WO2020169454A1 - Wear-protection layer and method for producing same - Google Patents

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WO2020169454A1
WO2020169454A1 PCT/EP2020/053813 EP2020053813W WO2020169454A1 WO 2020169454 A1 WO2020169454 A1 WO 2020169454A1 EP 2020053813 W EP2020053813 W EP 2020053813W WO 2020169454 A1 WO2020169454 A1 WO 2020169454A1
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WO
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protection layer
wear protection
polyorganosiloxane
chain
network
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PCT/EP2020/053813
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Gunter Risse
Helfried Haufe
Klaus Krüger
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Gesellschaft Zur Förderung Von Medizin-, Bio- Und Umwelttechnologien E.V:
Rapidobject GmbH
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Definitions

  • the invention relates to the field of materials engineering and relates to a wear protection layer such as that used, for example, to improve the surface quality and wear resistance of surfaces produced by means of 3D printing, to improve the wear resistance of polymer films and other abrasive polymer surfaces and to improve the cleanability of these surfaces can be applied.
  • the wear protection layer according to the invention can be used, for example, as a corrosion protection layer with increased mechanical wear stability and as a cover layer to improve the mechanical resistance of existing corrosion protection layers.
  • Another application of the wear protection layer according to the invention relates to coated components that were produced by means of additive processes, such as fused layer modeling (FLM).
  • FLM fused layer modeling
  • the present invention also relates to a method for producing the wear protection layer.
  • Wear protection layers are often required for surfaces and are produced in different ways.
  • material-removing processes such as grinding and tumbling, or material application processes, such as filling and painting or processes using solvents or solvent vapors, in which surface structures are leveled by dissolving, are currently used, used.
  • the highly viscous primer also called filler, specially selected for 3D printing components, seals the open-pored surface structure of the components.
  • Epoxy resins for example, are used as filler material.
  • a PUR basecoat is applied (https://www.rapidobject.com/de/doven/Finishing/Oberflaechenveredelung-fuer- 3D-Druck-Modelle / Lack ist-von-3D-Druck-Bautmaschine_1306.html ).
  • the materials currently in use for leveling surfaces by material-applying processes are materials based on organic polymers which have a comparatively low mechanical wear resistance.
  • Foil-based thin-film solar modules open up new areas for use to generate energy by means of photovoltaics, as they can be adapted to unevenly shaped surfaces and only have a fraction of the specific weight of conventional solar modules.
  • DE 202005021689 U1 describes a hydrophilizing coating with increased mechanical and thermal resistance, which can be used to increase the scratch resistance of surfaces, which is designed as a sol-gel coating and is based on nanoscale sol particles with a polymeric inorganic-oxidic basic structure.
  • the coating contains polyether-modified oligo- or polysiloxanes as an additive added to the sol / gel system.
  • Flybrid materials are already known which consist of inorganic and organic materials. These are hybrid polymer materials that are manufactured in a 2-stage process. In this process, an inorganic network is first built up through flydrolysis and condensation of organically modified Si-alkoxides (organically modified alkoxysilanes). This is an organically modified Si0 2 network. Polymerizable organic groups fixed on the inorganic network are then crosslinked with one another. Organically modified Si alkoxides can also be used, the organic groups of which do not contribute to crosslinking reactions
  • a layer made of a pure Si0 2 network is comparable in its mechanical behavior to a glass layer. It has a comparatively great hardness and at the same time great brittleness.
  • the layer materials produced from organically modified Si alkoxides have a higher flexibility due to the organic content compared to a pure Si0 2 network. This enables the production of thicker layers.
  • ORMOCER ® coatings can have a beneficial effect on the surface properties of many substrates (polymers, ceramics, glass, metal, paper, wood). In addition to increasing the mechanical and chemical resistance of the substrates, various additional functions can be generated on the surface.
  • organically modified alkoxysilanes to build up inorganic organic copolymers according to the prior art has the result that at least one organic group is bound to each Si atom of the network formed.
  • the resulting network is structurally very different from a pure inorganic Si0 2 network, since there are a large number of them of organic groups.
  • the organic groups are present in such a network in a highly dispersed distribution, so that the Si-O-Si chains of the network are frequently interrupted by organic groups. This means that the hardness of such an organic-inorganic composite material is significantly lower than the hardness of a pure SiC network.
  • hybrid polymers described above in which nanometer-sized organic and inorganic oligomer units are bonded to one another, belong to the nanomaterials or nanocomposites.
  • the nano-scale is achieved in particular in that the direct contact between the inorganic nanoparticles is interrupted through the use of organic oligomer units.
  • Oligomers are polymers with a relatively low molar mass that are built up from just a few (identical) basic building blocks. Most oligomer molecules have between 3 and 20 basic building blocks.
  • EP 1 672 042 A1 also discloses a non-stick layer made of crosslinked nanoparticles.
  • This non-stick layer made of cross-linked inorganic nanoparticles and additives made of polyorganosiloxanes has a three-dimensional network of polyorganosiloxanes.
  • Such a network is produced according to a sol-gel process, in which an inorganic nanosol is first produced by hydrolysis, an alkoxysilane and partial condensation, followed by the modification of the nanosol by adding polyorganosiloxanes, which have functional groups that enable crosslinking reactions and crosslinking-promoting additives is, and the modified nanosol is applied to a surface and then a three-dimensional network of inorganic nanoparticles and a three-dimensional network of Polyorganosiloxanes formed by a heat treatment, whereby both networks penetrate each other.
  • hydrophilic organically modified siloxane which is used in textile auxiliaries to improve water wetting.
  • This product is water-soluble and the polysiloxane chain is modified with two polyethers of different molar mass, both of which have the same mass content of approx. 40% ethylene oxide and approx. 60% propylene oxide (Tegopren ® 5863).
  • DE 202005021689 U1 describes a hydrophilizing coating that is designed as a sol-gel coating and is based on nanoscale sol particles with a polymeric, inorganic-oxidic basic structure.
  • the coating can contain various polyether-modified oligo- or polysiloxanes as an additive added to the sol / gel system.
  • a disadvantage of the solutions of the known prior art is that no coatings can be produced on surfaces with a sufficiently high wear resistance.
  • the object of the present invention is to specify a wear protection layer which has a high to very high wear resistance and in which the adhesion of substances is reduced, and a simple and inexpensive method for its production.
  • the wear protection layer according to the invention contains at least one S1O2 network which is present in the form of at least two domains and which Dimensions of the individual domains exceed the nanoscale in all spatial directions, and furthermore contains long-chain polyorganosiloxanes each with more than 50 repeating units in the Si-O-Si basic structure of the polyorganosiloxane, which have organic side chains attached at least in a comb-like manner to the Si-O-Si main chain, and wherein only the SiC network is present in the domains and the long-chain polyorganosiloxanes are at least partially arranged between the domains, and at least some of the organic side chains of the long-chain polyorganosiloxanes are chemically covalently coupled to the SiC network.
  • the smallest dimension of the SiC network is advantageously more than 100 nm.
  • the SiC network produced from a silica sol by crosslinking linearly shaped SiC particles of a silica sol by means of condensation using a sol-gel process is also advantageously built up from SiC particles.
  • the proportion of organic side chains in the polyorganosiloxane is from 40 to 60% by mass.
  • alcoholic or phenolic hydroxyl groups present on the organic side chains of the long-chain polyorganosiloxanes by condensation reactions with silanolic hydroxyl groups of the domains of the SiCte network are at least partially converted into ether groups.
  • a silica sol is used for the preparation of which a water to tetraethoxysilane ratio in the range from 1: 1 to 1: 2 was used.
  • glycol ethers such as ethylene glycol monomethyl ether, ethylene glycol dimethyl ether and ethylene glycol monoethyl ether or mixtures of different solvents are used as solvents.
  • the starting materials are mixed at room temperature or at temperatures below the decomposition or reaction temperatures of the starting materials and using a mixer or stirrer or by means of ultrasound.
  • the layer is dried at temperatures of up to 120 ° C. and within 2 hours up to several days.
  • the wear protection layer according to the invention which contains at least one SiC network.
  • An SiC network is advantageously present, which consists of a silica sol according to a sol-gel process through the crosslinking of SiC particles of a silica sol by means of condensation.
  • a SiCte network produced in this way is made up of S1O2 particles which, as starting materials for the production process of the wear protection layer according to the invention, had a linear shape.
  • At least two domains of the SiC network have been produced from the advantageously linearly shaped SiC nanoparticles by crosslinking by means of condensation.
  • the originally nanoscale S1O2 particles are connected to form larger (above nanoscale) domains of an SiC network made of interconnected Si0 2 particles.
  • the sol-gel process for silicon alkoxides can be described by the reaction steps hydrolysis and condensation, some of which take place simultaneously and in competition.
  • the hydrolysis sensitivity of the alkoxysilanes leads to the hydrolytic cleavage of the Si-OR bond of this alkoxy compound when tetraethoxysilane (TEOS) is converted in an acidic or basic medium.
  • TEOS tetraethoxysilane
  • the hydrolytically formed silanoies are unstable, and in the subsequent condensation reactions
  • the condensation is the rate-determining step.
  • Monomers and smaller oligomers with reactive silanol groups lie side by side. Since the acid-catalyzed condensation takes place preferably between monomers and the ends of weakly branched oligomers, the addition of stoichiometric amounts of water results in widely extended linear polymers (M.Buckley, M.Grennblatt, J. Chem. Education 1994, 71, 599-602).
  • the SiC network is present in the wear protection layer in the form of at least two domains.
  • domains of the SiC network in the wear protection layer are to be understood to mean areas with a uniform structure, that is to say exclusively as a three-dimensional SiC network with a similar material composition.
  • the dimensions of the individual domains should exceed the nanoscale in all spatial directions.
  • dimensions up to 100 nm should be defined under nanoscale, so that the wear protection layer according to the invention in any case only has domains with dimensions in all spatial directions above 100 nm.
  • the wear protection layer according to the invention also contains at least long-chain polyorganosiloxanes each with more than 50 repeating units in the Si-O-Si basic structure of the polyorganosiloxane.
  • More than 100 repeating units in the siloxane chain are advantageous. More than 300 repeating units in the siloxane chain are particularly advantageous.
  • Such long-chain polyorganosiloxanes can be polyether-modified polyorganosiloxanes, such as the products BYK 333 (BYK Additives & Instruments), Tego Glide 410, TEGO Glide 450 (Evonik Industries), dimethylsiloxane (60% propylene oxide- 40% ethylene oxide) block copolymer AB 114269 (ABCR)) .
  • the long-chain polyorganosiloxanes are located between the domains of the SiC network on the surface of the domains.
  • the long-chain polyorganosiloxanes are arranged between the domains of the Si0 2 network of the wear protection layer according to the invention, which have a uniform structure and similar material composition.
  • the long-chain polyorganosiloxanes present according to the invention have organic side chains bonded to the Si-O-Si main chain in a comb-like manner.
  • the polyorganosiloxanes are also found in bound form on the surface of the wear protection layer according to the invention.
  • the structure of the wear protection layer according to the invention results in mutual mechanical support of the domains of the SiC network. This in turn results in a special hardness of the wear protection layer.
  • Covalent bonds between the polyorganosiloxanes and the domains of the Si0 2 network create a firm cohesion of the overall structure.
  • the flexibility of the polyorganosiloxanes brings about the reduction of tensions and thus a reduced material brittleness compared to a pure SiC layer.
  • the properties of the layer according to the invention can be varied and adjusted via the ratio of the mass fraction of the S1O2 to the mass fraction of the long-chain polyorganosiloxanes. This relates both to the mechanical properties and to the surface energy of the layer according to the invention.
  • a small proportion of the polyorganosiloxane reduces the wear resistance due to internal stresses and brittleness, and on the other hand a high proportion of the polyorganosiloxane reduces the hardness of the wear protection layer.
  • the surface energy of the wear protection layer according to the invention is also dependent on the ratio of the mass fraction of the Si0 2 network to the mass fraction of the long-chain polyorganosiloxanes. It was found that the wear protection layer according to the invention with increased wear resistance also has a surface energy that is reduced compared to a pure SiO 2 layer. In the area of the ratio of the mass fraction of the S1O2 network to the mass fraction of the long-chain polyorganosiloxanes, in which a particularly high wear resistance is obtained, there is also a special one low surface energy. There is obviously a material-specific relationship between these two layer properties. This enables the wear protection layer according to the invention to be used simultaneously for dirt-repellent surfaces.
  • Such layers with an increased polyorganosiloxane content do not have the maximum wear resistance that can in principle be achieved with the wear protection layer according to the invention, but tend to a lesser extent to crack formation during curing when the layer is thick.
  • the use of layers of this type is advantageous for certain applications, since they have greater wear resistance compared to layers of comparable thickness which can be realized according to the prior art
  • the invention occurs through the formation of chemical compounds (condensation) between Flydroxyl phenomenon of the Si0 2 network and Hydroxyl groups of the organic side chains of the long-chain polyorganosiloxanes to reduce the number of hydrophilic centers, so that the influence of the hydrophobic polyorganosiloxane component is greater.
  • This results in the hydrophobicity and the low surface energy of the wear protection layer according to the invention.
  • Alcoholic or phenolic hydroxyl groups are present on the organic side chains of the long-chain organosiloxanes.
  • hydrophobic layers according to the invention can also advantageously have additives and auxiliaries known per se.
  • a hydroxymethyl polyorganosiloxane is advantageously used as the hydroxyalkyl polyorganosiloxane.
  • a hydroxymethyl polyorganosiloxane with lateral methyl groups is particularly advantageous.
  • a glycerol-modified polyorganosiloxane the production of which is disclosed, for example, in US 2005/0261133, can advantageously be used as the polyol-modified polyorganosiloxane.
  • linearly shaped SiC nanoparticles are advantageously used as a constituent of a silica sol whose solvent phase is particularly well compatible with the polyorganosiloxane used.
  • a solvent can be, for example, tetrahydrofuran, methoxyethanol, methoxypropanol or dioxane.
  • the solids content (mass fraction of the nanoparticles) in the silica sol used is advantageously in the range from 5 to 25%.
  • the solvent should not only be usable in the coating material for depositing the wear protection layer according to the invention, but should also be compatible with all components of the coating material.
  • glycol ethers such as ethylene glycol monomethyl ether, ethylene glycol dimethyl ether and ethylene glycol monoethyl ether or mixtures of different solvents meet this requirement.
  • the mixing of the starting materials is advantageously carried out at room temperature or at temperatures below the decomposition or reaction temperatures of the starting materials and can be carried out using a mixer or stirrer or by means of ultrasound.
  • the starting materials After the starting materials have been mixed, they are applied according to the invention to the surface to be protected from wear and the solvent is removed, for example evaporated.
  • a so-called “green layer” is created which still contains a proportion of solvent.
  • pores remain, which can result in a reduced density of the resulting wear protection layer.
  • a reduced density is associated with a reduction in the mechanical strength of the wear protection layer that is created.
  • a common method for densifying the layer-forming material in the deposition of layers based on Si0 2 networks according to the prior art is to carry out a thermally activated sintering process. Such layer compaction by thermally activated sintering cannot be carried out in the production of the wear protection layer according to the invention, since at least the polyorganosiloxane as one of the layer-forming components is not thermally sinterable.
  • a method for non-thermal compression of the wear protection layer according to the invention must therefore be implemented.
  • a mechanical compression of the layer material can be carried out, the layer-forming components being compressed by exerting pressure and shear forces. Due to the specific properties of the starting materials for producing the wear protection layer according to the invention, combined with the start of the formation of solid structures immediately after the removal of the solvent, these structures would at least partially be destroyed in the event of the subsequent action of mechanical forces. This would lead to a decrease in the mechanical strength of the wear protection layer that is created.
  • the layer material is therefore compacted by the action of pressure and shear forces simultaneously with the process of removing the solvent present in the green layer.
  • the compaction process that takes place here is approximately comparable to a commonly used polishing process.
  • the compression of the layer material can be carried out as long as there is the possibility of plastic deformation of the layer material due to the presence of a solvent phase.
  • a device for compressing the layer material can be a tool that can implement pressure and shear forces and thus start the processes that lead to the compression of the wear protection layer.
  • tools for the realization of pressure and shear forces e.g. Polishing rollers are used. It is also possible to use several polishing devices, analogous to polishing heads, which e.g. are used in vehicle polishing machines, the corresponding movements, e.g. eccentric rotary movements, and thus cover the entire surface to be coated.
  • tools with a smooth or structured surface to which the coating material to be compacted exhibits the least possible adhesion can also be used.
  • the forces exerted and the deformability of the wear protection layer to be compacted are coordinated in such a relationship that a shear force is exerted on a green layer without it becoming a local one complete displacement of the layer material comes from the surface to be coated.
  • the wear protection layer is dried during the application of force or subsequently.
  • the process of curing or crosslinking of the layer materials by means of condensation begins.
  • the condensation reaction already takes place during drying and during storage at room temperature and can be accelerated by increasing the temperature. In this way, the chemical bond is formed in the layer material with a minimal mass fraction of hydrocarbon compounds.
  • the wear protection layer can be completely dried and cured at temperatures of up to 120 ° C and within 2 hours to several days. For example, brief tempering at up to 120 ° C. for 30 minutes and subsequent aging at room temperature for 3 days is advantageous.
  • the wear protection layer according to the invention improves the resistance of the wear protection layer, which leads to an improved protection of surfaces against abrasion.
  • the wear protection layer according to the invention also reduces the adhesion of dirt to the wear protection layer.
  • the wear protection layer according to the invention has a hardness a little below the hardness of a pure SiC network and well above the hardness of the long-chain polyorganosiloxanes.
  • the structure of the wear protection layer according to the invention partially approximates the structure of the pure SiC network, whereby the hardness of the SiC network largely corresponds to the mechanical properties of the wear protection layer according to the invention.
  • the SiC network can bring its hardness as largely as possible into the wear protection layer according to the invention, the SiC network must not have any organic side chains which would reduce the overall hardness of the inorganic structure. Therefore, to produce the Si0 2 network of the wear protection layer according to the invention, Si compounds must be used, from which an exclusively pure SiC network can arise by means of hydrolysis and condensation.
  • the silica sol used was formed from alkoxysilanes (Si alkoxides) which are not organically modified, such as tetraethoxysilane (TEOS), through hydrolysis and condensation reactions.
  • Si alkoxides alkoxysilanes
  • TEOS tetraethoxysilane
  • a pure SiC network is formed therefrom in a sol-gel transition.
  • the silica sol used has linearly shaped S1O 2 nanoparticles.
  • the special structure produced from these linearly shaped particles of the S1O 2 network present according to the invention has a particularly advantageous effect on the wear resistance of the layer.
  • the special properties of the wear protection layer according to the invention are achieved according to the invention by combining the hardness of the pure SiC network with the flexibility and low surface energy of the long-chain polyorganosiloxane.
  • the silica sol and polyorganosiloxane molecules are thoroughly mixed in a solvent and, in particular, during the removal of the solvent in the course of the layer formation, there is no phase separation in the coating material.
  • the solvent to be used according to the invention must therefore form stable real solutions or stable colloidal solutions with all components of the wear protection layer during the layer deposition process.
  • organic side chains for example, which are bound to the polyorganosiloxane and make no contribution to the formation of the compound, have a negative effect on the wear resistance, so that the aim is to largely avoid the presence of such side chains.
  • the polyorganosiloxane for the wear protection layer should advantageously have an optimal number of side chains bearing hydroxyl groups distributed over the length of the Si-O chain, with which an intensive connection with the SiC network can be realized without a significant number of unreacted hydroxyl groups the condensation reaction is retained. That affects both the Wear resistance as well as the dirt repellency of the layers have a positive effect, since with the minimization of the number of hydroxyl groups remaining after the crosslinking of the layer material, the polarity of the layer surface also decreases.
  • the surface of the wear protection layer according to the invention is water-repellent.
  • this wear protection layer is characterized by good mechanical strength and low roughness.
  • a typical water contact angle of a wear protection layer according to the invention is in the range of 100 ° and more.
  • the water wetting behavior of the wear protection layer according to the invention, which was produced using polyether-modified polydimethylsiloxane, is therefore particularly surprising since materials of this type are used as hydrophilicizing agents according to the prior art.
  • the wear protection layer according to the invention has a significantly increased wear resistance compared to previous nanocomposite materials or nanoscale (inorganic / organic) hybrid polymers.
  • An essential difference between the solutions of this prior art for nanocomposite materials is that it is essential for the known solutions that the nanoparticles are present in the final state of the layers. According to the invention, this is precisely not the case, since all the nanoparticles of the silica sol have passed into an Si0 2 network.
  • the formation of additional chemical bonds in the wear protection layer can have an advantageous effect on its strength.
  • Such a connection formation can take place via the crosslinking of polyether chains of the long-chain polyorganosiloxanes.
  • Known crosslinking agents can be used for this, such as, for example, 1,6-hexamethylene diisocyanate and isophorone diisocyanate, polyisocyanates or polyisocyanates with a uretdione structure, prepared by catalytic dimerization and, if appropriate, simultaneous trimerization of monomeric aliphatic or cycloaliphatic diisocyanates.
  • hard particles are known to be added to the layer materials. This can take place particularly effectively according to the invention, since the wear protection layers according to the invention incorporate particles such as S1O2 particles particularly well into their structure and these particles lead to particularly good wear protection due to their already existing strength.
  • Aeroxid LE1 (BASF) are mixed into 25 g of ethylene glycol monomethyl ether under the action of ultrasound.
  • a polymer film (TEONEX Q65FA, unfilled polyethylene naphthalate (PEN), 125 ⁇ m) is provided with a silica sol adhesive layer using known methods.
  • the mixture of the coating material is then applied by spraying and a homogeneously closed, smooth layer with a layer thickness in the range from 0.8 to 1.1 ⁇ m is thus produced.
  • the coated film is tempered for 30 minutes at 110 ° C. and stored for 2 days at room temperature.
  • tests were carried out using a tribometer according to the ball-on-disk principle. A firmly clamped ball, which is pressed with a force F, rubs on the material to be tested.
  • Typical test parameters are: ball material Si3N4, diameter 8 mm, frequency 3 Hz, number of oscillations (periods) up to 10,000, load 2.2N.
  • the measurement by means of a tribometer with a contact force of 2.2 Newtons up to 10,000 periods shows no buried wear track in the layer according to the invention and thus a significantly increased abrasion resistance compared to the uncoated film, in which a wear track with a depth of up to 3 ⁇ m was obtained.
  • the hydrophobic character of the layer according to the invention is demonstrated by a measured water contact angle of 102 °.
  • an increased abrasion resistance of the applied layer according to the invention can be detected, for which a wear track depth of up to 1.5 ⁇ m was measurable, compared to the polymer surface produced by means of 3D printing, in which a wear track with a depth of up to 5.5 ⁇ m was determined has been.
  • a layer of the coating material is applied to a film.
  • the coating material is brought into contact with a rotating polymer surface and scanned through it, the polymer surface having a concentric ring structure with a structure depth of 2 ⁇ m.
  • the coating material is plastically deformed.
  • the layer formed in this way is tempered for 30 minutes at 110 ° C. and stored for 2 days at room temperature. Measurements by means of a tribometer confirm the high abrasion resistance of the layer surface, which is shown by the fact that after 10,000 periods with 2.2 Newtons of contact force, only slight abrasion marks are visible at the heights of the surface structure.
  • No wear track depth can be measured on the film coated according to the invention.
  • the wear track of the uncoated film has a depth of up to 3 ⁇ m.

Abstract

The invention concerns the field of materials engineering and relates to a wear-protection layer, such as that which can be used to improve the wear resistance of polymer films. The problem addressed by the present invention is that of specifying a wear-protection layer which has a high to very high wear resistance and a simple and inexpensive method for producing same. This problem is solved using a wear-protection layer containing at least one SiO2 network which is present in the form of at least two domains and the dimensions of the individual domains exceed the nanoscale in all spatial directions, and also containing long-chain polyorganosiloxanes, each having more than 50 repeat units in the Si-O-Si backbone of the polyorganosiloxane, the repeat units having organic side chains bonded, at least comb-like, to the Si-O-Si main chain, and wherein only the SiO2 network is present in the domains and the long-chain polyorganosiloxanes are at least partly arranged between the domains, and wherein the organic side chains are at least partly chemically covalently coupled to the SiO2 network.

Description

Verschleißschutzschicht und Verfahren zu ihrer Herstellung Wear protection layer and process for its manufacture
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Werkstofftechnik und betrifft eine Verschleißschutzschicht, wie sie beispielsweise zur Verbesserung der Oberflächengüte und der Verschleißfestigkeit von mittels 3D-Druck erzeugten Oberflächen, zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit von Polymerfolien und sonstigen abrasiv belasteten Polymeroberflächen und zur Verbesserung der Reinigbarkeit dieser Oberflächen angewandt werden kann. The invention relates to the field of materials engineering and relates to a wear protection layer such as that used, for example, to improve the surface quality and wear resistance of surfaces produced by means of 3D printing, to improve the wear resistance of polymer films and other abrasive polymer surfaces and to improve the cleanability of these surfaces can be applied.
Weiterhin kann die erfindungsgemäße Verschleißschutzschicht beispielsweise als Korrosionsschutzschicht mit erhöhter mechanischer Verschleißstabilität und als Deckschicht zur Verbesserung der mechanischen Beständigkeit von bestehenden Korrosionsschutzschichten eingesetzt werden. Eine weitere Anwendung der erfindungsgemäßen Verschleißschutzschicht betrifft beschichtete Bauteile, die mittels additiver Verfahren, wie dem Fused Layer Modeling (FLM), hergestellt wurden. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung der Verschleißschutzschicht. Furthermore, the wear protection layer according to the invention can be used, for example, as a corrosion protection layer with increased mechanical wear stability and as a cover layer to improve the mechanical resistance of existing corrosion protection layers. Another application of the wear protection layer according to the invention relates to coated components that were produced by means of additive processes, such as fused layer modeling (FLM). The present invention also relates to a method for producing the wear protection layer.
Verschleißschutzschichten werden vielfach für Oberflächen benötigt und auf verschiedene Art und Weise hergestellt. Zur Beseitigung der verfahrensbedingten Schichtoptik und sonstigen Störungen von mittels 3D-Druck hergestellten Oberflächen werden gegenwärtig materialabtragende Verfahren, wie Schleifen und Trowalisieren, oder matererialauftragende Verfahren, wie Spachteln und Lackieren oder Verfahren unter Verwendung von Lösungsmitteln oder Lösungsmitteldämpfen, bei denen Oberflächenstrukturen durch Anlösen eingeebnet werden, eingesetzt. Wear protection layers are often required for surfaces and are produced in different ways. In order to eliminate the process-related layer optics and other disturbances of surfaces produced by means of 3D printing, material-removing processes, such as grinding and tumbling, or material application processes, such as filling and painting or processes using solvents or solvent vapors, in which surface structures are leveled by dissolving, are currently used, used.
Bei der Standard-Lackierung wir das gedruckte Bauteil zunächst grundiert. Die speziell für 3D Druck Bauteile ausgewählte hochviskose Grundierung, auch Füller (Filler) genannt, verschließt die offenporige Oberflächenstruktur der Bauteile. Als Füllermaterial werden zum Beispiel Epoxidharze eingesetzt. Nach dem Trocknen und einem Zwischenschliff wird ein PUR-Basislack aufgebracht (https://www.rapidobject.com/de/Leistungen/Finishing/Oberflaechenveredelung-fuer- 3D-Druck-Modelle/Lackierung-von-3D-Druck-Bauteilen_1306.html). With standard painting, the printed component is first primed. The highly viscous primer, also called filler, specially selected for 3D printing components, seals the open-pored surface structure of the components. Epoxy resins, for example, are used as filler material. After drying and intermediate sanding, a PUR basecoat is applied (https://www.rapidobject.com/de/Leistungen/Finishing/Oberflaechenveredelung-fuer- 3D-Druck-Modelle / Lackierung-von-3D-Druck-Bautteile_1306.html ).
Bei gegenwärtig gebräuchlichen Materialien zur Einebnung von Oberflächen durch materialauftragende Verfahren handelt es sich um Materialien auf der Basis von organischen Polymeren, welche eine vergleichsweise geringe mechanische Verschleißstabilität aufweisen. The materials currently in use for leveling surfaces by material-applying processes are materials based on organic polymers which have a comparatively low mechanical wear resistance.
Eine gezielte Verbesserung der Verschleißstabilität von zu glättenden Oberflächen ist damit nicht möglich. A targeted improvement of the wear resistance of surfaces to be smoothed is not possible with this.
Für einige Anwendungen ist es wünschenswert, wenn gleichzeitig mit der Einebnung einer Oberfläche deren mechanische Verschleißfestigkeit verbessert werden kann. Das ist zum Beispiel bei mittels 3D-Druck hergestellten Gleitlagern der Fall. For some applications it is desirable if, at the same time as the leveling of a surface, its mechanical wear resistance can be improved. This is the case, for example, with plain bearings manufactured using 3D printing.
Bisher sind jedoch noch keine Materialien und Technologien bekannt, die eine entsprechend gute bis sehr gute Oberflächengüte in Verbindung mit einer hohen Verschleißfestigkeit zeigen. So far, however, no materials and technologies are known that show a correspondingly good to very good surface quality in conjunction with high wear resistance.
Weiter sind flexible Leuchtfolien auf Basis organischer Leuchtdioden oder anorganischer elektrolumineszenter Schichten als auch flexible Dünnschicht- Solarmodule auf Kunststoffsubstraten bekannt. Folienbasierte Dünnschichtsolarmodule erschließen neue Flächen für die Nutzung zur Energiegewinnung mittels Photovoltaik, da sie an uneben geformte Flächen angepasst werden können und nur einen Bruchteil des spezifischen Gewichts klassischer Solarmodule aufweisen. Furthermore, flexible luminous films based on organic light-emitting diodes or inorganic electroluminescent layers as well as flexible thin-film solar modules on plastic substrates are known. Foil-based thin-film solar modules open up new areas for use to generate energy by means of photovoltaics, as they can be adapted to unevenly shaped surfaces and only have a fraction of the specific weight of conventional solar modules.
Beide Produktklassen haben gemeinsam, dass die Folien, auf denen die Produkte basieren, im Vergleich zu Glas weniger robust gegenüber mechanischer Beanspruchung (Kratzer, Materialabtrag durch Staub), der Witterung (Temperatur, Feuchte) und Verschmutzung und den dazugehörigen Reinigungsschritten sind. Es besteht deshalb ein Bedarf nach einer Beschichtung, mit der eine Folie, welche als "Frontseitenverkapselung" für die genannten Anwendungen eingesetzt werden kann, mit einer verbesserten Verschleißfestigkeit und möglichst auch mit einer schmutzabweisenden, leichtreinigbaren Oberfläche ausgerüstet werden kann. Both product classes have in common that, compared to glass, the films on which the products are based are less robust against mechanical stress (scratches, material removal by dust), the weather (temperature, humidity) and soiling and the associated cleaning steps. There is therefore a need for a coating with which a film, which can be used as "front-side encapsulation" for the applications mentioned, can be equipped with improved wear resistance and, if possible, also with a dirt-repellent, easy-to-clean surface.
Die DE 202005021689 U1 beschreibt eine hydrophilierende Beschichtung mit erhöhter mechanischer und thermischer Beständigkeit, die zur Erhöhung der Kratzfestigkeit von Oberflächen eingesetzt werden kann, die als Sol-Gel- Beschichtung ausgebildet ist und auf nanoskaligen Sol-Partikeln mit einer polymeren anorganisch-oxidischen Grundstruktur basiert. Die Beschichtung enthält polyethermodifizierte Oligo- oder Polysiloxane als dem Sol/Gel System zugegebenes Additiv. DE 202005021689 U1 describes a hydrophilizing coating with increased mechanical and thermal resistance, which can be used to increase the scratch resistance of surfaces, which is designed as a sol-gel coating and is based on nanoscale sol particles with a polymeric inorganic-oxidic basic structure. The coating contains polyether-modified oligo- or polysiloxanes as an additive added to the sol / gel system.
Nachteilig ist, dass eine solche Beschichtung aufgrund ihrer hohen Oberflächenenergie keine antiadhäsiven Eigenschaften aufweist. Das kann insbesondere zur verstärkten Anhaftung von adhäsiven organischen Verunreinigungen führen. It is disadvantageous that such a coating has no anti-adhesive properties due to its high surface energy. In particular, this can lead to increased adhesion of adhesive organic contaminants.
Es sind bereits Flybridmaterialien bekannt, welche aus anorganischen und organischen Materialien bestehen. Dabei handelt es sich um hybride polymere Werkstoffe, die in einem 2-stufigen Verfahren hergestellt werden. In diesem Prozess wird zunächst durch Flydrolyse und Kondensation von organisch modifizierten Si- Alkoxiden (organisch modifizierten Alkoxysilanen) ein anorganisches Netzwerk aufgebaut. Dabei handelt es sich um ein organisch modifiziertes Si02-Netzwerk. Anschließend werden am anorganischen Netzwerk fixierte polymerisierbare organische Gruppen miteinander vernetzt. Außerdem können organisch modifizierte Si-Alkoxide eingesetzt werden, deren organische Gruppen nicht zu Vernetzungsreaktionen beitragenFlybrid materials are already known which consist of inorganic and organic materials. These are hybrid polymer materials that are manufactured in a 2-stage process. In this process, an inorganic network is first built up through flydrolysis and condensation of organically modified Si-alkoxides (organically modified alkoxysilanes). This is an organically modified Si0 2 network. Polymerizable organic groups fixed on the inorganic network are then crosslinked with one another. Organically modified Si alkoxides can also be used, the organic groups of which do not contribute to crosslinking reactions
(https://www.ormocere.de/de/herstellungsverfahren.html). (https://www.ormocere.de/de/herstellungsverfahren.html).
Seit den 70er Jahren werden Alkoxysilane der Form R’xSi(OR)4-x zur Modifizierung von Gläsern und Keramiken genutzt. Diese Precursoren führen zu ORMOSILEN (Organically Modified Silicates) (H. Schmidt, Mater. Res. Soc. Proc. 1984, 32, 327) oder ORMOCEREN (Organically Modified Ceramics) (G.L. Wilkes, et al: Mater. Res. Soc. Proc. 1990, 15, 171 -178). Alkoxysilanes of the form R’xSi (OR) 4-x have been used to modify glasses and ceramics since the 1970s. These precursors lead to ORMOSILEN (Organically Modified Silicates) (H. Schmidt, Mater. Res. Soc. Proc. 1984, 32, 327) or ORMOCEREN (Organically Modified Ceramics) (GL Wilkes, et al: Mater. Res. Soc. Proc . 1990, 15, 171-178).
Eine Schicht aus einem reinen Si02-Netzwerk ist in ihrem mechanischen Verhalten mit einer Glasschicht vergleichbar. Sie besitzt eine vergleichsweise große Härte bei gleichzeitig großer Sprödigkeit. Die aus organisch modifizierten Si-Alkoxiden hergestellten Schichtmaterialien besitzen aufgrund des organischen Anteils im Vergleich zu einem reinen Si02-Netzwerk eine höhere Flexibilität. Damit wird die Herstellung dickerer Schichten möglich. A layer made of a pure Si0 2 network is comparable in its mechanical behavior to a glass layer. It has a comparatively great hardness and at the same time great brittleness. The layer materials produced from organically modified Si alkoxides have a higher flexibility due to the organic content compared to a pure Si0 2 network. This enables the production of thicker layers.
Häufig werden organische Gruppen mit R’ = -CH3, -C2H5, -C6H5 für verschiedenste Überzüge und Schutzschichten (D.R. Uhlmann, et al: J.Non-Cryst. Solids 1997, 218, 113-121 ) genutzt. Organic groups with R ’= -CH3, -C2H5, -C6H5 are often used for a wide variety of coatings and protective layers (D.R. Uhlmann, et al: J.Non-Cryst. Solids 1997, 218, 113-121).
ORMOCER®-Beschichtungen können Oberflächeneigenschaften vieler Substrate (Polymere, Keramik, Glas, Metall, Papier, Holz) vorteilhaft beeinflussen. Neben einer Erhöhung der mechanischen und chemischen Beständigkeit der Substrate lassen sich verschiedene zusätzliche Funktionen an der Oberfläche erzeugen. ORMOCER ® coatings can have a beneficial effect on the surface properties of many substrates (polymers, ceramics, glass, metal, paper, wood). In addition to increasing the mechanical and chemical resistance of the substrates, various additional functions can be generated on the surface.
Der Einsatz von organisch modifizierten Alkoxysilanen zum Aufbau von anorganisch organischen Copolymeren nach dem Stand der Technik führt dazu, dass an jedes Si- Atom des entstehenden Netzwerkes mindestens eine organische Gruppe gebunden ist. Das auf diese Weise entstehende Netzwerk unterscheidet sich strukturell stark von einem reinen anorganischen Si02-Netzwerk, da sich darin eine große Zahl organischer Gruppen befindet. Die organischen Gruppen sind in einem solchen Netzwerk in einer hochdispersen Verteilung vorhanden, so dass die Si-O-Si-Ketten des Netzwerkes häufig von organischen Gruppen unterbrochen werden. Das führt dazu, dass die Härte eines derartigen organisch-anorganischen Verbundmaterials deutlich geringer ist, als die Härte eines reinen SiC -Netzwerkes. The use of organically modified alkoxysilanes to build up inorganic organic copolymers according to the prior art has the result that at least one organic group is bound to each Si atom of the network formed. The resulting network is structurally very different from a pure inorganic Si0 2 network, since there are a large number of them of organic groups. The organic groups are present in such a network in a highly dispersed distribution, so that the Si-O-Si chains of the network are frequently interrupted by organic groups. This means that the hardness of such an organic-inorganic composite material is significantly lower than the hardness of a pure SiC network.
Weiterhin ist bekannt, dass die Produktion von Nanomaterialien im Allgemeinen und Nanokompositen im Besonderen es erfordert, dass in mindestens einer Dimension eine Nanoskaligkeit in den fertigen Produkten erhalten bleibt. It is also known that the production of nanomaterials in general and nanocomposites in particular requires that the finished products retain a nano-scale in at least one dimension.
Zu den Nanomaterialien bzw. Nanokompositen zählen die oben beschriebenen Hybridpolymere, in denen nanometergroße organische und anorganische Oligomereinheiten aneinander gebunden sind. Die Nanoskaligkeit wird in diesen Hybridpolymeren insbesondere dadurch erreicht, dass durch den Einsatz von organischen Oligomereinheiten der direkte Kontakt zwischen den anorganischen Nanopartikeln unterbrochen wird. The hybrid polymers described above, in which nanometer-sized organic and inorganic oligomer units are bonded to one another, belong to the nanomaterials or nanocomposites. In these hybrid polymers, the nano-scale is achieved in particular in that the direct contact between the inorganic nanoparticles is interrupted through the use of organic oligomer units.
Oligomere sind Polymere mit relativ niedriger Molmasse, die sich aus nur wenigen (identischen) Grundbausteinen aufbauen. Zumeist weisen Oligomermoleküle zwischen 3 und 20 Grundbausteine auf. Oligomers are polymers with a relatively low molar mass that are built up from just a few (identical) basic building blocks. Most oligomer molecules have between 3 and 20 basic building blocks.
Weiter ist aus der EP 1 672 042 A1 eine Antihaftschicht aus vernetzten Nanopartikeln bekannt. Diese Antihaftschicht aus vernetzten anorganischen Nanopartikeln und Zusätzen aus Polyorganosiloxanen weist ein dreidimensionales Netzwerk aus Polyorganosiloxanen auf. Hergestellt wird ein solches Netzwerk nach einem Sol-Gel-Verfahren, bei dem zuerst ein anorganisches Nanosol durch Hydrolyse eine Alkoxysilans und partielle Kondensation hergestellt wird, nachfolgend die Modifizierung des Nanosols durch Zusatz von Polyorganosiloxanen, welche Vernetzungsreaktionen ermöglichende funktionelle Gruppen und vernetzungsfördernde Additive aufweisen, durchgeführt wird, und das modifizierte Nanosol auf eine Oberfläche aufgetragen wird und sich dann ein dreidimensionales Netzwerk der anorganischen Nanopartikel sowie ein dreidimensionales Netzwerk der Polyorganosiloxane durch eine Wärmebehandlung ausbildet, wobei sich beide Netzwerke gegenseitig durchdringen. EP 1 672 042 A1 also discloses a non-stick layer made of crosslinked nanoparticles. This non-stick layer made of cross-linked inorganic nanoparticles and additives made of polyorganosiloxanes has a three-dimensional network of polyorganosiloxanes. Such a network is produced according to a sol-gel process, in which an inorganic nanosol is first produced by hydrolysis, an alkoxysilane and partial condensation, followed by the modification of the nanosol by adding polyorganosiloxanes, which have functional groups that enable crosslinking reactions and crosslinking-promoting additives is, and the modified nanosol is applied to a surface and then a three-dimensional network of inorganic nanoparticles and a three-dimensional network of Polyorganosiloxanes formed by a heat treatment, whereby both networks penetrate each other.
Weiter bekannt ist ein hydrophiles organisch modifiziertes Siloxan, welches in Textilhilfsmitteln zur Verbesserung der Wasserbenetzung eingesetzt wird. Dieses Produkt ist wasserlöslich und ist an der Polysiloxankette mit zwei Polyethern unterschiedlicher Molmasse modifiziert, welche beide den gleichen Massengehalt von ca. 40% Ethylenoxid und ca. 60% Propylenoxid haben (Tegopren®5863). Also known is a hydrophilic organically modified siloxane which is used in textile auxiliaries to improve water wetting. This product is water-soluble and the polysiloxane chain is modified with two polyethers of different molar mass, both of which have the same mass content of approx. 40% ethylene oxide and approx. 60% propylene oxide (Tegopren ® 5863).
Nach EP2543630 A1 ist das Produkt Tegopren® 5863 aufgrund seiner Wasserlöslichkeit vorteilhaft bei der Schmelzgranulierung von Schwefel verwendbar. After EP2543630 A1 product Tegopren® ® 5863 is due to its water solubility useful in the melt granulation of sulfur usable.
Die DE 202005021689 U1 beschreibt eine hydrophilierende Beschichtung, die als Sol-Gel-Beschichtung ausgebildet ist und auf nanoskaligen Sol-Partikeln mit einer polymeren anorganisch-oxidischen Grundstruktur basiert. Die Beschichtung kann verschiedene polyethermodifizierte Oligo- oder Polysiloxane als dem Sol/Gel System zugegebenes Additiv enthalten. DE 202005021689 U1 describes a hydrophilizing coating that is designed as a sol-gel coating and is based on nanoscale sol particles with a polymeric, inorganic-oxidic basic structure. The coating can contain various polyether-modified oligo- or polysiloxanes as an additive added to the sol / gel system.
Nachteilig bei den Lösungen des bekannten Standes der Technik ist, dass keine Beschichtungen auf Oberflächen mit ausreichend hoher Verschleißbeständigkeit herstellbar sind. A disadvantage of the solutions of the known prior art is that no coatings can be produced on surfaces with a sufficiently high wear resistance.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Verschleißschutzschicht anzugeben, die eine hohe bis sehr hohe Verschleißbeständigkeit aufweist und bei der das Anhaften von Stoffen verringert ist, und ein einfaches und kostengünstiges Verfahren zu ihrer Herstellung. The object of the present invention is to specify a wear protection layer which has a high to very high wear resistance and in which the adhesion of substances is reduced, and a simple and inexpensive method for its production.
Die Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche, wobei auch Kombinationen der einzelnen abhängigen Patentansprüche im Sinne einer UND- Verknüpfung mit eingeschlossen sind, sofern sie sich nicht gegenseitig ausschließen. The object is achieved by the invention specified in the claims. Advantageous refinements are the subject matter of the dependent claims, combinations of the individual dependent claims also being included in the sense of an AND link, provided they are not mutually exclusive.
Die erfindungsgemäße Verschleißschutzschicht enthält mindestens ein S1O2- Netzwerk, welches in Form von mindestens zwei Domänen vorliegt und die Dimensionen der einzelnen Domänen die Nanoskaligkeit in alle Raumrichtungen übersteigen, und enthält weiterhin langkettige Polyorganosiloxane mit jeweils mehr als 50 Wiederholungseinheiten im Si-O-Si-Grundgerüst des Polyorganosiloxans, die mindestens kammartig an der Si-O-Si-Hauptkette gebundene organische Seitenketten aufweisen, und wobei in den Domänen nur das SiC -Netzwerk vorhanden ist und zwischen den Domänen mindestens teilweise die langkettigen Polyorganosiloxane angeordnet sind, und wobei mindestens teilweise die organischen Seitenketten der langkettigen Polyorganosiloxane chemisch kovalent mit dem SiC -Netzwerk gekoppelt sind. The wear protection layer according to the invention contains at least one S1O2 network which is present in the form of at least two domains and which Dimensions of the individual domains exceed the nanoscale in all spatial directions, and furthermore contains long-chain polyorganosiloxanes each with more than 50 repeating units in the Si-O-Si basic structure of the polyorganosiloxane, which have organic side chains attached at least in a comb-like manner to the Si-O-Si main chain, and wherein only the SiC network is present in the domains and the long-chain polyorganosiloxanes are at least partially arranged between the domains, and at least some of the organic side chains of the long-chain polyorganosiloxanes are chemically covalently coupled to the SiC network.
Vorteilhafterweise beträgt die kleinste Abmessung des SiC -Netzwerkes mehr als 100 nm. The smallest dimension of the SiC network is advantageously more than 100 nm.
Weiterhin vorteilhafterweise ist das aus einem Kieselsol durch die Vernetzung von linear geformten SiC -Partikeln eines Kieselsols mittels Kondensation nach einem Sol-Gel-Verfahren hergestellte SiC -Netzwerk aus SiC— Partikeln aufgebaut. The SiC network produced from a silica sol by crosslinking linearly shaped SiC particles of a silica sol by means of condensation using a sol-gel process is also advantageously built up from SiC particles.
Ebenfalls vorteilhafterweise sind mehr als 100 Wiederholungseinheiten in der Siloxankette, besonders vorteilhafterweise mehr als 300 Wiederholungseinheiten in der Siloxankette, vorhanden. Likewise advantageously, there are more than 100 repeating units in the siloxane chain, particularly advantageously more than 300 repeating units in the siloxane chain.
Und auch vorteilhafterweise sind als langkettige Polyorganosiloxane mit organischen Seitenketten Polyorganosiloxan/Polyether-Copolymere (=polyethermodifizierte Polyorganosiloxane) oder Hydroxyalkyl-Polyorganosiloxane oder polyolmodifizierte Polyorganosiloxane vorhanden. And also advantageously present as long-chain polyorganosiloxanes with organic side chains are polyorganosiloxane / polyether copolymers (= polyether-modified polyorganosiloxanes) or hydroxyalkyl polyorganosiloxanes or polyol-modified polyorganosiloxanes.
Vorteilhaft ist es auch, wenn ein Anteil von organischen Seitenketten an dem Polyorganosiloxan von 40 bis 60 Ma.-% vorliegt. It is also advantageous if the proportion of organic side chains in the polyorganosiloxane is from 40 to 60% by mass.
Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn die an den organischen Seitenketten der langkettigen Polyorganosiloxane vorhandenen alkoholischen oder phenolischen Hydroxylgruppen durch Kondensationsreaktionen mit silanolischen Hydroxylgruppen der Domänen des SiCte-Netzwerkes mindestens teilweise in Ethergruppen umgewandelt sind. It is also advantageous if the alcoholic or phenolic hydroxyl groups present on the organic side chains of the long-chain polyorganosiloxanes by condensation reactions with silanolic hydroxyl groups of the domains of the SiCte network are at least partially converted into ether groups.
Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn 1 - 30 Ma.-%, vorteilhaft 2- 15 Ma.-%, sehr vorteilhaft 2 bis 8 Ma.-% langkettiges Polyorganosiloxan vorhanden ist. It is also advantageous if 1 to 30% by mass, advantageously 2 to 15% by mass, very advantageously 2 to 8% by mass of long-chain polyorganosiloxane is present.
Und auch vorteilhaft ist es, wenn an sich bekannte Zusatz- und Hilfsstoffe vorhanden sind. And it is also advantageous if additives and auxiliaries known per se are present.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung von Verschleißschutzschichten aus einem SiC -Netzwerk und langkettigen Polyorganosiloxanen mit organischen Seitenketten, die chemisch kovalent mit dem Si02-Netzwerk gekoppelt sind, wird aus mindestens einem Kieselsol, welches mittels Hydrolyse und partieller Kondensation hergestellt wurde, und mindestens 1 - 30 Ma.- % eines langkettigen Polyorganosiloxans und mindestens einem Lösungsmittel, welches mit den Komponenten der Verschleißschutzschicht während des Schichtabscheidungsprozesses stabile echte Lösungen oder stabile kolloidale Lösungen bildet, eine Mischung hergestellt und diese wird auf die vor Verschleiß zu schützende Oberfläche aufgebracht, wobei während und/oder nach der Aufbringung und bei Vorliegen einer plastischen Verformbarkeit der aufgebrachten Mischung Druck- und/oder Scherkräfte mindestens bereichsweise auf die gebildete Schicht aufgebracht werden und während des Aufbringens von Druck- und/oder Scherkräften und/oder nachfolgend die aufgebrachte und/oder verdichtete Schicht getrocknet wird. In the method according to the invention for producing wear protection layers from an SiC network and long-chain polyorganosiloxanes with organic side chains which are chemically covalently coupled to the Si0 2 network, at least one silica sol, which was produced by hydrolysis and partial condensation, and at least 1 - 30 mass% of a long-chain polyorganosiloxane and at least one solvent, which forms stable real solutions or stable colloidal solutions with the components of the wear protection layer during the layer deposition process, a mixture is produced and this is applied to the surface to be protected against wear, during and / or after the application and when the applied mixture is plastically deformable, compressive and / or shear forces are applied at least in regions to the layer formed and during the application of compressive and / or shear forces and / or subsequently the applied and / or compacted layer is dried.
Vorteilhafterweise wird ein Kieselsol eingesetzt, zu dessen Herstellung ein Wasser zu Tetraethoxysilan-Verhältnis im Bereich von 1 zu 1 bis 1 zu 2 angewandt wurde. Advantageously, a silica sol is used for the preparation of which a water to tetraethoxysilane ratio in the range from 1: 1 to 1: 2 was used.
Ebenfalls vorteilhafterweise werden linear geformte Si02-Nanopartikel in einem Kieselsol mit einem Feststoffanteil im Bereich von 2 bis 25% eingesetzt. It is also advantageous to use linearly shaped Si0 2 nanoparticles in a silica sol with a solids content in the range from 2 to 25%.
Weiterhin vorteilhafterweise werden 2- 15 Ma.-%, noch vorteilhafterweise 2 bis 8 Ma. %, eines langkettigen Polyorganosiloxans der Mischung zugegeben. Und auch vorteilhafterweise werden als polyethermodifiziertes Polyorganosiloxan BYK 333 (BYK Additives & Instruments), Tego Glide 410, TEGO Glide 450 (Evonik Industries), Dimethylsiloxan (60% Propylenoxid- 40% Ethylenoxid) Block Copolymer AB 114269 (ABCR)) und/oder als Hydroxyalkyl-Polyorganosiloxan Hydroxymethyl- Polyorganosiloxan mit lateralen Methylgruppen und/oder als polyolmodifiziertes Polyorganosiloxan ein glycerinmodifiziertes Polyorganosiloxan eingesetzt. It is also advantageous to use 2 to 15 mass%, more advantageously 2 to 8 mass%. %, of a long-chain polyorganosiloxane added to the mixture. And also advantageously as polyether-modified polyorganosiloxane BYK 333 (BYK Additives & Instruments), Tego Glide 410, TEGO Glide 450 (Evonik Industries), dimethylsiloxane (60% propylene oxide- 40% ethylene oxide) block copolymer AB 114269 (ABCR)) and / or as Hydroxyalkyl polyorganosiloxane Hydroxymethyl polyorganosiloxane with lateral methyl groups and / or a glycerol-modified polyorganosiloxane used as the polyol-modified polyorganosiloxane.
Von Vorteil ist es auch, wenn als Lösungsmittel Tetrahydrofuran, Methoxyethanol, Dioxan, Glykolether, wie Ethylenglykolmonomethylether, Ethylenglykoldimethylether und Ethylenglykolmonoethylether oder auch Gemische von verschiedenen Lösungsmitteln eingesetzt werden. It is also advantageous if tetrahydrofuran, methoxyethanol, dioxane, glycol ethers, such as ethylene glycol monomethyl ether, ethylene glycol dimethyl ether and ethylene glycol monoethyl ether or mixtures of different solvents are used as solvents.
Und auch von Vorteil ist es, wenn die Mischung der Ausgangsmaterialien bei Raumtemperatur oder bei Temperaturen unterhalb der Zersetzungs- oder Reaktionstemperaturen der Ausgangsmaterialien und unter Einsatz eines Mischers oder Rührers oder mittels Ultraschall realisiert wird. It is also advantageous if the starting materials are mixed at room temperature or at temperatures below the decomposition or reaction temperatures of the starting materials and using a mixer or stirrer or by means of ultrasound.
Ebenfalls von Vorteil ist es, wenn nach der Aufbringung der Schicht mindestens bereichsweise auf die Schicht Druck- und/oder Scherkräfte aufgebracht werden. It is also advantageous if, after the layer has been applied, compressive and / or shear forces are applied to the layer at least in regions.
Weiterhin von Vorteil ist es, wenn die Trocknung der Schicht bei Temperaturen von bis 120 °C und innerhalb von 2 h bis zu mehreren Tagen durchgeführt wird. It is also advantageous if the layer is dried at temperatures of up to 120 ° C. and within 2 hours up to several days.
Mit der vorliegenden Erfindung ist es erstmals möglich, eine Verschleißschutzschicht, die eine hohe bis sehr hohe Verschleißbeständigkeit aufweist, anzugeben, bei welcher weiterhin das Anhaften von Stoffen verringert ist, und ebenso ein einfaches und kostengünstiges Verfahren zu ihrer Herstellung anzugeben. With the present invention it is possible for the first time to specify a wear protection layer that has high to very high wear resistance, in which the adhesion of substances is furthermore reduced, and also to specify a simple and inexpensive method for its production.
Erreicht wird das durch die erfindungsgemäße Verschleißschutzschicht, welche mindestens ein SiC -Netzwerk enthält. This is achieved by the wear protection layer according to the invention, which contains at least one SiC network.
Vorteilhafterweise liegt ein SiC -Netzwerk vor, welches aus einem Kieselsol nach einem Sol-Gel-Verfahren durch die Vernetzung von SiC -Partikeln eines Kieselsols mittels Kondensation hergestellt wurde. Ein so hergestelltes SiCte-Netzwerk ist aus S1O2— Partikeln aufgebaut, die als Ausgangsstoffe für das Herstellungsverfahren der erfindungsgemäßen Verschleißschutzschicht eine lineare Gestalt aufgewiesen haben. An SiC network is advantageously present, which consists of a silica sol according to a sol-gel process through the crosslinking of SiC particles of a silica sol by means of condensation. A SiCte network produced in this way is made up of S1O2 particles which, as starting materials for the production process of the wear protection layer according to the invention, had a linear shape.
Im Falle des Vorliegens eines SiC -Netzwerkes mit SiC -Partikeln, die als Ausgangsstoffe für das Herstellungsverfahren der erfindungsgemäßen Verschleißschutzschicht eine lineare Gestalt aufgewiesen haben, haben sich besonders gute Eigenschaften der erfindungsgemäßen Verschleißschutzschicht ergeben. In the case of the presence of a SiC network with SiC particles which, as starting materials for the production process of the wear protection layer according to the invention, have had a linear shape, particularly good properties of the wear protection layer according to the invention have resulted.
Aus den vorteilhafterweise linear geformten, SiC -Nanopartikeln sind durch Vernetzung mittels Kondensation mindestens zwei Domänen des SiC -Netzwerkes hergestellt worden. Auf diese Weise werden die ursprünglich nanoskaligen S1O2- Partikel zu größeren (oberhalb Nanoskaligkeit) Domänen eines SiC -Netzwerkes aus miteinander verbundenen Si02-Partikeln verbunden. Damit sind in der erfindungsgemäßen Verschleißschutzschicht keine Nanopartikel des im Beschichtungsmaterial eingesetzten Kieselsols mehr vorhanden. At least two domains of the SiC network have been produced from the advantageously linearly shaped SiC nanoparticles by crosslinking by means of condensation. In this way, the originally nanoscale S1O2 particles are connected to form larger (above nanoscale) domains of an SiC network made of interconnected Si0 2 particles. Thus, there are no longer any nanoparticles of the silica sol used in the coating material in the wear protection layer according to the invention.
Auf molekularer Ebene kann der Sol-Gel-Prozess für Siliciumalkoxide durch die Reaktionsschritte Hydrolyse und Kondensation beschrieben werden, die teilweise gleichzeitig und konkurrierend stattfinden. Die Hydrolyseempfindlichkeit der Alkoxysilane führt bei der Umsetzung von Tetraethoxysilan (TEOS) im sauren oder basischen Medium zur hydrolytischen Spaltung der Si-OR-Bindung dieser Alkoxyverbindung. Die hydrolytisch gebildeten Silanoie sind unbeständig, und bei den nachfolgenden Kondensationsreaktionen At the molecular level, the sol-gel process for silicon alkoxides can be described by the reaction steps hydrolysis and condensation, some of which take place simultaneously and in competition. The hydrolysis sensitivity of the alkoxysilanes leads to the hydrolytic cleavage of the Si-OR bond of this alkoxy compound when tetraethoxysilane (TEOS) is converted in an acidic or basic medium. The hydrolytically formed silanoies are unstable, and in the subsequent condensation reactions
Si OH + ROH «Z Si OR + H20 Si OH + ROH « Z Si OR + H20
Si OR + ROH Si OR' + ROH entstehen unter Freisetzung von Alkohol oder Wasser Siloxanbindungen. Si OR + ROH Si OR '+ ROH form siloxane bonds with the release of alcohol or water.
Bei pH-Werten von 2 bis 5 ist die Kondensation der geschwindigkeitsbestimmende Schritt. Monomere und kleinere Oligomere mit reaktiven Silanolgruppen liegen nebeneinander vor. Da die säurekatalysierte Kondensation bevorzugt zwischen Monomeren und den Enden schwach verzweigter Oligomere stattfindet, entstehen so bei Zugabe stöchiometrischer Wassermengen weit ausgedehnte lineare Polymere (M.Buckley, M.Grennblatt, J.Chem. Education 1994, 71 , 599-602). At pH values of 2 to 5, the condensation is the rate-determining step. Monomers and smaller oligomers with reactive silanol groups lie side by side. Since the acid-catalyzed condensation takes place preferably between monomers and the ends of weakly branched oligomers, the addition of stoichiometric amounts of water results in widely extended linear polymers (M.Buckley, M.Grennblatt, J. Chem. Education 1994, 71, 599-602).
Da bei der Kondensation wieder Wasser freigesetzt wird, sind zwei Mol Wasser pro Mol TEOS theoretisch ausreichend für eine vollständige Hydrolyse. Kieselsole mit linear geformten Si02-Nanopartikeln werden bei einem molaren Verhältnis von Si(OR)4 zu H2O von 1 zu 1 bis ca. 1 zu 2 erhalten (S.Sakka, K.Kamiya, J.Non-Cryst. Solids 1982, 48, 31 -46). Die weitere Kondensation führt zu einem relativ schwach verzweigten Netzwerk (J.Sefcik, A.V.McCormick, Catalysis Today 1997, 35, 205- 223). Since water is released again during the condensation, two moles of water per mole of TEOS are theoretically sufficient for complete hydrolysis. Silica sols with linearly shaped SiO 2 nanoparticles are obtained with a molar ratio of Si (OR) 4 to H2O of 1: 1 to about 1: 2 (S.Sakka, K.Kamiya, J.Non-Cryst. Solids 1982, 48, 31-46). The further condensation leads to a relatively weakly branched network (J.Sefcik, AVMcCormick, Catalysis Today 1997, 35, 205-223).
Im Gegensatz dazu ist im basischen Milieu die Hydrolyse geschwindigkeitsbestimmend. Die Cluster wachsen hauptsächlich durch die Kondensation mit Monomeren. Daraus resultieren stark verzweigte Netzwerke mit großen sphärischen Teilchen und großen Poren. (K.D.Keefer, D.W.Schaefer, Phys. Rev. Lett. 1986, 56, 2376-2387). Eine Komplexbildung, wie sie bei Titanalkoxiden mit Essigsäure beobachtet wurde, bestimmt die bevorzugte Bildung linearer Polymere ([H. Schmidt, J.Sol-Gel-Sci. Technol. 1994, 1 , 217-231 ). Die zumindest partielle Verwendung von komplexbildenden Säuren kann für die Entstehung der angestrebten linearen Gestalt der SiC -Partikel als Ausgangsstoffe für die zur Herstellung der erfindungsgemäßen Schicht vorteilhaft sein. In contrast, hydrolysis is the rate-determining factor in a basic medium. The clusters grow mainly through the condensation with monomers. This results in highly branched networks with large spherical particles and large pores. (K.D. Keefer, D.W.Schaefer, Phys. Rev. Lett. 1986, 56, 2376-2387). Complex formation, as observed in titanium alkoxides with acetic acid, determines the preferred formation of linear polymers ([H. Schmidt, J. Sol-Gel-Sci. Technol. 1994, 1, 217-231). The at least partial use of complex-forming acids can be advantageous for the creation of the desired linear shape of the SiC particles as starting materials for the production of the layer according to the invention.
Erfindungsgemäß liegt das SiC -Netzwerk in der Verschleißschutzschicht in Form von mindestens zwei Domänen vor. According to the invention, the SiC network is present in the wear protection layer in the form of at least two domains.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sollen unter Domänen des SiC -Netzwerkes in der Verschleißschutzschicht Bereiche mit einheitlicher Struktur, also ausschließlich als dreidimensionales SiC -Netzwerk mit gleichartiger Materialzusammensetzung verstanden werden. In the context of the present invention, domains of the SiC network in the wear protection layer are to be understood to mean areas with a uniform structure, that is to say exclusively as a three-dimensional SiC network with a similar material composition.
Dabei sollen erfindungsgemäß die Dimensionen der einzelnen Domänen die Nanoskaligkeit in alle Raumrichtungen übersteigen. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sollen unter Nanoskaligkeit Abmessungen bis 100 nm definiert sein, so dass die erfindungsgemäße Verschleißschutzschicht in jedem Fall nur Domänen mit Abmessungen in allen Raumrichtungen oberhalb von 100 nm aufweist. According to the invention, the dimensions of the individual domains should exceed the nanoscale in all spatial directions. In the context of the present invention, dimensions up to 100 nm should be defined under nanoscale, so that the wear protection layer according to the invention in any case only has domains with dimensions in all spatial directions above 100 nm.
Die erfindungsgemäße Verschleißschutzschicht enthält neben den Domänen des Si02-Netzwerkes weiterhin mindestens noch langkettige Polyorganosiloxane mit jeweils mehr als 50 Wiederholungseinheiten im Si-O-Si-Grundgerüst des Polyorganosiloxans. In addition to the domains of the Si0 2 network, the wear protection layer according to the invention also contains at least long-chain polyorganosiloxanes each with more than 50 repeating units in the Si-O-Si basic structure of the polyorganosiloxane.
Vorteilhaft sind mehr als 100 Wiederholungseinheiten in der Siloxankette. Besonders vorteilhaft sind mehr als 300 Wiederholungseinheiten in der Siloxankette. More than 100 repeating units in the siloxane chain are advantageous. More than 300 repeating units in the siloxane chain are particularly advantageous.
Derartige langkettige Polyorganosiloxane können polyethermodifizierte Polyorganosiloxane sein, wie zum Beispiel die Produkte BYK 333 (BYK Additives&lnstruments), Tego Glide 410, TEGO Glide 450 (Evonik Industries), Dimethylsiloxan (60% Propylenoxid- 40% Ethylenoxid) Block Copolymer AB 114269 (ABCR)). Such long-chain polyorganosiloxanes can be polyether-modified polyorganosiloxanes, such as the products BYK 333 (BYK Additives & Instruments), Tego Glide 410, TEGO Glide 450 (Evonik Industries), dimethylsiloxane (60% propylene oxide- 40% ethylene oxide) block copolymer AB 114269 (ABCR)) .
Die langkettigen Polyorganosiloxane befinden sich erfindungsgemäß zwischen den Domänen des SiC -Netzwerkes an der Oberfläche der Domänen. Die langkettigen Polyorganosiloxane sind zwischen den Domänen des Si02-Netzwerkes der erfindungsgemäßen Verschleißschutzschicht angeordnet, die eine einheitliche Struktur und gleichartige Materialzusammensetzung aufweisen. According to the invention, the long-chain polyorganosiloxanes are located between the domains of the SiC network on the surface of the domains. The long-chain polyorganosiloxanes are arranged between the domains of the Si0 2 network of the wear protection layer according to the invention, which have a uniform structure and similar material composition.
Dabei weisen die erfindungsgemäß vorhandenen langkettigen Polyorganosiloxane kammartig an der Si-O-Si-Hauptkette gebundene organische Seitenketten auf. The long-chain polyorganosiloxanes present according to the invention have organic side chains bonded to the Si-O-Si main chain in a comb-like manner.
Mit diesen kammartig an die Si-O-Si-Hauptkette gebundenen organischen Seitenketten der langkettigen Polyorganosiloxane sind diese mindestens teilweise chemisch kovalent mit dem Si02-Netzwerk gekoppelt. With these organic side chains of the long-chain polyorganosiloxanes bound to the Si-O-Si main chain in a comb-like manner, these are at least partially chemically covalently coupled to the Si0 2 network.
Weiterhin befinden sich die Polyorganosiloxane in gebundener Form auf der Oberfläche der erfindungsgemäßen Verschleißschutzschicht. Aus der erfindungsgemäßen Struktur der Verschleißschutzschicht resultiert eine gegenseitige mechanische Abstützung der Domänen des SiC -Netzwerkes. Daraus ergibt sich wiederum eine besondere Härte der Verschleißschutzschicht. Durch kovalente Bindungen zwischen den Polyorganosiloxanen und den Domänen des Si02-Netzwerkes entsteht ein fester Zusammenhalt der Gesamtstruktur. Andererseits bewirkt die Flexibilität der Polyorganosiloxane den Abbau von Spannungen und damit eine im Vergleich zu einer reinen SiC -Schicht verminderte Materialsprödigkeit. The polyorganosiloxanes are also found in bound form on the surface of the wear protection layer according to the invention. The structure of the wear protection layer according to the invention results in mutual mechanical support of the domains of the SiC network. This in turn results in a special hardness of the wear protection layer. Covalent bonds between the polyorganosiloxanes and the domains of the Si0 2 network create a firm cohesion of the overall structure. On the other hand, the flexibility of the polyorganosiloxanes brings about the reduction of tensions and thus a reduced material brittleness compared to a pure SiC layer.
Die Eigenschaften der erfindungsgemäßen Schicht können über das Verhältnis des Massenanteiles des S1O2 zum Massenanteil der langkettigen Polyorganosiloxane variiert und eingestellt werden. Das bezieht sich sowohl auf die mechanischen Eigenschaften als auch auf die Oberflächenenergie der erfindungsgemäßen Schicht. Dabei verringert ein geringer Anteil des Polyorganosiloxans die Verschleißfestigkeit durch innere Spannungen und Sprödigkeit, und andererseits verringert ein hoher Anteil des Polyorganosiloxans die Härte der Verschleißschutzschicht. The properties of the layer according to the invention can be varied and adjusted via the ratio of the mass fraction of the S1O2 to the mass fraction of the long-chain polyorganosiloxanes. This relates both to the mechanical properties and to the surface energy of the layer according to the invention. A small proportion of the polyorganosiloxane reduces the wear resistance due to internal stresses and brittleness, and on the other hand a high proportion of the polyorganosiloxane reduces the hardness of the wear protection layer.
Der Fachmann kann mit einfachen Versuchen in geringer Anzahl das für seine Anwendung optimale Massenverhältnis des Si02-Netzwerkes zu Polyorganosiloxan feststellen. The person skilled in the art can determine the optimal mass ratio of the Si0 2 network to polyorganosiloxane for his application with simple experiments in small numbers.
Überraschend hat sich gezeigt, dass bereits bei einem relativ geringen Anteil von 1 - 10 Ma.-%, vorteilhaft von 2 - 8 Ma.-%, an langkettigen Polyorganosiloxan in der erfindungsgemäßen Verschleißschutzschicht eine deutlich verringerte Sprödigkeit und vergrößerte Verschleißfestigkeit im Vergleich zu Schichten des Standes der Technik erhalten wird. Surprisingly, it has been shown that even with a relatively low proportion of 1-10% by weight, advantageously 2-8% by weight, of long-chain polyorganosiloxane in the wear protection layer according to the invention, a significantly reduced brittleness and increased wear resistance compared to layers of the Prior art is obtained.
Die Oberflächenenergie der erfindungsgemäßen Verschleißschutzschicht ist ebenfalls vom Verhältnis des Massenanteiles des Si02-Netzwerkes zum Massenanteil der langkettigen Polyorganosiloxane abhängig. Es zeigte sich, dass die erfindungsgemäße Verschleißschutzschicht mit erhöhter Verschleißfestigkeit auch eine im Vergleich zu einer reinen Si02-Schicht verringerte Oberflächenenergie aufweist. In dem Bereich des Verhältnisses des Massenanteiles des S1O2- Netzwerkes zum Massenanteil der langkettigen Polyorganosiloxane, in dem eine besonders hohe Verschleißfestigkeit erhalten wird, ergibt sich auch eine besonders niedrige Oberflächenenergie. Offensichtlich besteht ein materialspezifischer Zusammenhang zwischen diesen beiden Schichteigenschaften. Das ermöglicht die simultane Nutzung der erfindungsgemäßen Verschleißschutzschicht für schmutzabweisende Oberflächen. Mit der Erhöhung des Polyorganosiloxananteils über einen optimalen Bereich hinaus, kommt es zu einem deutlichen Anstieg der Oberflächenenergie und damit zum Verlusst der antiadhäsiven Schichteigenschaften. Bei einem Anteil zwischen 2 und 15 Ma.-% an langkettigen Polyorganosiloxan in der erfindungsgemäßen Verschleißschutzschicht kann eine Gesamtoberflächenenergie von ca. 20 mN/m und ein Wasserkontaktwinkel bis über 100° erhalten werden. Mit der weiteren Vergrößerung des Polyorganosiloxananteils wurde eine zunehmende Steigerung der Oberflächenenergie und eine Verringerung des Wasserkontaktwinkels der erfindungsgemäßen Verschleißschutzschicht festgestellt. The surface energy of the wear protection layer according to the invention is also dependent on the ratio of the mass fraction of the Si0 2 network to the mass fraction of the long-chain polyorganosiloxanes. It was found that the wear protection layer according to the invention with increased wear resistance also has a surface energy that is reduced compared to a pure SiO 2 layer. In the area of the ratio of the mass fraction of the S1O2 network to the mass fraction of the long-chain polyorganosiloxanes, in which a particularly high wear resistance is obtained, there is also a special one low surface energy. There is obviously a material-specific relationship between these two layer properties. This enables the wear protection layer according to the invention to be used simultaneously for dirt-repellent surfaces. When the polyorganosiloxane content is increased beyond an optimal range, there is a significant increase in the surface energy and thus a loss of the anti-adhesive layer properties. With a proportion between 2 and 15% by mass of long-chain polyorganosiloxane in the wear protection layer according to the invention, a total surface energy of approx. 20 mN / m and a water contact angle of over 100 ° can be obtained. With the further increase in the polyorganosiloxane content, an increasing increase in the surface energy and a decrease in the water contact angle of the wear protection layer according to the invention were found.
Für bestimmte Anwendungen werden besonders dicke Verschleißschutzschichten mit bis zu mehreren pm Schichtdicke gefordert. Das ist zum Beispiel der Fall, wenn mit der Beschichtung gleichzeitig eine Einebnung von sehr rauen Oberflächen erfolgen soll. Für derartige Anwendungen kann die Neigung zur Rissbildung in den Schichten durch die Vergrößerung des Polyorganosiloxananteils über den für eine sehr große Verschleißfestigkeit optimalen Bereich hinaus vermindert werden, so dass deutlich dickere rissfreie Schichten erhalten werden können. Für die Fierstellung von solchen dicken erfindungsgemäßen Schichten kann es vorteilhaft sein, wenn der maximale Anteil von Polyorganosiloxan bis auf ca. 30 Ma.-% ansteigt. For certain applications, particularly thick wear protection layers with a layer thickness of up to several μm are required. This is the case, for example, if very rough surfaces are to be leveled at the same time as the coating. For such applications, the tendency to crack formation in the layers can be reduced by increasing the polyorganosiloxane content beyond the range which is optimal for very high wear resistance, so that significantly thicker, crack-free layers can be obtained. For the production of such thick layers according to the invention, it can be advantageous if the maximum proportion of polyorganosiloxane increases to about 30% by mass.
Derartige Schichten mit erhöhtem Polyorganosiloxananteil verfügen nicht über die maximale Verschleißfestigkeit, welche mit der erfindungsgemäßen Verschleißschutzschicht prinzipiell erreichbar ist, neigen aber bei großer Schichtdicke im geringeren Maße zur Rissbildung während des Aushärtens. Die Anwendung derartiger Schichten ist für bestimmte Anwendungen vorteilhaft, da sie im Vergleich zu nach dem Stand der Technik realisierbaren Schichten mit vergleichbarer Dicke eine größere Verschleißfestigkeit aufweisen Such layers with an increased polyorganosiloxane content do not have the maximum wear resistance that can in principle be achieved with the wear protection layer according to the invention, but tend to a lesser extent to crack formation during curing when the layer is thick. The use of layers of this type is advantageous for certain applications, since they have greater wear resistance compared to layers of comparable thickness which can be realized according to the prior art
Erfindungsgemäß kommt es durch die chemische Verbindungsbildung (Kondensation) zwischen Flydroxylgruppen des Si02-Netzwerkes und Hydroxylgruppen der organischen Seitenketten der langkettigen Polyorganosiloxane zur Reduzierung der Zahl von hydrophilen Zentren, so dass der Einfluss des hydrophoben Polyorganosiloxananteils größer wird. Daraus resultieren die Hydrophobie und die geringe Oberflächenenergie der erfindungsgemäßen Verschleißschutzschicht. Bei einem Anteil von organischen Seitenketten an dem Polyorganosiloxan von 40 bis 60 Ma.-% liegen besonders günstige Massenverhältnisse zur möglichst vollständigen Reduzierung der hydrophilen Zentren vor. According to the invention, it occurs through the formation of chemical compounds (condensation) between Flydroxylgruppen of the Si0 2 network and Hydroxyl groups of the organic side chains of the long-chain polyorganosiloxanes to reduce the number of hydrophilic centers, so that the influence of the hydrophobic polyorganosiloxane component is greater. This results in the hydrophobicity and the low surface energy of the wear protection layer according to the invention. With a proportion of organic side chains in the polyorganosiloxane of 40 to 60 mass%, particularly favorable mass ratios are present for the most complete possible reduction of the hydrophilic centers.
Die in der Verschleißschutzschicht enthaltenen Polyorganosiloxane können zum Beispiel Polyorganosiloxan/Polyether-Copolymere (= polyethermodifizierte Polyorganosiloxane) oder Hydroxyalkyl-Polyorganosiloxane oder polyolmodifizierte Polyorganosiloxane sein. The polyorganosiloxanes contained in the wear protection layer can be, for example, polyorganosiloxane / polyether copolymers (= polyether-modified polyorganosiloxanes) or hydroxyalkyl polyorganosiloxanes or polyol-modified polyorganosiloxanes.
An den organischen Seitenketten der langkettigen Organosiloxane sind alkoholische oder phenolische Hydroxylgruppen vorhanden. Alcoholic or phenolic hydroxyl groups are present on the organic side chains of the long-chain organosiloxanes.
Ebenso können die erfindungsgemäßen hydrophoben Schichten vorteilhafterweise an sich bekannte Zusatz- und Hilfsstoffe aufweisen. The hydrophobic layers according to the invention can also advantageously have additives and auxiliaries known per se.
Als Hydroxyalkyl-Polyorganosiloxan wird vorteilhafterweise ein Hydroxymethyl- Polyorganosiloxan eingesetzt. Besonders vorteilhaft ist ein Hydroxymethyl- Polyorganosiloxan mit lateralen Methylgruppen, dessen Herstellung zum Beispiel in US8907039B2 beschrieben wird. A hydroxymethyl polyorganosiloxane is advantageously used as the hydroxyalkyl polyorganosiloxane. A hydroxymethyl polyorganosiloxane with lateral methyl groups, the production of which is described, for example, in US Pat. No. 8907039B2, is particularly advantageous.
Als polyolmodifiziertes Polyorganosiloxan kann vorteilhaft ein glycerinmodifiziertes Polyorganosiloxan eingesetzt werden, dessen Herstellung zum Beispiel in US 2005/0261133 offenbart wird. A glycerol-modified polyorganosiloxane, the production of which is disclosed, for example, in US 2005/0261133, can advantageously be used as the polyol-modified polyorganosiloxane.
Weiter werden linear geformte SiC -Nanopartikel vorteilhafterweise als Bestandteil eines Kieselsols eingesetzt, dessen Lösungsmittelphase mit dem verwendeten Polyorganosiloxan besonders gut kompatibel ist. Ein solches Lösungsmittel kann zum Beispiel Tetrahydrofuran, Methoxyethanol, Methoxypropanol oder Dioxan sein. Vorteilhaft liegt der Feststoffanteil (Massenanteil der Nanopartikel) im verwendeten Kieselsol im Bereich von 5 bis 25 %. Furthermore, linearly shaped SiC nanoparticles are advantageously used as a constituent of a silica sol whose solvent phase is particularly well compatible with the polyorganosiloxane used. Such a solvent can be, for example, tetrahydrofuran, methoxyethanol, methoxypropanol or dioxane. The solids content (mass fraction of the nanoparticles) in the silica sol used is advantageously in the range from 5 to 25%.
Dabei sollte das Lösungsmittel nicht nur im Beschichtungsmaterial zur Abscheidung der erfindungsgemäßen Verschleißschutzschicht verwendbar sein, sondern sollte gleichermaßen mit allen Komponenten des Beschichtungsmaterials kompatibel sein. Diese Voraussetzung erfüllen neben Tetrahydrofuran, Methoxyethanol und Dioxan zum Beispiel Glykolether, wie Ethylenglykolmonomethylether, Ethylenglykoldimethylether und Ethylenglykolmonoethylether oder auch Gemische von verschiedenen Lösungsmitteln. The solvent should not only be usable in the coating material for depositing the wear protection layer according to the invention, but should also be compatible with all components of the coating material. In addition to tetrahydrofuran, methoxyethanol and dioxane, glycol ethers such as ethylene glycol monomethyl ether, ethylene glycol dimethyl ether and ethylene glycol monoethyl ether or mixtures of different solvents meet this requirement.
Die Mischung der Ausgangsmaterialien wird vorteilhafterweise bei Raumtemperatur oder bei Temperaturen unterhalb der Zersetzungs- oder Reaktionstemperaturen der Ausgangsmaterialien durchgeführt und kann unter Einsatz eines Mischers oder Rührers oder mittels Ultraschall realisiert werden. Nachdem die Ausgangsmaterialien gemischt sind, werden diese erfindungsgemäß auf die vor Verschleiß zu schützende Oberfläche aufgebracht und das Lösungsmittel entfernt, beispielsweise verdampft. The mixing of the starting materials is advantageously carried out at room temperature or at temperatures below the decomposition or reaction temperatures of the starting materials and can be carried out using a mixer or stirrer or by means of ultrasound. After the starting materials have been mixed, they are applied according to the invention to the surface to be protected from wear and the solvent is removed, for example evaporated.
Bei der Abscheidung der Verschleißschutzschicht entsteht zunächst eine so genannte „Grünschicht“, welche noch einen Lösungsmittelanteil enthält. Bei dem anschließenden Entfernen des Lösungsmittels aus der Grünschicht bleiben Poren zurück, welche eine verringerte Dichte der entstehenden Verschleißschutzschicht zur Folge haben können. Eine verringerte Dichte ist mit der Verringerung der mechanischen Festigkeit der entstehenden Verschleißschutzschicht verbunden. Ein übliches Verfahren zur Verdichtung des schichtbildenden Materials bei der Abscheidung von Schichten auf Basis von Si02-Netzwerken nach dem Stand der Technik besteht in der Durchführung eines thermisch aktivierten Sinterprozesses. Eine derartige Schichtverdichtung durch thermisch aktiviertes Sintern kann bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Verschleißschutzschicht nicht ausgeführt werden, da mindestens das Polyorganosiloxan als eine der schichtbildenden Komponenten nicht thermisch sinterfähig ist. Es muss deshalb ein Verfahren zur nichtthermischen Verdichtung der erfindungsgemäßen Verschleißschutzschicht realisiert werden. Dabei kann zum Beispiel eine mechanische Verdichtung des Schichtmaterials durchgeführt werden, wobei die schichtbildenden Komponenten durch Ausüben von Druck und Scherkräften verdichtet werden. Aufgrund der spezifischen Eigenschaften der Ausgangsmaterialien zur Herstellung der erfindungsgemäßen Verschleißschutzschicht, verbunden mit dem Beginn der Ausbildung von festen Strukturen sofort nach dem Entfernen des Lösungsmittels, würde es im Fall des anschließenden Einwirkens von mechanischen Kräften zur mindestens teilweisen Zerstörung dieser Strukturen kommen. Das würde zum Abfall der mechanischen Festigkeit der entstehenden Verschleißschutzschicht führen. When the wear protection layer is deposited, a so-called “green layer” is created which still contains a proportion of solvent. When the solvent is subsequently removed from the green sheet, pores remain, which can result in a reduced density of the resulting wear protection layer. A reduced density is associated with a reduction in the mechanical strength of the wear protection layer that is created. A common method for densifying the layer-forming material in the deposition of layers based on Si0 2 networks according to the prior art is to carry out a thermally activated sintering process. Such layer compaction by thermally activated sintering cannot be carried out in the production of the wear protection layer according to the invention, since at least the polyorganosiloxane as one of the layer-forming components is not thermally sinterable. A method for non-thermal compression of the wear protection layer according to the invention must therefore be implemented. For example, a mechanical compression of the layer material can be carried out, the layer-forming components being compressed by exerting pressure and shear forces. Due to the specific properties of the starting materials for producing the wear protection layer according to the invention, combined with the start of the formation of solid structures immediately after the removal of the solvent, these structures would at least partially be destroyed in the event of the subsequent action of mechanical forces. This would lead to a decrease in the mechanical strength of the wear protection layer that is created.
In einer vorteilhaften Variante des Verfahrens zur Abscheidung der erfindungsgemäßen Verschleißschutzschicht erfolgt deshalb eine Verdichtung des Schichtmaterials mittels der Einwirkung von Druck und Scherkräften simultan zum Prozess der Entfernung des in der Grünschicht vorhandenen Lösungsmittels. Der dabei ablaufende Verdichtungsprozess ist näherungsweise mit einem allgemein gebräuchlichen Poliervorgang vergleichbar. In an advantageous variant of the method for depositing the wear protection layer according to the invention, the layer material is therefore compacted by the action of pressure and shear forces simultaneously with the process of removing the solvent present in the green layer. The compaction process that takes place here is approximately comparable to a commonly used polishing process.
Die Verdichtung des Schichtmaterials kann dabei solange ausgeführt werden, wie aufgrund der Anwesenheit einer Lösungsmittelphase die Möglichkeit zur plastischen Deformation des Schichtmaterials besteht. The compression of the layer material can be carried out as long as there is the possibility of plastic deformation of the layer material due to the presence of a solvent phase.
Eine Vorrichtung zur Verdichtung des Schichtmaterials kann ein Werkzeug sein, welches Druck und Scherkräfte realisieren kann und damit die Prozesse in Gang gesetzt werden, welche zur Verdichtung der Verschleißschutzschicht führen. Als Werkzeuge zur Realisierung von Druck- und Scherkräften können z.B. Polierwalzen eingesetzt werden. Möglich ist auch der Einsatz von mehreren Poliereinrichtungen, analog zu Polierköpfen, welche z.B. in Fahrzeugpoliermaschinen eingesetzt werden, die entsprechende Bewegungen, z.B. exzentrische Drehbewegungen, ausführen und damit die gesamte zu beschichtende Fläche abdecken. Es können aber auch Werkzeuge mit glatter oder strukturierter Oberfläche eingesetzt werden, an denen das zu verdichtende Beschichtungsmaterial eine möglichst geringe Haftung zeigt.A device for compressing the layer material can be a tool that can implement pressure and shear forces and thus start the processes that lead to the compression of the wear protection layer. As tools for the realization of pressure and shear forces, e.g. Polishing rollers are used. It is also possible to use several polishing devices, analogous to polishing heads, which e.g. are used in vehicle polishing machines, the corresponding movements, e.g. eccentric rotary movements, and thus cover the entire surface to be coated. However, tools with a smooth or structured surface to which the coating material to be compacted exhibits the least possible adhesion can also be used.
Um eine Verdichtung des Schichtmaterials zu erreichen, ist es notwendig, dass die ausgeübten Kräfte und die Deformierbarkeit der zu verdichtenden Verschleißschutzschicht in einem solchen Verhältnis zueinander abgestimmt sind, dass eine Scherkraft auf eine Grünschicht ausgeübt wird, ohne dass es lokal zu einer vollständigen Verdrängung des Schichtmaterials von der zu beschichtenden Oberfläche kommt. Während der Kraftaufbringung oder nachfolgend wird erfindungsgemäß die Verschleißschutzschicht getrocknet. In order to achieve compaction of the layer material, it is necessary that the forces exerted and the deformability of the wear protection layer to be compacted are coordinated in such a relationship that a shear force is exerted on a green layer without it becoming a local one complete displacement of the layer material comes from the surface to be coated. According to the invention, the wear protection layer is dried during the application of force or subsequently.
Während und sofort nach dem Trocknen der Verschleißschutzschicht beginnt der Prozess der Aushärtung oder Vernetzung der Schichtmaterialien mittels Kondensation. Die Kondensationsreaktion erfolgt bereits während der Trocknung und bei einer Auslagerung bei Raumtemperatur und kann durch Temperaturerhöhung beschleunigt werden. Auf diese Weise erfolgt die chemische Bindungsbildung im Schichtmaterial mit einem minimalen Masseanteil von Kohlenwasserstoffverbindungen. During and immediately after the wear protection layer dries, the process of curing or crosslinking of the layer materials by means of condensation begins. The condensation reaction already takes place during drying and during storage at room temperature and can be accelerated by increasing the temperature. In this way, the chemical bond is formed in the layer material with a minimal mass fraction of hydrocarbon compounds.
Die vollständige Trocknung und Aushärtung der Verschleißschutzschicht kann bei Temperaturen bis zu 120°C und innerhalb von 2h bis zu mehreren Tagen durchgeführt werden. Vorteilhaft ist zum Beispiel eine kurzzeitige Temperung bis 120°C für 30 Minuten und einer anschließenden Auslagerung bei Raumtemperatur für 3 Tage. The wear protection layer can be completely dried and cured at temperatures of up to 120 ° C and within 2 hours to several days. For example, brief tempering at up to 120 ° C. for 30 minutes and subsequent aging at room temperature for 3 days is advantageous.
Überraschend hat sich gezeigt, dass bereits allein durch die Kondensationsreaktion zwischen Hydroxylgruppen des SiC -Netzwerkes (silanolischen Hydroxylgruppen an Produkten aus Hydrolyse und partieller Kondensation von beispielsweise Tetraethoxysilan) und alkoholischen oder phenolischen Hydroxylgruppen, welche an organischen Seitenketten des Polyorganosiloxans vorhanden sind, eine schnelle kovalente chemische Kopplung unter Ausbildung von Si-O-C-Bindungen erfolgt, welche zur Bildung der erfindungsgemäßen Verschleißschutzschicht mit hoher Verschleißfestigkeit führt. Surprisingly, it has been shown that the condensation reaction between hydroxyl groups of the SiC network (silanolic hydroxyl groups on products from hydrolysis and partial condensation of, for example, tetraethoxysilane) and alcoholic or phenolic hydroxyl groups, which are present on organic side chains of the polyorganosiloxane, causes rapid covalent chemical Coupling takes place with the formation of Si-OC bonds, which leads to the formation of the wear protection layer according to the invention with high wear resistance.
Durch die erfindungsgemäße Verschleißschutzschicht wird einerseits eine Verbesserung der Beständigkeit der Verschleißschutzschicht erreicht, was zu einem verbesserten Schutz von Oberflächen gegenüber Abrasion führt. Ebenso wird durch die erfindungsgemäße Verschleißschutzschicht eine Verminderung des Anhaftens von Schmutz auf der Verschleißschutzschicht erreicht. Die erfindungsgemäße Verschleißschutzschicht weist eine Härte wenig unter der Härte eines reinen SiC -Netzwerkes und deutlich über der Härte der langkettigen Polyorganosiloxane auf. Die Struktur der erfindungsgemäßen Verschleißschutzschicht nähert sich partiell der Struktur des reinen SiC -Netzwerkes an, wodurch die Härte des SiC -Netzwerkes zu einem großen Teil den mechanischen Eigenschaften der erfindungsgemäßen Verschleißschutzschicht entspricht. On the one hand, the wear protection layer according to the invention improves the resistance of the wear protection layer, which leads to an improved protection of surfaces against abrasion. The wear protection layer according to the invention also reduces the adhesion of dirt to the wear protection layer. The wear protection layer according to the invention has a hardness a little below the hardness of a pure SiC network and well above the hardness of the long-chain polyorganosiloxanes. The structure of the wear protection layer according to the invention partially approximates the structure of the pure SiC network, whereby the hardness of the SiC network largely corresponds to the mechanical properties of the wear protection layer according to the invention.
Überraschend wurde gefunden, dass eine Kombination eines SiC -Netzwerkes, welches quasi ein hartes Material ist, mit langkettigen Polyorganosiloxanen (= Silikon), welche quasi ein ausgesprochen weiches Material sind, eine deutlich größere Verschleißfestigkeit aufweist, als eine gleich behandelte Schicht, die nur aus einem reinen SiC -Netzwerk besteht. Surprisingly, it was found that a combination of a SiC network, which is quasi a hard material, with long-chain polyorganosiloxanes (= silicone), which are quasi an extremely soft material, has a significantly greater wear resistance than a similarly treated layer that only consists of a pure SiC network.
Damit das SiC -Netzwerk seine Härte möglichst weitgehend in die erfindungsgemäße Verschleißschutzschicht einbringen kann, darf das SiC -Netzwerk keine organischen Seitenketten aufweisen, welche die Gesamthärte der anorganischen Struktur herabsetzen würden. Deshalb müssen zur Herstellung des Si02-Netzwerkes der erfindungsgemäßen Verschleißschutzschicht Si-Verbindungen eingesetzt werden, aus denen mittels Hydrolyse und Kondensation ein ausschließlich reines SiC -Netzwerk entstehen kann. So that the SiC network can bring its hardness as largely as possible into the wear protection layer according to the invention, the SiC network must not have any organic side chains which would reduce the overall hardness of the inorganic structure. Therefore, to produce the Si0 2 network of the wear protection layer according to the invention, Si compounds must be used, from which an exclusively pure SiC network can arise by means of hydrolysis and condensation.
Das eingesetzte Kieselsol wurde dabei aus Alkoxysilanen (Si-Alkoxide), welche nicht organisch modifiziert sind, wie beispielsweise Tetraethoxysilan (TEOS), durch Hydrolyse- und Kondensationsreaktionen gebildet. Während der erfindungsgemäßen Herstellung der erfindungsgemäßen Verschleißschutzschicht wird daraus in einem Sol-Gel-Übergang ein reines SiC -Netzwerk ausgebildet. Dabei ist von besonderer erfindungsgemäßer Bedeutung, dass das eingesetzte Kieselsol linear geformte S1O2- Nanopartikel aufweist. Überraschenderweise wirkt die aus diesen linear geformten Partikeln erzeugte spezielle Struktur des erfindungsgemäß vorhandenen S1O2- Netzwerkes besonders vorteilhaft auf die Verschleißfestigkeit der Schicht. Die besonderen Eigenschaften der erfindungsgemäßen Verschleißschutzschicht, die insbesondere eine hohe Verschleißfestigkeit und eine verringerte Haftung von adhäsiven Materialien sind, werden erfindungsgemäß durch die Kombination der Härte des reinen SiC -Netzwerkes mit der Flexibilität und niedrigen Oberflächenenergie des langkettigen Polyorganosiloxans erreicht. The silica sol used was formed from alkoxysilanes (Si alkoxides) which are not organically modified, such as tetraethoxysilane (TEOS), through hydrolysis and condensation reactions. During the production according to the invention of the wear protection layer according to the invention, a pure SiC network is formed therefrom in a sol-gel transition. It is of particular importance according to the invention that the silica sol used has linearly shaped S1O 2 nanoparticles. Surprisingly, the special structure produced from these linearly shaped particles of the S1O 2 network present according to the invention has a particularly advantageous effect on the wear resistance of the layer. The special properties of the wear protection layer according to the invention, in particular high wear resistance and reduced adhesion of adhesive materials, are achieved according to the invention by combining the hardness of the pure SiC network with the flexibility and low surface energy of the long-chain polyorganosiloxane.
Weiterhin ist bei der Mischung der Ausgangsmaterialien vorteilhaft, wenn eine gute Durchmischung von Kieselsol und Polyorganosiloxanmolekülen in einem Lösungsmittel realisiert wird und dass es insbesondere während des Entfernens des Lösungsmittels im Verlauf der Schichtentstehung nicht zu Phasentrennung im Beschichtungsmaterial kommt. Deshalb muss das erfindungsgemäß einzusetzende Lösungsmittel mit allen Komponenten der Verschleißschutzschicht während des Schichtabscheidungsprozesses stabile echte Lösungen oder stabile kolloidale Lösungen bilden. When mixing the starting materials, it is also advantageous if the silica sol and polyorganosiloxane molecules are thoroughly mixed in a solvent and, in particular, during the removal of the solvent in the course of the layer formation, there is no phase separation in the coating material. The solvent to be used according to the invention must therefore form stable real solutions or stable colloidal solutions with all components of the wear protection layer during the layer deposition process.
Ebenso ist es erfindungsgemäß notwendig, eine gute bis sehr gute chemisch kovalente Kopplung zwischen den reinen Si02-Netzwerksbereichen und den organischen Seitenketten des Polyorganosiloxans zu realisieren. It is also necessary according to the invention to achieve good to very good chemically covalent coupling between the pure Si0 2 network areas and the organic side chains of the polyorganosiloxane.
Weiterhin wirken sich zum Beispiel organische Seitenketten, welche an das Polyorganosiloxan gebunden sind und keinen Beitrag zur Verbindungsbildung leisten, negativ auf die Verschleißfestigkeit aus, so dass angestrebt werden soll, das Vorhandensein solcher Seitenketten weitgehend zu vermeiden. Auch die Länge der am Polyorganosiloxanen vorhandenen organischen Seitenketten, welche mit den von ihnen getragenen Hydroxylgruppen zur Verbindungsbildung beitragen, sollte auf ein Minimum begrenzt sein. Furthermore, organic side chains, for example, which are bound to the polyorganosiloxane and make no contribution to the formation of the compound, have a negative effect on the wear resistance, so that the aim is to largely avoid the presence of such side chains. The length of the organic side chains present on the polyorganosiloxanes, which, together with the hydroxyl groups they carry, contribute to the formation of compounds, should also be limited to a minimum.
Erfindungsgemäß soll vorteilhafterweise das Polyorganosiloxan für die Verschleißschutzschicht über die Länge der Si-O-Kette verteilt eine optimale Anzahl an Hydroxylgruppen tragenden Seitenketten aufweisen, mit denen eine intensive Verbindungsbildung mit dem SiC -Netzwerk realisiert werden kann, ohne dass eine bedeutende Anzahl an nichtumgesetzten Hydroxylgruppen nach der Kondensationsreaktion erhalten bleibt. Das wirkt sich sowohl auf die Verschleißfestigkeit als auch auf die Schmutzabweisung der Schichten positiv aus, da sich mit der Minimierung der Zahl der nach der Vernetzung des Schichtmaterials zurückbleibenden Hydroxylgruppen auch die Polarität der Schichtoberfläche verringert. According to the invention, the polyorganosiloxane for the wear protection layer should advantageously have an optimal number of side chains bearing hydroxyl groups distributed over the length of the Si-O chain, with which an intensive connection with the SiC network can be realized without a significant number of unreacted hydroxyl groups the condensation reaction is retained. That affects both the Wear resistance as well as the dirt repellency of the layers have a positive effect, since with the minimization of the number of hydroxyl groups remaining after the crosslinking of the layer material, the polarity of the layer surface also decreases.
Ebenfalls überraschenderweise hat sich gezeigt, dass die Oberfläche der erfindungsgemäßen Verschleißschutzschicht wasserabweisend ist. It has also surprisingly been found that the surface of the wear protection layer according to the invention is water-repellent.
Gleichzeitig zeichnet sich diese Verschleißschutzschicht durch eine gute mechanische Festigkeit und eine geringe Rauheit aus. Ein typischer Wasserkontaktwinkel einer erfindungsgemäßen Verschleißschutzschicht liegt im Bereich um 100° und darüber. Das Wasserbenetzungsverhalten der erfindungsgemäßen Verschleißschutzschicht, welche unter Verwendung von polyethermodifiziertem Polydimethylsiloxan hergestellt wurde, ist deshalb besonders überraschend, da derartige Materialien nach dem Stand der Technik als Hydrophilierungsmittel eingesetzt werden. At the same time, this wear protection layer is characterized by good mechanical strength and low roughness. A typical water contact angle of a wear protection layer according to the invention is in the range of 100 ° and more. The water wetting behavior of the wear protection layer according to the invention, which was produced using polyether-modified polydimethylsiloxane, is therefore particularly surprising since materials of this type are used as hydrophilicizing agents according to the prior art.
Bei der erfindungsgemäßen Verschleißschutzschicht besteht eine im Vergleich zu bisherigen Nanokompositwerkstoffen oder nanoskaligen (anorganisch/organischen) Hybridpolymeren deutlich erhöhte Verschleißbeständigkeit. Ein wesentlicher Unterschied zwischen den Lösungen dieses Standes der Technik für Nanokompositwerkstoffe ist, dass es für die bekannten Lösungen essentiell ist, dass die Nanopartikel im Endzustand der Schichten vorhanden sind. Dies ist erfindungsgemäß gerade nicht der Fall, da alle Nanopartikel des Kieselsols in ein Si02-Netzwerk übergegangen sind. The wear protection layer according to the invention has a significantly increased wear resistance compared to previous nanocomposite materials or nanoscale (inorganic / organic) hybrid polymers. An essential difference between the solutions of this prior art for nanocomposite materials is that it is essential for the known solutions that the nanoparticles are present in the final state of the layers. According to the invention, this is precisely not the case, since all the nanoparticles of the silica sol have passed into an Si0 2 network.
Die Bildung von zusätzlichen chemischen Bindungen in der Verschleißschutzschicht kann sich vorteilhaft auf deren Festigkeit auswirken. Eine derartige Verbindungsbildung kann über die Vernetzung von Polyetherketten der langkettigen Polyorganosiloxane erfolgen. Dazu können bereits bekannte Vernetzungsmittel verwendet werden, wie zum Beispiel 1 ,6-Hexamethylendiisocyanat und Isophorondiisocyanat, Polyisocyanate oder Polyisocyanate mit Uretdionstruktur, hergestellt durch katalytische Dimerisierung und gegebenenfalls gleichzeitige Trimerisierung monomerer aliphatischer oder cycloaliphatischer Diisocyanate. Um eine Steigerung der Härte und Verschleißfestigkeit von Schichten aus polymeren Materialien zu erreichen, werden bekanntermaßen den Schichtmaterialien harte Partikel zugesetzt. Dies kann erfindungsgemäß besonders effektiv erfolgen, da die erfindungsgemäßen Verschleißschutzschichten Partikel, wie beispielsweise S1O2- Partikel besonders gut in ihre Struktur einbinden und diese Partikel aufgrund ihrer bereits bestehenden Festigkeit zu einem besonders guten Verschleißschutz führen. The formation of additional chemical bonds in the wear protection layer can have an advantageous effect on its strength. Such a connection formation can take place via the crosslinking of polyether chains of the long-chain polyorganosiloxanes. Known crosslinking agents can be used for this, such as, for example, 1,6-hexamethylene diisocyanate and isophorone diisocyanate, polyisocyanates or polyisocyanates with a uretdione structure, prepared by catalytic dimerization and, if appropriate, simultaneous trimerization of monomeric aliphatic or cycloaliphatic diisocyanates. In order to increase the hardness and wear resistance of layers made of polymeric materials, hard particles are known to be added to the layer materials. This can take place particularly effectively according to the invention, since the wear protection layers according to the invention incorporate particles such as S1O2 particles particularly well into their structure and these particles lead to particularly good wear protection due to their already existing strength.
Nachfolgend wird die Erfindung an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert. The invention is explained in more detail below using several exemplary embodiments.
Beispiel 1 example 1
Abscheidung dünner Verschleißschutzschichten auf Polymerfolien Herstellung des Kieselsols: Deposition of thin wear protection layers on polymer films Production of the silica sol:
Zu einem Gemisch aus 526g Tetraethoxysilan und 142g Tetrahydrofuran (THF) werden unter Rühren tropfenweise 90,9g 0,053N HCl in 142g THF zugegeben. Die entstehende Mischung wird 14 Tage bei Raumtemperatur gerührt. Anschließend werden 638g THF zugefügt. 90.9 g of 0.053N HCl in 142 g of THF are added dropwise with stirring to a mixture of 526 g of tetraethoxysilane and 142 g of tetrahydrofuran (THF). The resulting mixture is stirred for 14 days at room temperature. Then 638 g of THF are added.
In 25g Ethylenglykolmonomethylether werden 1 ,5g Aeroxid LE1 (BASF) unter Ultraschalleinwirkung eingemischt. Die Mischung wird mit 2,2 g Polysiloxan (Dimethylsiloxan (60% Propylenoxid- 40% Ethylenoxid) Block Copolymer (AB 114269, Lieferant: ABCR) in 10g Kieselsol eingerührt. Die Mischung wird mit 390 g Kieselsol aufgefüllt. 1.5 g Aeroxid LE1 (BASF) are mixed into 25 g of ethylene glycol monomethyl ether under the action of ultrasound. 2.2 g of polysiloxane (dimethylsiloxane (60% propylene oxide- 40% ethylene oxide) block copolymer (AB 114269, supplier: ABCR) are stirred into the mixture in 10 g of silica sol, and the mixture is made up with 390 g of silica sol.
Eine Polymerfolie (TEONEX Q65FA, ungefülltes Polyethylennaphthalat (PEN), 125pm) wird nach bekannten Verfahren mit einer Kieselsol-Haftschicht versehen. Anschließend wird die Mischung des Beschichtungsmaterials mittels Spritzen aufgebracht und damit eine homogen geschlossene, glatte Schicht mit einer Schichtdicke im Bereich von 0,8 bis 1 ,1 pm hergestellt. Die beschichtete Folie wird 30 Minuten bei 110°C getempert und 2 Tage bei Raumtemperatur ausgelagert. Zur vergleichenden Beurteilung der Verschleißfestigkeit der Schichten wurden Untersuchungen mittels Tribometer nach dem Kugel-auf-Scheibe-Prinzip durchgeführt. Dabei reibt eine fest eingespannte Kugel, die mit einer Kraft F angepresst wird, auf dem zu testenden Material. Typische Versuchsparameter sind: Kugelmaterial Si3N4, Durchmesser 8 mm, Frequenz 3 Hz, Zahl der Oszillationen (Perioden) bis 10000, Last 2,2N. Durch die mikroskopische Auswertung der Verschleißspur mittels 3D-Laserscanning-Mikroskop wurde der Fortschritt des Verschleißes für unterschiedliche Proben bei gleicher Zahl der Oszillationen verglichen. A polymer film (TEONEX Q65FA, unfilled polyethylene naphthalate (PEN), 125 μm) is provided with a silica sol adhesive layer using known methods. The mixture of the coating material is then applied by spraying and a homogeneously closed, smooth layer with a layer thickness in the range from 0.8 to 1.1 μm is thus produced. The coated film is tempered for 30 minutes at 110 ° C. and stored for 2 days at room temperature. For a comparative assessment of the wear resistance of the layers, tests were carried out using a tribometer according to the ball-on-disk principle. A firmly clamped ball, which is pressed with a force F, rubs on the material to be tested. Typical test parameters are: ball material Si3N4, diameter 8 mm, frequency 3 Hz, number of oscillations (periods) up to 10,000, load 2.2N. Through the microscopic evaluation of the wear track using a 3D laser scanning microscope, the progress of wear was compared for different samples with the same number of oscillations.
Die Messung mittels Tribometer mit einer Auflagekraft von 2,2 Newton bis 10000 Perioden ergibt bei der erfindungsgemäßen Schicht keine eingegrabene Verschleißspur und damit eine deutlich erhöhte Abriebfestigkeit im Vergleich zur unbeschichteten Folie, bei der eine Verschleißspur mit einer Tiefe von bis zu 3 pm erhalten wurde. The measurement by means of a tribometer with a contact force of 2.2 Newtons up to 10,000 periods shows no buried wear track in the layer according to the invention and thus a significantly increased abrasion resistance compared to the uncoated film, in which a wear track with a depth of up to 3 μm was obtained.
Der hydrophobe Charakter der erfindungsgemäßen Schicht wird durch einen gemessenen Wasserkontaktwinkel von 102° belegt. The hydrophobic character of the layer according to the invention is demonstrated by a measured water contact angle of 102 °.
Beispiel 2 Example 2
Beschichtungsmischung mit geringer Neigung zur Rissbildung zur Einebnung von rauen Polymeroberflächen Coating mixture with a low tendency to crack for leveling rough polymer surfaces
Beschichtungsmischung: Coating mixture:
In 350g des Kieselsols nach Beispiel 1 werden 0,15g Dibutylzinndilaurat und 2,5g Bis(4-hydroxyphenyl)sulfon gelöst. Anschließend werden 1 ,2g 3-lsocyanatmethyl- 3,5,5-trimethylcyclohexylisocyanat und 7,7g Polysiloxan (Dimethylsiloxan (60% Propylenoxid- 40% Ethylenoxid) Block Copolymer (AB 114269, Lieferant: ABCR) unter Rühren eingemischt. Die so hergestellte Beschichtungsmischung wird auf eine mittels 3D-Druck hergestellte Polymeroberfläche aufgesprüht. Der Sprühvorgang wird nach jeweiliger Zwischentrocknung bei Raumtemperatur 2x wiederholt und das so behandelte Material anschließend 3 Tage bei Raumtemperatur ausgelagert. 0.15 g of dibutyltin dilaurate and 2.5 g of bis (4-hydroxyphenyl) sulfone are dissolved in 350 g of the silica sol according to Example 1. Then 1.2 g of 3-isocyanate methyl-3,5,5-trimethylcyclohexyl isocyanate and 7.7 g of polysiloxane (dimethylsiloxane (60% propylene oxide- 40% ethylene oxide) block copolymer (AB 114269, supplier: ABCR) are mixed in with stirring. The coating mixture produced in this way is sprayed onto a polymer surface produced by means of 3D printing. The spraying process is repeated twice after each intermediate drying at room temperature and the material treated in this way is then stored for 3 days at room temperature.
Im Ergebnis wird eine Schicht erhalten, welche deutliche antihaftende Eigenschaften gegenüber einer erstarrten Polymerschmelze aufweist. As a result, a layer is obtained which has clear anti-adhesive properties in relation to a solidified polymer melt.
Mittels Trimbometer ist eine erhöhte Abriebfestigkeit der aufgebrachten erfindungsgemäßen Schicht nachweisbar, für die eine Verschleißspurtiefe bis 1 ,5 pm messbar war, im Vergleich zu der mittels 3D-Druck hergestellten Polymeroberfläche, bei der eine Verschleißspur mit einer Tiefe von bis zu 5,5 pm festgestellt wurde. Using a trimbometer, an increased abrasion resistance of the applied layer according to the invention can be detected, for which a wear track depth of up to 1.5 μm was measurable, compared to the polymer surface produced by means of 3D printing, in which a wear track with a depth of up to 5.5 μm was determined has been.
Beispiel 3 Example 3
Verfahren zur Schichtabscheidung mit Verdichtung des Schichtmaterials Method for layer deposition with compaction of the layer material
Auf eine Folie wird analog zu Beispiel 1 eine Lage des Beschichtungsmaterials aufgebracht. Das Beschichtungsmaterial wird unmittelbar danach (noch vor dem Verdampfen des Lösungsmittels) im Kontakt mit einer rotierenden Polymeroberfläche gebracht und durch diese abgerastert, wobei die Polymeroberfläche eine konzentrische Ringstruktur mit einer Strukturtiefe von 2 pm aufweist. Auf diese Weise wird das Beschichtungsmaterial plastisch deformiert. Dabei entsteht eine Schicht, welche Strukturen aufweist, in denen das erstarrte Beschichtungsmaterial in gekrümmten, parallel verlaufenden Linien vorliegt. Die so gebildete Schicht wird 30 Minuten bei 110°C getempert und 2 Tage bei Raumtemperatur ausgelagert. Messungen mittels Tribometer belegen eine hohe Abriebfestigkeit der Schichtoberfläche, welche sich darin zeigt, dass nach 10000 Perioden mit 2,2 Newton Auflagekraft nur an den Höhen der Oberflächenstruktur geringe Schleifspuren sichtbar sind. Analogously to Example 1, a layer of the coating material is applied to a film. Immediately thereafter (before evaporation of the solvent) the coating material is brought into contact with a rotating polymer surface and scanned through it, the polymer surface having a concentric ring structure with a structure depth of 2 μm. In this way, the coating material is plastically deformed. This creates a layer which has structures in which the solidified coating material is present in curved, parallel lines. The layer formed in this way is tempered for 30 minutes at 110 ° C. and stored for 2 days at room temperature. Measurements by means of a tribometer confirm the high abrasion resistance of the layer surface, which is shown by the fact that after 10,000 periods with 2.2 Newtons of contact force, only slight abrasion marks are visible at the heights of the surface structure.
Auf der erfindungsgemäß beschichteten Folie ist keine Verschleißspurtiefe messbar. Die Verschleißspur der unbeschichteten Folie besitzt eine Tiefe bis 3 pm. No wear track depth can be measured on the film coated according to the invention. The wear track of the uncoated film has a depth of up to 3 μm.

Claims

Patentansprüche Claims
1. Verschleißschutzschicht, enthaltend mindestens ein SiCte-Netzwerk, welches in Form von mindestens zwei Domänen vorliegt und die Dimensionen der einzelnen Domänen die Nanoskaligkeit in alle Raumrichtungen übersteigen, und weiterhin enthaltend langkettige Polyorganosiloxane mit jeweils mehr als 50 Wiederholungseinheiten im Si-O-Si-Grundgerüst des Polyorganosiloxans, die mindestens kammartig an der Si-O-Si-Hauptkette gebundene organische Seitenketten aufweisen, und wobei in den Domänen nur das SiC -Netzwerk vorhanden ist und zwischen den Domänen mindestens teilweise die langkettigen Polyorganosiloxane angeordnet sind, und wobei mindestens teilweise die organischen Seitenketten der langkettigen Polyorganosiloxane chemisch kovalent mit dem SiC -Netzwerk gekoppelt sind. 1. Wear protection layer, containing at least one SiCte network, which is present in the form of at least two domains and the dimensions of the individual domains exceed the nanoscale in all spatial directions, and furthermore containing long-chain polyorganosiloxanes each with more than 50 repeating units in the Si-O-Si Basic structure of the polyorganosiloxane, which have at least a comb-like organic side chains bonded to the Si-O-Si main chain, and wherein only the SiC network is present in the domains and the long-chain polyorganosiloxanes are at least partially arranged between the domains, and at least partially the organic side chains of the long-chain polyorganosiloxanes are chemically covalently coupled to the SiC network.
2. Verschleißschutzschicht nach Anspruch 1 , bei der die kleinste Abmessung des Si02-Netzwerkes mehr als 100 nm beträgt. 2. Wear protection layer according to claim 1, in which the smallest dimension of the Si0 2 network is more than 100 nm.
3. Verschleißschutzschicht nach Anspruch 1 , bei der das aus einem Kieselsol durch die Vernetzung von linear geformten SiC -Partikeln eines Kieselsols mittels Kondensation nach einem Sol-Gel-Verfahren hergestellte SiC -Netzwerk aus SiC— Partikeln aufgebaut ist. 3. Wear protection layer according to claim 1, in which the SiC network produced from a silica sol by crosslinking linearly shaped SiC particles of a silica sol by means of condensation using a sol-gel process is composed of SiC particles.
4. Verschleißschutzschicht nach Anspruch 1 , bei der mehr als 100 Wiederholungseinheiten in der Siloxankette, besonders vorteilhafterweise mehr als 300 Wiederholungseinheiten in der Siloxankette vorhanden sind. 4. Wear protection layer according to claim 1, in which there are more than 100 repeating units in the siloxane chain, particularly advantageously more than 300 repeating units in the siloxane chain.
5. Verschleißschutzschicht nach Anspruch 1 , bei der als langkettige Polyorganosiloxane mit organischen Seitenketten Polyorganosiloxan/Polyether- Copolymere (=polyethermodifizierte Polyorganosiloxane) oder Hydroxyalkyl- Polyorganosiloxane oder polyolmodifizierte Polyorganosiloxane vorhanden sind. 5. Wear protection layer according to claim 1, in which the long-chain polyorganosiloxanes with organic side chains are polyorganosiloxane / polyether copolymers (= polyether-modified polyorganosiloxanes) or hydroxyalkyl polyorganosiloxanes or polyol-modified polyorganosiloxanes.
6. Verschleißschutzschicht nach Anspruch 1 , bei dem ein Anteil von organischen Seitenketten an dem Polyorganosiloxan von 40 bis 60 Ma.-% vorliegt. 6. Wear protection layer according to claim 1, in which the proportion of organic side chains in the polyorganosiloxane is 40 to 60% by mass.
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7. Verschleißschutzschicht nach Anspruch 1 , bei der die an den organischen Seitenketten der langkettigen Polyorganosiloxane vorhandenen alkoholischen oder phenolischen Hydroxylgruppen durch Kondensationsreaktionen mit silanolischen Hydroxylgruppen der Domänen des SiC -Netzwerkes mindestens teilweise in Ethergruppen umgewandelt sind. 7. Wear protection layer according to claim 1, in which the alcoholic or phenolic hydroxyl groups present on the organic side chains of the long-chain polyorganosiloxanes are at least partially converted into ether groups by condensation reactions with silanolic hydroxyl groups of the domains of the SiC network.
8. Verschleißschutzschicht nach Anspruch 1 , bei der 1 - 30 Ma.-%, vorteilhaft 2- 15 Ma.-%, sehr vorteilhaft 2 bis 8 Ma.-% langkettiges Polyorganosiloxan vorhanden ist. 8. Wear protection layer according to claim 1, in which 1 to 30% by mass, advantageously 2 to 15% by mass, very advantageously 2 to 8% by mass of long-chain polyorganosiloxane is present.
9. Verschleißschutzschicht nach Anspruch 1 , bei der an sich bekannte Zusatz- und Hilfsstoffe vorhanden sind. 9. Wear protection layer according to claim 1, in which additives and auxiliaries known per se are present.
10. Verfahren zur Herstellung von Verschleißschutzschichten aus einem S1O2- Netzwerk und langkettigen Polyorganosiloxanen mit organischen Seitenketten, die chemisch kovalent mit dem SiC -Netzwerk gekoppelt sind, bei dem aus mindestens einem Kieselsol, welches mittels Hydrolyse und partieller Kondensation hergestellt wurde, und mindestens 1 - 30 Ma.-% eines langkettigen Polyorganosiloxans und mindestens einem Lösungsmittel, welches mit den Komponenten der Verschleißschutzschicht während des Schichtabscheidungsprozesses stabile echte Lösungen oder stabile kolloidale Lösungen bildet, eine Mischung hergestellt wird und diese auf die vor Verschleiß zu schützende Oberfläche aufgebracht wird, wobei während und/oder nach der Aufbringung und bei Vorliegen einer plastischen Verformbarkeit der aufgebrachten Mischung Druck- und/oder Scherkräfte mindestens bereichsweise auf die gebildete Schicht aufgebracht werden und während des Aufbringens von Druck- und/oder Scherkräften und/oder nachfolgend die aufgebrachte und/oder verdichtete Schicht getrocknet wird. 10. Process for the production of wear protection layers from an S1O2 network and long-chain polyorganosiloxanes with organic side chains which are chemically covalently coupled to the SiC network, in which at least one silica sol, which was produced by means of hydrolysis and partial condensation, and at least 1 - 30 mass% of a long-chain polyorganosiloxane and at least one solvent, which forms stable real solutions or stable colloidal solutions with the components of the wear protection layer during the layer deposition process, a mixture is produced and this is applied to the surface to be protected against wear, with during and / or after the application and if the applied mixture is plastically deformable, compressive and / or shear forces are applied at least regionally to the layer formed and during the application of compressive and / or shear forces and / or subsequently the applied and / or compacted layer is dried.
11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem ein Kieselsol eingesetzt wird, zu dessen Herstellung ein Wasser zu Tetraethoxysilan-Verhältnis im Bereich von 1 zu 1 bis 1 zu 2 angewandt wurde. 11. The method according to claim 10, in which a silica sol is used, for the preparation of which a water to tetraethoxysilane ratio in the range from 1: 1 to 1: 2 was used.
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12. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem linear geformte SiC -Nanopartikel in einem Kieselsol mit einem Feststoffanteil im Bereich von 2 bis 25% eingesetzt werden. 12. The method according to claim 10, in which linearly shaped SiC nanoparticles are used in a silica sol with a solids content in the range from 2 to 25%.
13. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem 2- 15 Ma.-%, vorteilhaft 2 bis 8 Ma. %, eines langkettigen Polyorganosiloxans der Mischung zugegeben werden. 13. The method according to claim 10, in which 2- 15 mass%, advantageously 2 to 8 mass. %, of a long-chain polyorganosiloxane are added to the mixture.
14. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem als polyethermodifiziertes Polyorganosiloxan BYK 333 (BYK Additives & Instruments), Tego Glide 410, TEGO Glide 450 (Evonik Industries), Dimethylsiloxan (60% Propylenoxid- 40% Ethylenoxid) Block Copolymer AB 114269 (ABCR)) und/oder als Hydroxyalkyl-Polyorganosiloxan Hydroxymethyl-Polyorganosiloxan mit lateralen Methylgruppen und/oder als polyolmodifiziertes Polyorganosiloxan ein glycerinmodifiziertes Polyorganosiloxan eingesetzt werden. 14. The method according to claim 10, in which the polyether-modified polyorganosiloxane BYK 333 (BYK Additives & Instruments), Tego Glide 410, TEGO Glide 450 (Evonik Industries), dimethylsiloxane (60% propylene oxide- 40% ethylene oxide) block copolymer AB 114269 (ABCR) ) and / or as the hydroxyalkyl polyorganosiloxane hydroxymethyl polyorganosiloxane with lateral methyl groups and / or as the polyol-modified polyorganosiloxane a glycerol-modified polyorganosiloxane can be used.
15. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem als Lösungsmittel Tetrahydrofuran, Methoxyethanol, Dioxan, Glykolether, wie Ethylenglykolmonomethylether, Ethylenglykoldimethylether und Ethylenglykolmonoethylether oder auch Gemische von verschiedenen Lösungsmitteln eingesetzt werden. 15. The method according to claim 10, wherein the solvent used is tetrahydrofuran, methoxyethanol, dioxane, glycol ethers, such as ethylene glycol monomethyl ether, ethylene glycol dimethyl ether and ethylene glycol monoethyl ether, or mixtures of different solvents.
16. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die Mischung der Ausgangsmaterialien bei Raumtemperatur oder bei Temperaturen unterhalb der Zersetzungs- oder Reaktionstemperaturen der Ausgangsmaterialien und unter Einsatz eines Mischers oder Rührers oder mittels Ultraschall realisiert wird. 16. The method according to claim 10, in which the mixing of the starting materials is realized at room temperature or at temperatures below the decomposition or reaction temperatures of the starting materials and using a mixer or stirrer or by means of ultrasound.
17. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem nach der Aufbringung der Schicht mindestens bereichsweise auf die Schicht Druck- und/oder Scherkräfte aufgebracht werden. 17. The method according to claim 10, in which, after the application of the layer, pressure and / or shear forces are applied to the layer at least in regions.
18. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die Trocknung der Schicht bei Temperaturen von bis 120 °C und innerhalb von 2 h bis zu mehreren Tagen durchgeführt wird. 18. The method according to claim 10, wherein the drying of the layer is carried out at temperatures of up to 120 ° C and within 2 hours up to several days.
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