DE10127494A1 - Funktionelle anorganische Bornitrid Schichten - Google Patents

Funktionelle anorganische Bornitrid Schichten

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Bornitrid-Schichten auf metallischen, keramischen, emaillierten und/oder Glas-Substraten unter Verwendung von kristallinem Bornitrid und einem anorganischen Bindersystem. So hergestellte Schichten eignen sich als Hochtemperatur-"Easy-to-clean"-Schichten sowie als tribologische Schichten. Als anorganisches Bindersystem werden keramische Nanoteilchen oder aber glasartige Bindersysteme auf Basis von Metallorganylverbindungen verwendet.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Bornitrid-Schichten auf metallischen, keramischen, emaillierten und/oder Glas-Substraten unter Verwendung von kristallinem Bornitrid und einem anorganischen Bindersystem. So hergestellte Schichten eignen sich als Hochtemperatur-"Easy-to-clean"-Schichten sowie als tribologische Schichten. Als anorganisches Bindersystem werden keramische Nanoteilchen oder aber glasartige Bindersysteme auf Basis von Metallorganylverbindungen verwendet.
  • Die Veredlung von Oberflächen durch funktionale Schichten ist seit Jahrzehnten bekannt und industriell umgesetzt. So können über gängige Beschichtungsverfahren traditionelle Werkstoffe wie Glas, Keramik Metall und Polymer mit neuen Oberflächeneigenschaften ausgerüstet werden. Beispiele hierzu wären z. B. Kratzfestbeschichtungen für Gläser, Korrosionsschutzschichten und tribologische Schichten für Metalle oder aber schmutzabweisende "Easy-to-clean"-Schichten für Gläser, Keramiken und Metalle.
  • Der "Easy-to clean-Effekt" beruht auf der Ausbildung einer Niederenergieoberfläche auf der weder Wasser noch Öl anhaftet. Erreicht wird dies durch fluorierte Polymere (Teflon oder Ormocere), die die Oberflächenenergie eines Beschichtungssystem drastisch reduzieren. Erklären lässt sich dieses Phänomen dadurch, dass das elektronegativste Element Fluor das bindende Elektronenpaar der C-F Bindung nahezu vollständig in Anspruch nimmt und somit innermolekular abgesättigt ist. Die noch nach außen wirkenden von der Walls Kräfte sind so gering, dass solche Oberfläche keine Tendenz mehr zeigen, über Komplexbildung chemische Verbindungen an der Oberfläche zu binden.
  • Aufgebracht werden Easy to clean Schichten entweder durch das Spritzen von Teflon (Reines Fluorpolymer) oder über den Sol-Gel-Prozeß, bei dem Silane mit perfluorierten, organischen Seitenketten in anorganische-organische Komposite cokondensiert werden. Dabei haben die perfluorierten Seitenketten die Eigenschaft, sich während des Beschichtungsvorganges thermodynamisch kontrolliert an der Oberfläche anzureichern, so dass eine Verarmung an perfluorierten Silanen im unteren Teil der Schicht stattfindet. Dies wiederum garantiert eine Haftung an das jeweilige beschichtete Substrat, ein immenser Vorteil gegenüber den angesprochenen Teflonbeschichtungen die erst durch eine mechanische Verzahnung auf dem Substat haften. In allen Fällen verlieren die Schichten bei der Anwendung hoher Temperaturen ihre Easy-to-clean-Eigenschaft, da der organische Träger der Beschichtung zerstört wird. Da z. B. im Bereich der Teflonbeschichtung oberhalb 400°C toxische, fluorierte Verbindungen entstehen, werden Temperaturen oberhalb 300°C industriell nicht überschritten.
  • Im Gegensatz zum Easy-to-clean-Effekt beruht der Lotus-Effekt nicht auf der Ausbildung einer Niederenergieoberfläche, sondern auf der Ausbildung einer Mikrostruktur, bei der ein Wassertropfen nicht aufspreiten kann. Da Wassertropfen an einer solchen Oberfläche abperlen mit Randwinkeln > 120 Grad und dabei den Schmutz mit sich ziehen wirkt auch der Lotus-Effekt schmutzabweisend und darüber hergestellte Oberflächen als Easy-to-clean-Oberfläche. Die aus der Natur bekannten, ebenso wie die synthetischen Lotus-Oberflächen enthalten ein organisches Netzwerk, so dass diese Oberflächen ebenfalls nicht temperaturstabil sind. Es hat nicht an Versuchen gefehlt, die mikrostrukturierte Oberfläche einer Lotuspflanze mit Hilfe einer keramischen Mikrostruktur nachzubilden, doch bis heute ist dies nicht gelungen.
  • Zusammengefasst gibt es im Stand der Technik Beschichtungssysteme die entweder einer Niederenergieoberfläche oder eine Lotus-Oberfläche erzeugen können. Da aber alle Systeme ein organisches Grundgerüst besitzen sind diese Schichten alle nicht Hochtemperaturstabil und oberhalb 300°C nicht einsetzbar.
  • Um nun ein Hochtemperatur-Easy-to-clean Beschichtungssystem entwickeln zu können, muss man entweder eine anorganische, mikrostrukturierte Oberfläche erzeugen oder aber eine Niederenergieoberfläche die nicht auf Basis fluorierter Verbindungen, sondern auf Basis einer anorganischen Verbindung beruht entwickeln. Im zweiten Fall muss diese anorganische Verbindung mit Hilfe eines anorganischen Bindersystems verfestigt werden, um die Temperaturstabilität wahren zu können. Diese Forderungen gehen weit über den Stand der Technik hinaus.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung bestand darin, ein rein anorganisches Beschichtungssystem zu entwickeln, das unter Ausbildung einer Niederenergieoberfläche die Anhaftung von hydrophilen und hydrophoben Verbindungen insbesondere von Wasser verhindert. Der Kontaktwinkel einer so hergestellten Oberfläche soll gegenüber Wasser mindestens 90 Grad betragen, so dass Wasser an der Oberfläche nicht spreitet sondern abperlt und dabei Schmutz mit sich zieht.
  • Diese Aufgabe wurde in überraschender Weise durch einen keramischen Versatz gelöst, umfassend ein Bornitrid-Pulver mit einer Primärteilchengröße zwischen 50 nm und 50 µm, bevorzugt zwischen 500 nm und 5 µm sowie einem anorganischen Bindersystem und mindestens einem Lösungsmittel.
  • Auf diese Weise gelingt es, Schichten auf Metall, Email, Glas und Keramik zu applizieren, die gegenüber Wasser einen Kontaktwinkel > 90 Grad aufwiesen. Diese Schichten sind in allen Fällen hochtemperaturstabil, wobei die Schichten, die mit keramischen Nanoteilchen wie nanoskaligem Zirkonoxyd verfestigt werden, Temperaturen oberhalb 1000°C problemlos bewältigten. Diejenigen Schichten, die mit einem Bindersystem auf Basis von Metallorganylverbindungen verfestigt werden, konnten noch problemlos bei 700°C eingesetzt werden.
  • Die Easy-to-clean Eigenschaft der erfindungsgemäßen Schicht beruht auf der Anwesenheit von Bornitridpartikeln, die in der obersten Schicht der Beschichtung aufkonzentriert vorliegen. Alternativ hierzu kann auch zunächst das anorganische Bindersystem auf das Substat aufgebracht werden. In einem zweiten Schritt wird das Bornitridpulver auf die noch nicht verfestigte Binderschicht gegeben.
  • Als anorganisches Bindersystem dienen anorganische Nanoteilchen insbesondere Al2O3, AlO(OH), ZrO2, SiO2, Y-ZrO2, TiO2, Fe3O4 und SnO2 oder glasartige Bindersysteme auf Basis von Metallorganylen, insbesondere eine Mischung aus Teraethoxysilan, Trimethoxymethylsilan und Kieselsol.
  • Als Lösungsmittel können alle dem Fachmann bekannten Alkohole, bevorzugt aber Butoxyethanol, Ethanol und Wasser und besonders bevorzugt eine Kombination dieser Lösungsmittel genutzt werden.
  • In einer besonderen Ausführungsform der Erfindungen können die so hergestellten Schichten auch als tribologische Schichten eingesetzt werden. Bezüglich ihrer Gleiteigenschaften sind sie kommerziellen Teflonbeschichtungen weit überlegen.
  • Das folgende Beispiel erläutert die Erfindung, ohne sie einzuschränken
    • Beispiel 1
  • 7,5 g Bornitrid werden in 14,55 g 2-Butoxyethanol aufgenommen. Zu dieser Mischung werden 16,62 g einer zweiten Mischung gegeben, bestehend aus 2,88 g Tetraetoxysilan, 9,86 g Methyltriethoxysilan, 2,26 g Kieselsol und 1,62 g Wasser. Nach erfolgter Zugabe wird 30 Minuten gerührt. Das Beschichtungsmaterial kann durch Fluten, Tauchen, Dipcoating, Spinncoating und Sprühen appliziert werden. So applizierte Schichten werden 1 Stunde bei 90°C getrocknet und 1 Stunde bei 450°C verfestigt.

Claims (5)

1. Verfahren zur Herstellung von anorganischen Schichten auf metallischen, keramischen, emaillierten und/oder Glas-Substraten, dadurch gekennzeichnet, dass Bornitrid mit einer Mischung von mindestens einem Lösungsmittel und mindestens einem anorganischen Binder vermischt wird. Diese Mischung wird über Dip Coating, Spin Coating, Tauchen, Fluten, Sprühen, Siebdruck oder Foliengießen auf das metallische, keramische, emaillierte oder Glas-Substraten aufgebracht, getrocknet und zu einer anorganischen Schicht verdichtet. Die so hergestellte Schicht verleiht dem Substrat, auf das sie appliziert wurde schmutzabweisende Eigenschaften auch bei hohen Temperaturen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als anorganisches Bindersystem anorganische Nanoteilchen insbesondere Al2O3, AlO(OH), ZrO2, Y-ZrO2, TiO2, SiO2, Fe3O4 und SnO2 verwendet werden, wobei die Primärteilchengröße der eingesetzen Nanoteilchen unter 100 nm bevorzugt unter 50 nm und besonders bevorzugt unter 20 nm liegt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als anorganisches Bindersystem ein glasartiges Bindersystem auf Basis von Metallorganylen verwendet wird, insbesondere eine Mischung aus Teraethoxysilan, Trimethoxymethylsilan und Kieselsol.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Lösungsmittel alle dem Fachmann bekannten Alkohole sowie Wasser verwendet werden können, bevorzugt aber 2-Butoxyethanol, Ethanol, 1-Propanol, 2-Propanol und Wasser und besonders bevorzugt eine Kombination von 2-Butoxyethanol, Ethanol und Wasser.
5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die so hergestellte Schicht auch als tribologische Schicht genutzt werden kann.
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