann es von Interesse sein, einem bestimmten Substrat durch Aufbringen einer Beschichtung eine physikalische Eigenschaft zu verleihen, die das Substrat ursprünglich nicht besaß, wie z.B. elektrische Leitfähigkeit oder Magnetisierbar- keit. Auch besteht häufig das Interesse, Substrate durch Aufbringen einer Beschichtung mit bestimmten optischen Eigenschaften auszustatten, wie beispielsweise mit einer lichtabsorbierenden, lichtreflektierenden oder polarisierenden Wirkung. In diesem Zusammenhang wird häufig von funktionalen Beschichtungen gesprochen. Aus den früheren Patentanmeldungen DE-A 100 38 895 und DE- A 100 35 430 der Anmelderin sind beispielsweise ein Nerfahren zur Herstellung eines halbleitenden und/oder Lumineszenz zeigenden organischen Schichtaufbaus und ein Nerfahren zur thermischen Behandlung von Fotolack bekannt.
Letztendlich ist es häufig auch wünschenswert, Substrate zur Verschönerung ihres Aussehens mit Beschichtungen zu versehen, die ihnen eine bestimmte Farbe oder ein bestimmtes optisches Erscheinungsbild verleihen.
Zur Herstellung einer Beschichtung muß ein Beschichtungsmittel nach dem Auftragen auf ein Substrat erhärten bzw. auf diesem fest haften. Je nach Beschichtungsmittel kann dies durch einfaches Abdunsten der Beschichtungslösungsmittel und/oder durch Wärmeeinwirkung erfolgen. Die Erhärtung von Beschichtungs- mitteln erfolgt beispielsweise durch die Entstehung vernetzter Makromoleküle während des Trocknungsvorgangs, beispielsweise durch Polymerisation. Um die Erhärtung/Haftung des Beschichtungsmittels zu beschleunigen werden unterschiedliche Nerfahren angewandt.
Herkömmlicherweise wird dem Beschichtungsmittel und dem Substrat, auf das es aufgetragen ist, Wärme konvektiv in einem Umluftofen zugeführt. Für eine rationelle Fertigung werden die beschichteten Substrate kontinuierlich und mit einer geeigneten Geschwindigkeit durch den Umluftofen bewegt. Die Ofentemperatur und die Zeit für das Erhärten hängen von der Art des Beschichtungsmittels und von der Anwärmdauer des zu trocknenden Substrats ab. Bei den herkömmlichen Nerfahren in einem Umluftofen ist es unvermeidlich, daß das gesamte Substrat zusammen mit dem zu härtenden Beschichtungsmittel auf die Temperatur der durch den Umluftofen strömenden Warmluft erwärmt wird. Ein herkömmlicher Prozeß zur Härtung mit Warmluft in einem Umluftofen kann eine Zeit von bis zu einer Stunde beanspruchen. Insbesondere für wärmeempfindliche Substrate, z.B. Folien auf Kunststoff basis ist diese Methode nur begrenzt anwendbar.
Eine Alternative zum herkömmlichen Umluftofen ist das Erhärten/Haften mittels infraroter Strahlung, die häufig auch als Wärmestrahlung bezeichnet wird. Bei der Verwendung von infraroter Strahlung kann die Zeit zum Erhärten eines Beschichtungsmittels wesentlich reduziert werden. Bei Verwendung von infraroter Strahlung stellt die für das Erhärten/Haften der Beschichtungsmittel erforderliche Zeit jedoch immer noch einen den Beschichtungsprozeß limitierenden Parameter dar.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Erzeugen einer Beschichtung auf einem Substrat mit elektromagnetischer Strahlung bereitzustellen, das vergleichsweise schnell zu einem beschichteten Substrat führt.
Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Erzeugen einer funktionalen Beschichtung gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden durch die in den Unteransprüchen angegeben Merkmale ermöglicht.
Somit betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Erzeugen einer Beschichtung auf einem Substrat durch Bestrahlung des Substrats umfassend ein Beschichtungsmittel mit elektromagnetischer Strahlung, deren wesentlicher Wirkanteil im Wellenlängenbereich des nahen Infrarot liegt, wobei die Leistungsdichte der elektromagnetischen Strahlung insbesondere oberhalb von 100 kW/m2, bevorzugt oberhalb von 200 kW/ m und besonders bevorzugt oberhalb von 500 kW/m2 ist.
Vorzugsweise wird mit elektromagnetischer Strahlung, deren Intensitätsmaximum im Wellenlängenbereich von 0,8 μm bis 1,5 μm liegt, bestrahlt. Diese elektroma- gnetische Strahlung ist insbesondere für die Polymerbildung bzw. -Vernetzung hochwirksam.
Dabei ist es, insbesondere wenn die unten präzisierten Zeiten eingehalten werden, mit dem erfindungsgemäßen Verfahren prinzipiell möglich, die funktionale Be- Schichtung verglichen mit herkömmlichen Verfahren besonders rasch und mit geringem Energie- und Kostenaufwand herzustellen.
Da erfindungsgemäß die Strahlungsenergie in erster Linie dazu aufgewandt wird, das Beschichtungsmittel auszuhärten, bleibt das Substrat während des Erhärtens des Bindemittels bei vielen Substraten im wesentlichen kalt.
Das beschichtete Substrat wird vorzugsweise thermisch nur wenig beansprucht, so daß auch das Beschichten wärmesensitiver Substrate möglich wird. Darüber hinaus können auch Substrate im eingebauten Zustand beschichtet werden, in dem thermische Spannungen und andere Effekte einer hochgradigen und länger dau- ernden Erwärmung nur schwer vorhersehbar und kontrollierbar sind.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform dauert die Bestrahlung weniger als 30 Sekunden, insbesondere weniger als 10 Sekunden, bevorzugt weniger als 5 Sekunden besonders bevorzugt weniger als 2 Sekunden und insbesondere weniger als 1 Sekunde. Dabei wird die Bestrahlung vorzugsweise so durchgeführt, daß das Beschichtungsmittel vollständig oder nahezu vollständig aushärtet. Durch die sehr kurzen Bestrahlungsdauern kann eine Energieübertragung durch Wärmeleitung, die im Vergleich zur Energieübertragung durch Strahlung langsam abläuft, an das mit dem Beschichtungsmittel in Kontakt stehende Substrat stark reduziert oder sogar weitgehend vermieden werden.
Das Strahlungsfeld wird in bewährter und kostengünstiger Weise bevorzugt durch mindestens einen Emitter - fallweise durch eine Anordnung mit einer Mehrzahl von Emittern - mit einer Strahlertemperatur oberhalb von 2900°K bevorzugt ober- halb von 3200°K erzeugt. In einer bevorzugten Ausgestaltung wird der Emitter durch einen Röhrenstrahler mit einem sich in einer strahlungsdurchlässigen Röhre, insbesondere in einer Quarzglasröhre erstreckenden Glühfaden gebildet. Vorzugsweise ist der Emitter ein Halogenstrahler.
Die Strahlung dieser Emitter hat vorzugsweise ihren wesentlichen Wirkanteil im Wellenlängenbereich von 0,8 μm bis 1,5 μm. Vorzugsweise wird die Wellenlänge des Intensitätsmaximums des Emitters durch Regelung der Temperatur des Heizelementes im Emitter eingestellt. Besonders bevorzugt ist hierbei die Einstellung der Glühfaden-Temperatur des Emitters. Nachdem diese auf relativ hohe, für Ha- logenstrahler ungewöhnlich hohe Temperaturen eingestellt werden muß, sind vorzugsweise entsprechende Maßnahmen getroffen, um dennoch eine lange Lebens-
dauer der Emitter zu gewährleisten. Insbesondere werden besondere Kühlmaßnahmen im Bereich der Sockel der Halogenstrahler getroffen. Weitere diesbezügliche Details lassen sich den früheren Patentanmeldungen DE-A 100 46 118, DE- A 100 51 904 und DE-A 100 51 903 der Anmelderin entnehmen, deren diesbe- züglicher Inhalt vollumfänglich in den Kontext der vorliegenden Anmeldung einbezogen wird.
Um eine möglichst effiziente Übertragung von Strahlungsenergie an das Beschichtungsmittel zu erreichen, wird das Intensitätsmaximum des Emitters an die Absorptions- bzw. Transmissionseigenschaften des Beschichtungsmittels und des Substrats angepaßt.
Dazu wird gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform die Wellenlänge des Intensitätsmaximums der elektromagnetischen Strahlung so gewählt wird, dass das Beschichtungsmittel die Strahlungsenergie im wesentlichen gleichmäßig über seine gesamte Dicke absorbiert.
Dadurch kann erreicht werden, daß das Beschichtungsmittel gleichmäßig und innerhalb kürzester Zeit unmittelbar durch die Strahlung erwärmt wird. Andererseits wird das Intensitätsmaximum der elektromagnetischen Strahlung bevorzugt so gewählt, daß wenig Strahlung im Substrat absorbiert wird, um eine nutzlose Erwärmung desselben zu vermeiden. Reflexionen an der Grenzfläche zwischen Beschichtungsmittel und Substrat bewirken eine erneute Durchstrahlung des Beschichtungsmittels und erhöhen die Effizienz der Energieübertragung an das Be- schichtungsmittel. Vorzugsweise wird die Oberfläche des Substrats zur gezielten Einstellung ihres Reflexionsvermögens, d.h. zur Erhöhung oder Erniedrigung desselben, vor dem Auftragen des Beschichtungsmittels behandelt. Dies kann beispielsweise durch Glätten oder Aufrauhen der Oberfläche geschehen. Bei einem strahlungsdurchlässigen Substrat kann auch die das Substrat durchdringende elektromagnetische Strahlung erneut genutzt werden. Dazu werden z.B. einer oder mehrere Reflektoren vorgesehen, um die elektromagnetische Strahlung durch das
Substrat und das Beschichtungsmittel zurück zu reflektieren. Dadurch wird die Effizienz des Bestrahlungsvorgangs erhöht. Vorzugsweise wird ein sogenannter kalter Reflektor, d.h. ein Reflektor mit einem besonders hohen Reflexionskoeffizienten verwendet.
Die elektromagnetische Strahlung der Strahlungsquellen wird zweckmäßigerweise auf das zu behandelnde Substrat bzw. die Substratanordnung konzentriert bzw. fokussiert, um im Interesse einer möglichst kurzen Behandlungsdauer und einer geringen thermischen Belastung des Substrats hohe Leistungsdichten zu erzielen. Die Leistungsdichten liegen oberhalb von 100 kW/m2, besser oberhalb von 200 kW/ m und für viele Fälle in vorteilhafter Weise sogar bei 500 kW/m oder mehr. Derartige Leistungsdichten sind durch eine Anordnung aus mehreren zusammenwirkenden, insbesondere parallel zueinander angeordneten, langgestreckten Halogenstrahlern mit zugeordneten hochwirksamen Reflektoren zu erreichen. Weitere diesbezügliche Details lassen sich aus den früheren Patentanmeldungen DE-A 1990 95 42 und DE-A 100 51 905.9 der Anmelderin entnehmen, deren diesbezüglicher Inhalt vollumfänglich in den Kontext der vorliegenden Anmeldung einbezogen wird. Sie ermöglichen Bestrahlungsdauern von weniger als 10s, bevorzugt von weniger als 5 s, und insbesondere für temperaturempfmdliche Substrate von 2s oder weniger. Durch die kurzen Bestrahlungsdauern wird Wärmeleitung im Substrat und somit eine Abführung von Energie an das Substrat im wesentlichen vermieden.
Für viele Anwendungen sind stationäre Anordnungen von Strahlungsquellen rea- lisierbar, durch die beispielsweise Substrate hindurchbewegt werden. Im einfachsten Fall wird das Substrat kontinuierlich mit angemessener Geschwindigkeit an der Strahlungsquelle vorbeibewegt. Häufig werden Substrate getaktet durch die Anordnung bewegt, da das Substrat z.B. zum Auftragen des Beschichtungsmittels angehalten werden muß. Da das Substrat während des Auftragens des Beschich- tungsmittels nicht bewegt wird, davor von einer bestimmten konstanten Geschwindigkeit v auf Null abgebremst wird und nach dem Auftragen des Be-
schichtungsmittels wieder auf die Geschwindigkeit v beschleunigt wird, wird in einer bevorzugten Ausführungsform zur Erzielung einer gleichmäßigen Bestrahlung der gesamten Oberfläche des Substrats die Strahlungsquelle mit einer zur Bewegung des Substrats entgegengesetzten Bewegung bewegt. Dadurch kann eine kontinuierliche relative Bewegung mit einer Geschwindigkeit v zwischen Substrat und der Strahlungsquelle aufrecht erhalten werden. D.h. insbesondere, daß die Strahlungsquelle mit der Geschwindigkeit v bewegt wird, wenn sich das Substrat in Ruhe befindet. Beim Abbremsen und Beschleunigen des Substrats, wird die Strahlungsquelle gerade so beschleunigt bzw. abgebremst, daß die Sum- me der Geschwindigkeiten der Strahlungsquelle und des Substrats eine relative Bewegung mit einer Geschwindigkeit v ergibt. Weitere Einzelheiten sind in der früheren Anmeldung DE-A 100 62 632 der Anmelderin offenbart, deren diesbezüglicher Inhalt hiermit in den Kontext der vorliegenden Anmeldung einbezogen wird. Schließlich können auch Anordnungen verwendet werden, bei welchen zwei bewegbare Strahlungsquellen verwendet werden. Während eine der Strahlungsquellen so bewegt wird, daß eine gleichmäßige Bestrahlung des Substrats erzeugt wird, wird die zweite Strahlungsquelle mit dem Substrat mitgeführt, so daß beispielsweise ein bestimmter Teil der Oberfläche des Substrats mit zusätzlicher Strahlungsleistung beaufschlagt wird. Weitere Einzelheiten diesbezüglich sind in der früheren Anmeldung DE-A 100 62 633 der Anmelderin offenbart, deren diesbezüglicher Inhalt hiermit in den Kontext der vorliegenden Anmeldung einbezogen wird. Auch Anordnungen mit mehr als zwei unabhängig voneinander bewegbaren Strahlungsquellen sind denkbar.
Für bestimmte Einsatzfälle wird das Verfahren mit einer mobilen Bestrahlungsvorrichtung auszuführen sein, die beispielsweise längs einer aus den zu behandelnden Substraten gebildeten Fläche entlang geführt wird. Die Behandlung kleinerer Objekte oder Flächen kann bevorzugt mit einem handgeführten NTR- Strahler erfolgen. Weitere Einzelheiten diesbezüglich sind in der früheren Anmel- dung DE-A 100 51 169 der Anmelderin offenbart, deren diesbezüglicher Inhalt hiermit in den Kontext der vorliegenden Anmeldung einbezogen wird. Für spezi-
elle Beschichtungssysteme kann das Vorsehen eines weiteren Strahlungsfeldes in einem anderen Spektralbereich, insbesondere im Ultraviolett-Bereich zur Förderung der Vernetzung bzw. Aushärtung der Beschichtungsmittel sinnvoll sein.
Hinsichtlich der bei der Qualitätssicherung und Prozeßsicherheit bevorzugten Verfahrensführung wird zumindest ein Prozeßparameter, insbesondere der Abstand zwischen der Bestrahlungsanordnung und der Oberfläche des Substrats oder die Temperatur auf dieser gemessen und dem Bediener der Bestrahlungsanordnung angezeigt, so daß dieser den Abstand bzw. die Temperatur vorgegebenen Werten nachführen und ggf. die elektrische Leistung und damit die Strahlungsleistung der Strahlungsanordnung verändern kann.
Vorzugsweise wird die Nerfahrensführung jedoch vollständig automatisiert durchgeführt.
Eine Vorrichtung zur Realisierung einer gegebenenfalls automatischen Einstellung der Bestrahlungsparameter umfaßt mindestens einen Meßfühler zur Erfassung der relevanten physikalischen Größen, also insbesondere einen oder mehrere photoelektrische Sensoren zur Erfassung der Helligkeit, des Reflektionsvermö- gens oder des Brechungsindex oder anderer optischer Parameter, die Aufschluß über den Trocknungs- bzw. Vernetzungszustand des Beschichtungsmittels geben, bzw. einen berührungslos arbeitenden, insbesondere pyrometrischen Temperaturfühler.
Zur Einstellung der Bestrahlungsparameter ist dieser Sensor bzw. sind diese Sensoren über ihre Auswertungsschaltung insbesondere mit einem Steuereingang bzw. Steuereingängen einer Bestrahlungssteuereinrichtung verbunden. In Abhängigkeit von den erfaßten Meßwerten bzw. einem Ergebnis der Auswertung dieser Meßwerte können die im weiteren Prozeßverlauf einzustellenden Bestrahlungspa- rameter, insbesondere die Leistungsdichte und ggf. auch die spektrale Zusammensetzung der Strahlung optimiert werden. Durch das Vorsehen einer geschlossenen
Regelschleife ist hierbei auch eine automatisch geregelte Betriebsführung realisierbar.
Zumindest für spezielle Anwendungen ist auch eine Kühlung und/oder Abführung von flüchtigen Bestandteilen des Beschichtungsmittels von dem zu beschichtenden Substrat durch einen an diesem entlanggeführten Gasstrom (insbesondere Luftstrom) sinnvoll. Ferner können zu beschichtende Substrate mit geringer Dicke auch von der Rückseite her durch einen Gasstrom gekühlt werden. Für Standardanwendungen ist jedoch mit Blick auf den deutlich geringeren technischen Auf- wand eine Verfahrensführung ohne Fluidkühlung bzw. aktive Abführung von Lösungsmittelkomponenten des Beschichtungsmittels vorzuziehen.
Die Auftragung des Beschichtungsmittels auf die zu beschichtenden Substrate erfolgt in Abhängigkeit von der Beschaffenheit, Anordnung und/oder dem Mate- rial des Substrats, vorzugsweise als paströse Masse oder als homogene Flüssigkeit.
Erfindungsgemäß wird das Beschichtungsmittel immer als fluides System aufgebracht, z.B. als homogene Flüssigkeit, Gel, Suspension, Dispersion oder Emulsi- on, wobei die Viskosität des aufzutragenden Beschichtungsmittels über weite Grenzen variieren kann. Die Auftragung erfolgt mit einem an sich bekannten Auftragsverfahren, insbesondere durch Aufwalzen, Aufstreichen, Aufsprühen, Gießen, Tauchen oder Rakeln.
Je nach Oberflächenbeschaffenheit des Substrats wird eine Vorbehandlung, insbesondere durch Aufrauhen, Anätzen, oder auch Aufbringen eines Haftvermittlers ("primers") zweckmäßig sein. Diese Vorbehandlung dient u.a. der Verbesserung der Haftung zwischen Substrat und Beschichtungsmittel. In einer bevorzugten Ausführungsform wird auf eine derartige Vorbehandlung verzichtet. Dies ist ins- besondere dann möglich, wenn durch die Behandlung mit elektromagnetischer Strahlung eine gewisse Erwärmung der äußersten Oberflächenschicht des Sub-
strats derart erreicht wird, daß sich auch ohne Vorbehandlung eine innige Verbindung mit der benachbarten Grenzschicht des Beschichtungsmittels ausbildet.
Bei den Beschichtungsmitteln handelt es sich um Substanzen, die zumindest teil- weise mit Strahlung härtbar bzw. vernetzbar sind. Beschichtungsmittel gemäß der Erfindung sind typischerweise Systeme, die mindestens einen Zusatzstoff, vorzugsweise einen Zusatzstoff und ein Bindemitttel, wie jeweils nachfolgend ausführlich diskutiert, enthalten. Die Bestrahlungshärtung geschieht bei vielen Beschichtungsmitteln häufig durch Polymerisation des im Beschichtungsmittel ent- haltenen Bindemittels.
Ein Beispiel hierfür ist die optisch über Photoinitiatoren gestartete Polymerisation ypn niederviskosen Beschichtungsmitteln mit Bindemitteln reaktiver Monomere, Oligomere und Präpolymere, beispielsweise die radikalische oder die kationische Polymerisation oder die Vernetzung linearer Polymere mit reaktiven Seitenketten.
Als durch strahlungsinduzierte Prozesse vernetzbare Bindemittel können im erfindungsgemäßen Verfahren alle üblichen strahlenhärtbaren Bindemittel oder deren Mischungen eingesetzt werden, die dem Fachmann bekannt sind. Es handelt sich entweder um durch radikalische Polymerisation vernetzbare oder durch kationische Polymerisation vernetzbare Bindemittel. Bei ersteren entstehen durch Einwirkung von elektromagnetischer Strahlung auf die Bindemittel Radikale, die dann die Vernetzungsreaktion auslösen. Bei den kationisch härtenden Systemen werden durch die Bestrahlung aus Initiatoren Lewis-Säuren gebildet, die dann die Vernetzungsreaktion auslösen.
Bei den Strahlungshärtenden Bindemitteln kann es sich z. B. um Monomere oder Präpolymere, die olefinische Doppelbindungen im Molekül enthalten, handeln. Diese Monomere können durch Homo- oder Copolymerisation verknüpft werden. Demgemäß werden in dem erfindungsgemäßen Verfahren vorzugsweise Monomere ausgewählt aus
Styrolverbindungen der nachfolgend noch näher definierten allgemeinen Formel I,
Ci- bis C20-Alkylestern der Acrylsäure oder Methacrylsäure, Dienen mit konjugierten Doppelbindungen, - ethylenisch ungesättigten Dicarbonsäuren und deren Derivate, ethylenisch ungesättigten Nitrilverbindungen und Präpolymeren aus diesen Monomeren eingesetzt.
Als wenigstens eine olefmische Doppelbindung aufweisende Monomere kommen z.B. insbesondere in Betracht: Olefine wie Ethylen oder Propylen, vinylaromati- sche Monomere wie Styrol, Divinylbenzol, 2-Vmylnaphthalin und 9-Ninylanthracen, substituierte vinylaromatische Monomere wie p-Methylstyrol, α-Mefhylstyrol, o-Chlorstyrol, p-Chlorstyrol, 2,4-Dimethylstyrol,
4-Ninylbiphenyl und Ninyltoluol, Ester aus Vinylalkohol und 1 bis 18 C-Atome aufweisenden Monocarbonsäuren wie Vinylacetat, Vinylpropionat, Vinyl-n-butyrat, Vinyllaurat und Vinylstearat, Ester aus 3 bis 6 C-Atome aufweisenden α,ß-monoethylenisch ungesättigten Mono- und Dicarbonsäuren, wie insbesondere Acrylsäure, Methacrylsäure, Maleinsäure, Fumarsäure und Itaconsäure, mit im allgemeinen 1 bis 20, bevorzugt 1 bis 12, besonders bevorzugt 1 bis 8 und ganz besonders bevorzugt 1 bis 4 C-Atome aufweisenden Alkanolen wie insbesondere Methyl-, Ethyl-, n-Butyl-, iso-Butyl-, tert.-Butyl- und 2-Ethylhexylester der Acrylsäure und Methacrylsäure, Maleinsäuredimethylester oder Maleinsäu- re-n-butylester, Νitrile der vorgenannten α,ß-monoefhylenisch ungesättigten Carbonsäuren wie Acrylnitril und Methacrylnitril sowie C4.8-konjugierte Diene wie 1 ,3 -Butadien und Isopren.
Als Styrolverbindungen kommen insbesondere solche der allgemeinen Formel I in Betracht:
in der R' und R" unabhängig voneinander für H oder - bis C
8-Alkyl und n für 0, 1, 2 oder 3 stehen.
Die Bindemittel können einzeln oder im Gemisch eingesetzt werden. Die strah- lungshärtenden Bindemittel können auch Photoinitiatoren enthalten. Geeignete Photoinitiatoren sind beispielsweise solche, die im Wellenlängenbereich des nahen Infrarot absorbieren. Der Photoinitiator kann mit entsprechend eingestrahltem Licht in einer Weise wechselwirken, daß er dadurch in die Lage versetzt wird, die Vemetzungsreaktion in der Beschichtungsmittelformulierung einzuleiten. Bei- spiele hierfür sind die optisch über Photoinitiatoren gestarteten Polymerisationen von niederviskosen Beschichtungsmitteln reaktiver Monomere, Oligomere und Präpolymere oder die optische Vernetzung linearer Polymere mit reaktiven Seitenketten.
Bei kationisch härtenden Systemen kann es sich beispielsweise um die durch Lewis-Säuren gestartete Polymerisation von Epoxiden oder Vinylmonomeren handeln.
Im Rahmen der Erfindung kann das Bindemittel auch Monomere oder Präpolyme- re enthalten, die vernetzbare funktioneile Gruppen wie beispielsweise Doppelbindungen in der Seitenkette enthalten. Hierbei kann es sich insbesondere um Ester der Acryl- und Methacrylsäure mit ethylenisch ungesättigten C3- bis C20- Alkoholen handeln.
Zusätzlich kann die Vernetzungsreaktion in dem reaktiven Beschichtungsmittel thermisch initiiert sein. Das bedeutet, daß die Vernetzungsreaktion neben der Initiierung durch die elektromagnetische Strahlung auch durch Einstellen einer bestimmten Temperatur initiiert wird.
Die Beschichtungsmittel enthalten entsprechend ihrem Einsatzgebiet entsprechende Zusatzstoffe wie Polymere, insbesondere Vernetzer, Katalysatoren für die Ver-
netzung, Initiatoren, insbesondere Pigmente, Farbstoffe, Füllstoffe, Verstärkerfüllstoffe, Rheologiehilfsmittel, Netz- und Dispergiermittel, Haftvermittler, Additive zur Verbesserung der Untergrundbenetzung, Additive zur Verbesserung der Oberflächenglätte, Mattierungsmittel, Verlaufmittel, filmbildende Hilfsmittel, Trockenstoffe, Hautverhinderungsmittel, Lichtschutzmittel, Korrisionsinhibitoren, Biozide, Flammschutzmittel, Polymerisationsinhibitoren, insbesondere Photoinhibitoren oder Weichmacher, wie sie beispielsweise auf dem Beschichtungssektor üblich und bekannt sind. Die Auswahl der Zusatzstoffe richtet sich nach dem gewünschten Eigenschaftsprofil des Beschichtungsmittels und dessen Verwen- dungszweck.
Die Beschichtungsmittel enthalten neben dem Bindemittel und etwaigen Zusatzstoffen spezielle Stoffe, die der Erzeugung eines oder mehrerer gewünschter Wirkungen der Beschichtung dienen. Bei einer Ausführungsform der Erfindung han- delt es sich beispielsweise um einen optischen Effekt innerhalb der Beschichtung, der durch eine Wechselwirkung der Beschichtung mit elektromagnetischer Strahlung erzeugt wird. Derartige Effekte können beispielsweise die Polarisation von Strahlung beim Durchgang durch eine Beschichtung sein. Mit derartigen polarisierenden Beschichtungen kann unter anderem aus unpolarisierter Strahlung pola- risierte Strahlung isoliert werden. Derartige Beschichtungen sind beispielsweise auf Verglasungen von Gebäuden, Fahrzeugen, Helmen oder optischen Einrichtungen und optischen Gebrauchsgegenständen sinnvoll.
Auch sind strahlungsfilternde Beschichtungen denkbar, mit welchen die spektrale Energieverteilung einer durch eine Beschichtung hindurch gehenden Strahlung verändert werden kann. Eine als Farbfilter ausgebildete Beschichtung kann beispielsweise für eine selektive oder eine breitbandige Absorption von Licht vorgesehen werden. Eine weitere Anwendungsmöglichkeit stellt das Aufbringen eines Wärmeschutzfilters auf ein geeignetes Substrat dar.
Non besonderem Interesse sind ferner sogenannte optisch aktive Beschichtungen. Optisch aktive Verbindungen drehen die Polarisationsebene von einfallendem linear polarisierten Licht. Dieser Effekt wird in großem Umfang bei Flüssigkristallanzeigen (LCDs) benutzt.
Eine weitere Anwendungsmöglichkeit, bei der die elektromagnetische Strahlung bzw. Licht in die Beschichtung eindringt und dadurch ein optischer Effekt beim Beobachter hervorgerufen wird, ist beispielsweise eine Beschichtung mit holographischer Wirkung. Von besonderer Aktualität sind thermotrope Beschichtungen. Diese lassen bei niedrigen Temperaturen Sonnenlicht und damit Wärme hindurch, schalten aber bei höheren Temperaturen selbsttätig auf Reflexion. Diese neuartigen Beschichtungen können Gebäude oder Fahrzeuginnenräume vor Überhitzung und solarthermische Anlagen vor Zerstörung schützen. Im reflektierenden Zustand erscheinen sie diffus weiß und eignen sich deshalb als Verglasung für Dä- eher oder zur indirekten Erhellung von Räumen mit Tageslicht. Nicht zuletzt dekorative Effekte können durch Beschichtungen erzielt werden.
Die Beschichtungen können auch Färb-, oder Lackschichten sein. Dafür können die Beschichtungsmittel keramische Farben enthalten, wie beispielsweise Titandi- oxid, Ruß oder Buntpigmente wie Bleichromat, Mennige, Zinkgelb, Zinkgrün, Cadmiumrot, Cobaltblau, Berliner Blau, Ultramarin, Manganviolett, Cadmium- gelb, Molybdatorange und -rot, Chromorange und -rot, Eisenoxidrot, Chromdioxidgrün und Strontiumgelb.
Auch organische Farben, beispielsweise natürlich vorkommende Pigmente wie Sepia, Indigo, Chlorophyll, oder insbesondere synthetische Pigmente wie beispielsweise Azo-Pigmente, Indigoide, Dioxazin-, Chinacridon-, Phthalocyanin-, Isoindolidon-, Perylen- und Perinon-, Metallkomplex- und Alkaliblau-Pigmente können Bestandteile der Beschichtungsmittel darstellen.
Ebenso kann die erfindungsgemäße Beschichtung Leuchtpigmente zur Erzeugung eines Metalleffekts enthalten. Verwendbar sind insbesondere Metall-Plättchen, vorzugsweise Aluminium-Plättchen, die über ihr Reflexionsverhalten einen besonderen optischen Effekt geben. Weitere Metall-Plättchen sind beispielsweise solche auf Basis von Gold-Bronzen, Kupfer-Zink-Legierungen, Nickel, rostfreiem Stahl und Glimmer.
Die Beschichtungen können außerdem Leuchtpigmente zur Erzeugung von Me- tamerieeffekten enthalten. Hier können beispielsweise Pigmente zur Erzeugung von Perlglanz eingesetzt werden. Im einzelnen sind zu nennen Bismutoxidchlorid, Titandioxid-Glimmer und Bleicarbonat.
Als Interferenz-Pigmente zum Wärmeschutz können die Beschichtungsmittel Pigmente mit hohem Reflexionsvermögen für IR-Strahlung enthalten, insbesonde- re Bleicarbonat und Titandioxid-Glimmer. Durch destruktive Interferenz kommt es zur Auslöschung wesentlicher Strahlungsanteile, wodurch ein Wärmeschutz erzielt wird.
Die Beschichtungen können im Rahmen der Erfindung auch Pigmente zum Kor- rosionsschutz enthalten. Vorzugsweise werden Blei(II)orthoplurnbat, Chromat- Pigmente, Phosphat-Pigmente, Zinkstaub oder Bleistaub verwendet.
Darüber hinaus können die erfindungsgemäßen Beschichtungen magnetische Pigmente wie Reineisen, Eisenoxid oder Chrom(ιV)oxid enthalten.
Andererseits ist mit dem erfindungsgemäßen Nerfahren auch beabsichtigt, Beschichtungen auf Substrate aufzubringen, die einen Oberflächeneffekt, entweder alleine oder zusammen mit einem wie oben beschriebenen Effekt aufweisen und z.B. die Substrate vor äußeren Einflüssen schützen. Bei derartigen Beschichtun- gen wird deren Wirkung durch die Oberfläche bzw. die Oberflächenstruktur der Beschichtung bewirkt.
Im öffentlichen Bereich besteht die Notwendigkeit beispielsweise Wandverkleidungen von Gebäudefassaden oder Innenraum-Wandflächen, Unterführungen, im Sanitärbereich oder als Wandbeläge unempfindlicher gegen Verschmutzungen und Schmierereien ("Graffiti") zu machen. Um dies zu erreichen, ist es häufig sinnvoll diese Substrate mit wasser-, schmutz-, fettabweisenden Beschichtungen zu versehen.
Auch die Beschichtung von Oberflächen von Bauelementen, welche die Außen- haut von Gebäuden, Fahrzeugen, Flugzeugen, Schiffen oder auch Maschinen und Anlagen bilden, dient in vielen Fällen primär dem Zweck, die entsprechenden Teile relativ unempfindlich gegen Umgebungseinflüsse zu machen. Insbesondere kann die korrodierende Wirkung von sich an den Oberflächen niederschlagender Flüssigkeit und von Luftverschmutzungen durch geeignete Beschichtungen unter- bunden oder zumindest reduziert werden.
Weitere Anwendungsmöglichkeiten sind ferner Beschichtungen mit einer speziellen Mikrostruktur, durch die auch für Chrom- oder Emailleüberzüge oder ähnliche Beschichtungen ungeeignete Oberflächen beispielsweise die Oberflächen ke- ramischer Bauteile, von Ziegeln oder Dachziegeln oder Putzflächen in hohem Maße Flüssigkeits- und ablagerungsabweisend gemacht werden können. Im Hinblick auf diesen als "Lotus-Effekt" bezeichneten Effekt derartiger Beschichtungen spricht man hier auch von "Lotus-Effekt Beschichtungen". Grundlage des Lotus- Effektes sind extrem aufgerauhte, hydrophobe Oberflächen, an denen Wasser und Partikel praktisch nicht haften. Bei entsprechenden Beschichtungen handelt es sich im wesentlichen um thermisch vernetzende polymere Systeme, die zur Vernetzung bzw. Aushärtung einer Wärmebehandlung von normalerweise oberhalb von 200°C unterzogen werden müssen.
Weitere wichtige mit dem erfmdungsgemäßen Verfahren produzierbare Beschichtungen sind antikorrosive, Antioxidations- und sonstige Schutzbeschichtun-
gen, die beispielsweise bei elektronischen Bauteilen und bei optischen Geräten benötigt werden.
Z.B. bei der industriellen Chlorgasproduktion werden elektrochemische Mem- branzellen eingesetzt, deren Elektrodenoberflächen und/oder Teile der Elektrode, wie z.B. der Rahmen in den die Elektrode eingehängt ist, teilweise mit einer antikorrosiven Beschichtung versehen werden müssen. Derartige beispielsweise aus Titan hergestellte Elektroden(teile) weisen eine rechteckige Form auf und eine im Verhältnis zu ihrer Fläche geringe Dicke.
Auf die bei der Elektrolyse während der Chlorgasproduktion für Korrosion besonders anfälligen Rahmen (Kanten und Ränder) der Elektroden wird entlang ihres Umfangs eine funktionale Beschichtung aufgebracht, die ein Metall aufweist, das edler ist, als das Metall des Substrats, d.h. des Rahmens (Kanten und Ränder) und/oder der gesamten Elektrode.
Werden lediglich die Rahmen für die Elektroden beschichtet, die aus vier parallel zu den Kanten der Elektrodenoberfläche verlaufenden Profilen bestehen, wird vorzugsweise ein linienformiger NIR-Strahler verwendet. Nach dem Aufbringen des Beschichtungsmittels in Form einer Metallionen enthaltenden Lösung, wird dieses vorzugsweise mit einem linienförmigen NIR-Strahler getrocknet in für NIR-Bestrahlungen üblichen kurzen Zeitdauern von wenigen Sekunden. Dazu wird der linienförmige NIR-Strahler parallel zu den Streifen aus aufgetragenem Beschichtungsmittel bewegt. Für eine besonders kurze Bestrahlungsdauer kann es zweckmäßig sein, zwei oder mehr NIR-Strahler gleichzeitig einzusetzen.
Die Bewegung der NIR-Strahler wird vorzugsweise programmgesteuert durchgeführt, wobei Parameter wie die Koordinaten der Bestrahlungszonen, die Bestrahlungsdauer, die Bewegungsgeschwindigkeit des bzw. der Emitter, die Solltempe- ratur des Beschichtungsmaterials während der Bestrahlung, die Glühtemperatur des Emitters, die Breite der Bestrahlungszone, die Bestrahlungsleistung etc. vor
der Bearbeitung in eine Steuereinrichtung eingegeben werden können. Bestimmte, für eine prozeßtechnisch optimierte Durchführung des Verfahrens wichtige Größen, wie z.B. die Temperatur des Beschichtungsmittels usw. werden vorzugsweise kontinuierlich (z.B. mit einem pyrometrischen Temperaturfühler) gemessen und an die Steuereinrichtung zurückgeführt, wo sie für manuelle Eingriffe in den Verfahrensablauf dargestellt werden oder automatisch mit den gespeicherten Sollwerten verglichen, so daß eine rückgekoppelte Regelung der Betriebsparameter möglich ist.
Wird demgegenüber die gesamte Elektrodenfläche mit einer korrosionsinhibie- renden Beschichtung versehen und anschließend getrocknet, werden an Stelle der vorstehend diskutierten linienförmigen Strahler Flächenstrahler eingesetzt, wie sie in der bereits vorstehend zitierten Patentanmeldung DE-A 100 51 903 ausführlich beschrieben sind. Weitere Details diesbezüglich sind in den früheren Anmeldun- gen DE-A 100 51 641 und DE-A 199 09 542 der Anmelderin beschrieben, deren diesbezüglicher Inhalt hiermit vollumfänglich in den Kontext der vorliegenden Anmeldung einbezogen wird.
Bezüglich der Verfahrensoptimierung dieser Ausführungsform gilt das vorstehend bezüglich der Linienstrahler gesagte.
Weitere Anwendungen für Beschichtungen sind das Erzeugen einer wärme-, bzw. kälteisolierenden Schicht, einer magnetisierbaren Schicht, wie z.B. eines Magnetbandes eines Datenträgers, das Erzeugen eines Displays, wie beispielsweise eines Plasmadisplays, einer elektoptischen, Anzeige wie beispielsweise einer Vakuumfluoreszenzanzeige, einer LED, OLED, von Biosensoren und semipermeablen Schichten.
In der Halbleiterindustrie kann das erfindungsgemäße Verfahren dazu verwendet werden, elektrisch leitende oder sonstige Nano-Beschichtungen auf Halbleiter- Substrate aufzubringen.
Weitere typische Anwendungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Beschichtungen von Scheiben von Gebäude- oder auch Automobilverglasungen, Visieren von Funktions- und Brillengläsern sowohl aus Kunststoff als auch aus Glas. Weitere Beispiele für Substrate sind Boden- und Wandfliesen, Dachziegel, sonstige Bodenbeläge auf Keramik, Ton aber auch keramische Bauteile, Halbleiter-Substrate wie z. B. Solarzellen aus Silizium oder auch Textilien, Leder oder Metalle.
Der Einsatz von Beschichtungssystemen war bislang auf die Herstellung neuer Substrate beschränkt, in die das Aufbringen und die Aushärtung der Beschichtungen von vornherein einbezogen wird.
Gemäß einer weiteren praktisch bedeutsamen Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei dem Substrat um ein montiertes Bauteil. Dies kann ein in eine Gebäudekonstruktion fest eingefügtes keramisches Bauteil, insbesondere eine Wand- oder Bodenfliese sein. Zu diesem Anwendungsgebiet zählen auch Bauelemente aus gebranntem Ton, insbesondere in deren Einsatz als Bodenbelagsoder Wandverkleidungselemente, aber auch als Dachziegel.
Ein Abbruch der aus unbehandelten Bauteilen hergestellten Oberflächen ist in all diesen Anwendungsfeldern meist wirtschaftlich unvertretbar, die bei unbehandelten Bauteilen nötigen häufigen Reinigungsarbeiten stellen aber für die Eigentümer ebenfalls eine hohe wirtschaftliche Belastung dar. Aufgrund der geringen thermi- sehen Belastung für das Bauteil während der Erzeugung der Beschichtung kann das erfindungsgemäße Verfahren ohne die Gefahr einer Beschädigung des Substrats angewandet werden.
Dies gilt in ähnlicher Weise auch für Verglasungen von Gebäuden oder Fahrzeu- gen und nicht keramische Konstruktionselemente von Wand- bzw. Deckenaufbauten oder Fahrzeug-Außenhüllen. In diesem Zusammenhang ist insbesondere
an den nachträglichen Schutz der Aufbauten und Verglasung von öffentlichen Verkehrsmitteln in den Großstädten vor schneller Verschmutzung und Schmierereien, aber auch an gebrauchswerterhöhende Beschichtungen an Flugzeug- oder Schiffsaußenhäuten zu denken.
Wand- bzw. Deckenverkleidungen oder Bodenbeläge aus Kunststoff oder Holz, die sich von aggressiven Verschmutzungen oder Sprühlacken nur sehr schwer und oftmals überhaupt nicht reinigen lassen, werden durch eine mit dem vorgeschlagenen Verfahren vor Ort aufgebrachte Beschichtung weitgehend unempfindlich gegen derartige Ablagerungen und behalten im normalen Einsatz wesentlich länger ein angenehmes Erscheinungsbild. Speziell bei solchen temperaturempfindlichen Substraten kommt zudem die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erreichte geringe thermische Belastung des Trägers höchst vorteilhaft zur Geltung.
Dies gilt in ähnlicher Weise für Sitzbezüge aus Kunststoff, Leder oder lederartigem Material (oder - unter bestimmten Voraussetzungen - auch für textile Sitzbezüge), die im öffentlichen Bereich oder öffentlichen Verkehrsmitteln bevorzugtes Objekt von Schmierereien sind. Derartige Sitzbezüge sind thermisch relativ empfindlich, so daß ein Aufbringen thermisch vernetzender Beschichtungen beim Ein- satz herkömmlicher Vernetzungsverfahren praktisch ausschiede, zum anderen sind sie aber ohne zusätzlichen Schutz von einmal aufgebrachten Lacken nur noch schwer zu reinigen.
Eine zur Durchführung dieses Verfahrens geeignete Vorrichtung weist zumindest einen Emitter zur Abgabe von Strahlung mit wesentlichem Wirkanteil im Wellenlängenbereich des nahen Infrarot, zumindest eine Einrichtung zum kontinuierlichen oder getakteten Vorbeifuhren eines Substrats mit einem Beschichtungsmittel an dem Emitter und eine Regelungseinrichtung zum Einstellen von Bestrahlungsparametern auf. Ferner weist die Vorrichtung bevorzugt einen Emitter auf, dessen Leistungsdichte oberhalb von 100 kW/m2, insbesondere oberhalb von 200 kW/m2 und bevorzugt oberhalb von 500 kW/m2 liegt. Die Strahlertemperatur
des Emitters liegt bevorzugt oberhalb von 2900°K und besonders bevorzugt sogar oberhalb von 3200°K.
Des weiteren können für die Vorrichtung ein oder mehrere Reflektoren vorgese- hen sein, um Strahlung auf das Substrat mit dem Beschichtungsmittel zu reflektieren. Auch ist es für bestimmte Anwendungen vorteilhaft zusätzlich einen oder mehrere Reflektoren der Vorrichtung so anzuordnen, dass das Substrat durchdringende Strahlung zum Substrat zurückreflektiert wird. Durch die Reflektoren wird der Wirkungsgrad der Strahlung erhöht, da noch nicht absorbierte Strahlung wie- der auf das B eschichtungsmittel zurückreflektiert wird.
Für bestimmte Anwendungen ist es sinnvoll die Vorrichtung mit einem beweglich angeordneten linienfÖrmigen Strahler zur Emission elektromagnetischer Strahlung auszustatten. Für die Bestrahlung von Flächen können zur Bildung von Strahlungsmodulen eine Mehrzahl von linienfÖrmigen Strahlern in Kombination mit einem oder mehreren Reflektoren nebeneinander angeordnet sind, wobei die Längsachsen der Strahler parallel zueinander verlaufen.
Insbesondere zur Herstellung korrosionsinhibierender Beschichtungen für Elek- troden kann die Vorrichtung mit einer x-y-Steuerung für den bzw. die linienfÖrmigen Emitter ausgestattet sein. Die zu beschichtenden Elektroden werden bei dieser speziellen Vorrichtung auf einem geeigneten Tisch an einer relativ zur Bewegungseinrichtung des Emitters exakt vorbestimmten Position angeordnet. Die linienfÖrmigen Emitter sind mit Reflektoren versehen, die dazu geeignet sind, die von den Emittern abgegebene Strahlung auf die Elektroden und das Beschichtungsmittel zu fokussieren. Dazu sind die Reflektoren so konstruiert und im Verhältnis zu den Emittern jeweils so angeordnet, dass die Strahlung auf den Elektroden bzw. dem Beschichtungsmittel in Form einer Linie auftrifft. Durch die fokus- sierende Wirkung der Reflektoren kann die Breite der Bestrahlungslinie bzw. - zone durch Variieren des Abstandes verändert werden. Um einen Emitter für zueinander senkrechte Bestrahlungszonen einzusetzen, ist vorzugsweise zusätzlich ein
Mechanismus vorgesehen, der es ermöglicht, den Emitter in einer zur Fläche der Elektrode parallel orientierten Ebene zu schwenken. Für bestimmte Anwendungen ist es darüber hinaus zweckmäßig den linienfÖrmigen Emitter mit einem Mechanismus auszustatten, der das Schwenken um eine parallel zu dessen Längsachse verlaufende Achse ermöglicht. Dadurch kann das auf dem Elektrode aufgebrachte Beschichtungsmittel anstelle von der üblicherweise senkrechten Bestrahlung unter einem bestimmten von 90° verschiedenen Winkel bestrahlt werden, bzw. ist es möglich die Kanten der Elektrode seitlich zu bestrahlen.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die zuvor beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern erstreckt sich auch auf andere mögliche Anwendungs- möglichkeiten des Verfahrens im Rahmen der Fähigkeiten eines Fachmanns.