DE102004048326A1

DE102004048326A1 - Bindemittel enthaltende Dispersion eines Metalloxidpulvers und damit erhaltene Schicht

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Publication number: DE102004048326A1
Application number: DE102004048326A
Authority: DE
Inventors: Monika Dr. Oswald; Yi Dr. Deng; Klaus Dr. Deller; Rolf Prof. Dr. Clasen; Georg Fehringer
Original assignee: Degussa GmbH
Current assignee: Evonik Operations GmbH
Priority date: 2003-12-19
Filing date: 2004-10-05
Publication date: 2005-07-21
Also published as: TWI307351B; TW200524975A

Abstract

Wässrige Dispersion, enthaltend Metalloxidpulver, einen Viskositätsregulator und ein wasserlösliches Bindemittel, wobei der Viskositätsregulator und das Bindemittel sich thermisch vollständig entfernen lassen. DOLLAR A Unter Verwendung dieser Dispersion durch einen einzigen Beschichtungsvorgang erhaltene Metalloxidschicht mit einer Schichtdicke von mehr als 2,5 mum auf einem Substrat.

Description

Gegenstand der Erfindung ist eine wässerige Dispersion, welche ein Metalloxidpulver, einen Viskositätsregulator und ein Bindemittel enthält. Ein weiterer Gegenstand ist eine Schicht auf einem Substrat, die unter Verwendung der Dispersion erhalten wird.

Es ist bekannt Metalloxidschichten mittels sogenannter Sol-Gel-Verfahren auf einem Substrat aufzubringen. Nachteilig bei Sol-Gel-Verfahren ist, dass aufgrund des hohen Lösungsmittelanteiles und niedrigen Feststoffanteiles auch bei extrem langsamer und vorsichtiger Trocknung es zu starkem Schrumpf und Rissen kommt. Nachteilig bei diesem Verfahren ist weiterhin, dass die Schichtdicken bei einem einmaligen Beschichtungsvorgang in der Regel bei weniger als 1 μm liegen.

Es ist aus EP-A-1321444 weiterhin ein Verfahren bekannt, bei dem Schichten, ausgehend von einer wässerigen Dispersion, welche pyrogen hergestelltes Silicium-Titan-Mischoxid enthält, und nachfolgende Sinterung hergestellt werden können. Diese Schichten können deutlich höhere Schichtdicken aufweisen und dabei weitestgehend frei von Rissen sein. Als nachteilig bei diesem Verfahren hat es sich erwiesen, dass auch bei einer Optimierung des Verfahrens eine gewisse Schichtdicke bei der Beschichtung von Substraten nicht überschritten werden kann, wenn rissfreie Schichten mit geringer Rauigkeit erhalten werden sollen. Es hat sich gezeigt, dass hierfür hauptsächlich die in EP-A-1321444 beschriebene wässerige Dispersion verantwortlich ist.

Aufgabe der Erfindung ist es eine Dispersion bereitzustellen, die es erlaubt in einem einzigen Beschichtungsschritt ein Substrat mit einer dicken, rissfreien Schicht eines Metalloxides zu beschichten. Als dicke Schicht wird eine Schicht mit einer Schichtdicke von mindestens 1 μm verstanden.

Gegenstand der Erfindung ist eine wässerige Dispersion, enthaltend Metalloxidpulver, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass sie zudem einen Viskositätsregulator und ein wasserlösliches Bindemittel enthält, wobei Viskositätsregulator und Bindemittel sich thermisch vollständig entfernen lassen.

Das Merkmal, dass sich Viskositätsregulator und Bindemittel thermisch vollständig entfernen lassen, ist relevant bei der Aufbringung von Schichten aus der Dispersion heraus. Hierbei muss sichergestellt sein, dass Bestandteile der Dispersion, mit Ausnahme der Metalloxide, bereits vor oder während des Sinterschrittes der Schicht zu entfernen sind, da nur so hochreine Metalloxidschichten erhalten werden können.

Es wurde gefunden, dass prinzipiell alle Metalloxidpulver geeignet sind, wobei pyrogen hergestellte Metalloxidpulver bevorzugt sind. Pyrogen hergestellte Metalloxidpulver sind solche, die durch Flammenhydrolyse oder Flammenoxidation eines Metalloxidprecursors erhalten werden können. Dabei werden zunächst hochdisperse, nicht poröse Primärpartikel gebildet, die im weiteren Reaktionsverlauf zu Aggregaten zusammenwachsen können und diese sich weiter zu Agglomeraten zusammenlagern können.

Weiterhin kann es vorteilhaft sein, wenn das Metalloxidpulver nur gering strukturiert ist. Dies bedeutet, dass die Primärpartikel nur einen geringen Verwachsungsgrad aufweisen. Beispielsweise kann es sich hierbei um das Siliciumdioxidpulver Aerosil^® OX 50 mit einer BET-Oberfläche von ca. 50 m²/g der Fa. Degussa handeln.

Prinzipiell sind alle pyrogen hergestellten Metalloxidpulver für die erfindungsgemäße Dispersion geeignet. Bevorzugt kann die erfindungsgemäße Dispersion SiO₂, Al₂O₃, TiO₂, ZrO₂ und/oder physikalische und/oder chemische Gemische der genannten Oxide enthalten. Besonders bevorzugt kann die Dispersion Siliciumdioxid enthalten, welches im Sinne der Erfindung als Metalloxid betrachtet wird.

Die BET-Oberfläche dieser Primärpartikel liegt in der Regel zwischen 1 und 600 m²/g. Für die Aufbringung von Schichten auf ein Substrat unter Verwendung der erfindungsgemäßen Dispersion, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die BET-Oberfläche zwischen 5 und 200 m²/g liegt.

Die erfindungsgemäße Dispersion kann bevorzugt einen Gehalt an Metalloxidpulver aufweisen, der zwischen 5 und 70 Gew.%, bezogen auf die Gesamtmenge der Dispersion, liegt. Eine Dispersion mit einem Gehalt von weniger als 5 Gew.-% ist ungeeignet zur Herstellung von Schichten von mehr als 2,5 um Schichtdicke. Eine Dispersion mit einem Gehalt von mehr als 70 Gew.-% ist aufgrund der hohen Viskosität ungeeignet, um hieraus eine Schicht zu bilden. Vorteilhafterweise liegt der Gehalt an Metalloxidpulver in der Dispersion zwischen 10 und 50, besonders bevorzugt ist der Bereich von 15 bis 40 Gew.-%.

Die erfindungsgemäße Dispersion enthält weiterhin einen Viskositätsregulator. Hierbei handelt es sich um sauer oder alkalisch reagierende Substanzen, die in der Dispersion vorliegen, um deren Viskosität zu erniedrigen. Ob eine sauer oder alkalisch reagierende Substanz in der Dispersion vorliegt, richtet sich in erster Linie nach dem Metalloxid. Bei Aluminiumoxid ist ein saurer Viskositätsregulator, wie Salzsäure, bevorzugt. Bei Siliciumdioxid sind sowohl alkalisch und auch sauer reagierende Viskositätsregulatoren, wie Ammoniak, Ammoniumhydroxid und/oder Tetramethylammoniumhydroxid oder Salzsäure geeignet.

Bei Einsatz von pyrogenen Oxiden kann es auch möglich sein, auf die Zugabe eines Viskositätsregulators zu verzichten. In der Regel enthalten diese Oxide, sofern bei Ihrer Herstellung halogenhaltige Verbindungen eingesetzt wurden, prozessbedingt Reste von Halogenid, die in einer wässerigen Dispersion unter Bildung eines Viskositätsregulators hydrolysieren.

Die erfindungsgemäße Dispersion enthält weiterhin ein wasserlösliches Bindemittel. Bevorzugt können dies Polyvinylalkohol oder Methylcellulose sein. Besonders bevorzugt kann hierbei sein, wenn diese eine kurze Polymerkettenlänge aufweisen, beispielsweise einen Polyvinylalkohol mit einem mittleren Molekulargewicht M_w von weniger als 20000 oder Methylcellulose mit einem mittleren Molekulargewicht M_n von weniger als 20000.

Der Anteil des wasserlöslichen Bindemittels kann bevorzugt zwischen 0,05 und 5 Gew.-%, bezogen auf die Menge an Metalloxidpulver, liegen. Besonders bevorzugt ist der Bereich zwischen 0,5 und 3 Gew.-%. Ist das Metalloxidpulver Aluminiumoxid, so hat es sich als vorteilhaft erwiesen höhere Anteile, bis zu 20 Gew.-%, besonders bevorzugt 10 Gew.-%, an Bindemittel einzusetzen.

Die erfindungsgemäße Dispersion kann ferner ein Entschäumermittel enthalten, welches sich, wie der Viskositätsregulator und das wasserlösliche Bindemittel thermisch vollständig entfernen lässt. Bevorzugt kann dies ein Entschäumungsmittel auf Basis von Fettsäuren und Kohlenwasserstoffen sein.

Der Gehalt des Entschäumermittels kann bevorzugt zwischen 2 und 200 Gew.-%, bezogen auf die Menge an Bindemittel, liegen. Besonders bevorzugt kann ein Bereich zwischen 10 bis 100 Gew.-% sein.

Es ist jedoch möglich, vollständig auf ein Entschäumermittel zu verzichten und stattdessen, falls störende Blasen in der Dispersion vorliegen, diese durch eine Vakuumbehandlung der Dispersion zu entfernen.

Die Temperatur, mit der sich Viskositätsregulator, Bindemittel und gegebenenfalls Entschäumermittel entfernen lassen, liegt bevorzugt bei nicht mehr als 600°C.

Besonders bevorzugt ist ferner eine erfindungsgemäße Dispersion, die

– als pyrogen hergestelltes Metalloxidpulver ein Siliciumdioxidpulver mit einer BET-Oberfläche zwischen 5 und 200 m²/g,
– als Viskositätsregulator Tetramethylammoniumhydroxid
– als Bindemittel Polyvinylalkohol, mit einem mittleren Molekulargewicht M_w < 20000, und
– als Entschäumermittel eines auf Basis von Fettsäuren und Kohlenwasserstoffen

enthält.

Weiterhin ist besonders eine erfindungsgemäße Dispersion, die

– als pyrogen hergestelltes Metalloxidpulver ein Siliciumdioxidpulver mit einer BET-Oberfläche zwischen 5 und 200 m²/g,
– als Viskositätsregulator Tetramethylammoniumhydroxid
– als Bindemittel Methylcellulose mit einem Molekulargewicht M_n < 20000, und
– als Entschäumermittel einer auf Basis von Fettsäuren und Kohlenwasserstoffen

enthält, bevorzugt.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Dispersion, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass

– in einem ersten Schritt eine Vordispersion erzeugt wird, indem das Metalloxidpulver kontinuierlich oder auf einmal in eine Vorlage, welche Wasser enthält, unter dispergierenden Bedingungen eingetragen wird, und während oder nach der Zugabe des Metalloxidpulvers der Viskositätsregulator in einer Menge zugegeben wird, bis sich die gewünschte Viskosität einstellt,
– in einem zweiten Schritt zur Vordispersion
– eine wässerige Lösung des Bindemittels in einer Menge zugibt, dass der Anteil des Bindemittels zwischen 0,05 und 5 Gew.-%, bezogen auf die Menge an Metalloxidpulver, liegt und
– gegebenenfalls eine wässerige Lösung des Entschäumermittelmittels und
– gegebenenfalls geringe Mengen an Viskositätsregulator zur Einstellung des ursprünglichen pH-Wertes zugibt um die Dispersion zu erhalten, wobei die Herstellung der Vordispersion und der Dispersion mit gleichem oder unterschiedlichem Energieeintrag erfolgen.

Zur Vordispergierung und Dispergierung eignen sich zum Beispiel Dissolver, Zahnradscheibe, Rotor-Stator-Maschinen, wie Ultra Turrax (Firma IKA), oder solche der Firma Ystral, ferner Kugelmühlen, Rührwerkskugelmühlen. Höhere Energieeinträge sind mit einem Planetenkneter/-mixer möglich. Die Wirksamkeit dieses Systems ist jedoch mit einer ausreichend hohen Viskosität der bearbeiteten Mischung verbunden, um die benötigten hohen Scherenergien zum Zerteilen der Teilchen einzubringen. Der Eintrag sehr hoher Energien ist mit Hochdruckhomogenisatoren möglich.

Bei diesen Vorrichtungen werden zwei unter hohem Druck stehende vordispergierte Suspensionsströme über eine Düse entspannt. Beide Dispersionsstrahlen treffen exakt aufeinander und die Teilchen mahlen sich selbst.

Bei einer anderen Ausführungsform wird die Vordispersion ebenfalls unter hohen Druck gesetzt, jedoch erfolgt die Kollision der Teilchen gegen gepanzerte Wandbereiche. Die Operation kann beliebig oft wiederholt werden um kleinere Teilchengrößen zu erhalten.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein unter Verwendung der erfindungsgemäßen Dispersion erhaltene, einzelne Metalloxidschicht mit einer Schichtdicke von mindestens 2,5 μm auf einem Substrat. Bevorzugterweise kann die Schichtdicke zwischen 3 und 15 μm betragen. Die Schicht kann glasartig oder keramisch sein.

Geeignete Substrate können Metall- und Legierungssubstrate, Werkstoffe mit sehr niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten (Ultra-Low-Expansion-Werkstoffe), Borosilikatglas, Kieselglas oder Glaskeramik sein, wobei Glassubstrate besonders bevorzugt sind.

Bevorzugt können Schichten mit einer Oberflächenrauigkeit sein, die kleiner als 30 nm ist.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung der Schicht, die in einem einzelnen Beschichtungsschritt aufgetragen wird, die dadurch gekennzeichnet, dass

– durch Tauchbeschichtung auf ein Substrat mittels der erfindungsgemäßen Dispersion unter Bildung eines Grünkörpers eine einzelne Schicht aufgebracht wird,
– der Grünkörper anschließend zunächst bei Temperaturen kleiner als 100°C getrocknet,
– nachfolgend auf Temperaturen erhitzt wird, bei der das Bindemittel und gegebenenfalls der Entschäumermittel aus dem Grünkörper teilweise oder vollständig entfernt werden, und
– anschliessend gesintert wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann vorteilhafterweise so ausgeführt werden, dass die Ziehgeschwindigkeit, mit der das Substrat aus der Dispersion gezogen wird zwischen 1 und 100 mm/s liegt. Besonders bevorzugt ist ein Bereich zwischen 2 und 40 mm/s.

Das Sintern der Schicht kann nach den dem Fachmann bekannten Verfahren durchgeführt werden, beispielsweise durch flammensintern oder Laser-Sintern. Besonders bevorzugt ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren das Laser-Sintern.

Dabei kann es vorteilhaft sein, das Substrat auf Temperaturen von ca. 300°C vorzuheizen.

Die Geschwindigkeit mit der der Grünkörper unten dem Laserstrahl hindurch bewegt wird, liegt bevorzugterweise zwischen 1 und 10 mm/s.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung der erfindungsgemäßen Metalloxidschicht auf einem Substrat für Werkstoffe mit sehr niedrigen Ausdehnungskoeffizienten (Ultra Low Expansion-, ULE-Werkstoffe), für photokatalytische Anwendungen, als Beschichtung für selbstreinigende Spiegel (superhydrophiler Bestandteil), für optische Artikel wie Linsen, als Abdichtung für Gase und Flüssigkeiten, als mechanische Schutzschicht, als Verwendung in Verbundwerkstoffen.

Die vorliegende Erfindung beschreibt eine wässerige Dispersion mit der es möglich ist, durch Tauchbeschichtung in einem einzelnen Beschichtungsschritt Substrate mit einer Schicht eines Metalloxides mit einer Schichtdicke von mehr als 2,5 μm zu beschichten. Die erhaltene Schicht ist frei von rissen und weist eine niedrige Oberflächenrauigkeit auf.

Mittels eines Dissolvers (N1-SIP, VMA-Getzmann) wird eine 30 gewichtsprozentige Dispersion von pyrogen hergestelltem Siliciumdioxidpulver (Aerosil® OX 50, Degussa AG) in bidestilliertem Wasser hergestellt.
Dispersion D1: Oben hergestellte Dispersion wird anschließend durch Zugabe von weiterem bidestilliertem Wasser und Tetramethylammoniumhydroxid-Lösung auf einen Feststoffgehalt von 20 Gew.-% und einen pH-Wert von 9,7 eingestellt.
Dispersion D2: Weiterhin wird die 30 gewichtsprozentige Dispersion durch Zugabe einer Lösung, welche Methylcellulose mit kurzer Polymerkettenlänge (M_n von ca. 14000) als Bindemittel enthält, einem Entschäumungsmittel (contraspum KWE, Zschimmer & Schwarz) und Tetramethylammoniumhydroxidlösung so verdünnt, dass eine Dispersion mit einem Gehalt an Siliciumdioxidpulver von 20 Gew.-% resultiert. Der Anteil an Methylcellulose in dieser Dispersion beträgt 2 Gew.-%, bezogen auf das Siliciumdioxidpulver, der Anteil an Entschäumungsmittel beträgt 100 Gew.-%, bezogen auf das Bindemittel. Der pH-Wert der Dispersion beträgt 9,2.
Tauchbeschichtung
Eine Borosilikatglasscheibe (100 × 60 × 3 mm) wird mittels einer Tauchbeschichtungsvorrichtung bei Ziehgeschwindigkeiten von 2 mm/s und 40 mm/s durch einmaliges Eintauchen in die Dispersionen D1 und D2 beschichtet und nachfolgend an der Luft getrocknet.
Nachfolgend wird die mit D2 beschichtete Scheibe bei Temperaturen von ca. 250°C über einen Zeitraum von 2 h das Bindemittel und der Entschäumer teilweise entfernt. Die mit D1 beschichtete Scheibe ohne Bindemittel wird analog behandelt.
Die erhaltenen Grünkörper werden anschließend mittels eines Lasers (CO2 Laser, Rofin-Sinar, RS700 SM) mit einer maximalen Leistung von 700 W und einer Wellenlänge von 10,6 μm gesintert. Dazu wird der Laserstrahl mittels beweglicher Spiegel über die Oberfläche des beschichteten Materials bewegt. Die Geschwindigkeit der Spiegel wird so justiert, dass der Laserstrahl mit einer Frequenz von 200 Hz über die Probe geführt wird. Um Spannungen an der Oberfläche zu vermeiden ist es vorteilhaft die Probe auf 300°C vorzuheizen. Die Schichten werden mit einer Leistungsdichte von 5,5 W/mm² gesintert. Anschließend werden die erhaltenen Schichtdicken bestimmt.
Dispersion D3 wird analog D2 hergestellt, jedoch mit Polyvinylalkohol mit kurzer Polymerkettenlänge (Mw 9000 bis 10000) anstelle von Methylcellulose als Bindemittel. Die Tauchbeschichtung erfolgt analog wie mit D2.
Die Tabelle zeigt eindeutig, dass die Beschichtung mit Bindemittel enthaltender Dispersion zu deutlich höheren Schichtdicken führt. Es war möglich bei Ziehgeschwindigkeiten von 40 mm/s Schichtdicken von mehr als 3 μm mit einem einzigen Beschichtungsschritt aufzubringen. Die mit D2 oder D3 erhaltenen Schichten sind nach der thermischen Behandlung zur Entfernung des Bindemittels und nach dem Sintern frei von Rissen und weisen gegenüber der aus D1 erhalten Schicht eine niedrigere Oberflächenrauigkeit auf. Die aufgebrachten Schichten zeigen nach dem Sintern eine sehr gute Haftung auf dem Substrat.
Tabelle: Maximale Schichtdicke der mit D1 bis D3 erhaltenen Schichten in μm
Durch Variation

– des Metalloxidpulvers,
– der BET-Oberfläche des Metalloxidpulvers,
– des Feststoffgehaltes in der Dispersion,
– der Aggregatgröße des Metalloxidpartikel in der Dispersion,
– der Art des Bindemittels,
– dem Anteil an Bindemittel,
– der Ziehgeschwindigkeit bei der Tauchbeschichtung

Die gesinterten Proben werden hinsichtlich ihrer mechanischen und chemischen Eigenschaften untersucht.
Um die Bruchfestigkeit der unbeschichteten Gläser mit derjenigen der beschichteten zu vergleichen, werden Doppelring-Biegeversuche in Anlehnung an DIN 52 292 durchgeführt. Die Probenmessungen betragen dabei 60 × 60 mm. Die Auswertung erfolgte nach der Weibullmethode.
Die Doppelring-Biegeversuche zeigen, dass die Bruchfestigkeit von Glasscheiben durch eine OX50-Schicht verbessert werden kann. Die Bruchfestigkeiten der mit der erfindungsgemäßen Dispersion D2 und D3 beschichteten Proben liegen ca. 20 bis 30% über derjenigen der unbeschichteten Glasscheibe. Außerdem zeigt die Weibullauswertung, dass die Ausfallwahrscheinlichkeit, ausgedrückt durch die höhere Steigung der Geraden, der beschichteten Proben besser ist. Der Grund liegt darin, dass durch die Schicht Oberflächenbeschädigungen der Substrate, die als Rissauslöser dienen, überdeckt werden.
Die chemische Beständigkeit wird gemessen, indem die mit den erfindungsgemäßen Dispersionen D2 und D3 hergestellten Schichten und ein unbeschichtetes Substrat mit einer 40 prozentigen Flußsäure 20 min lang geätzt werden. Um den Abtrag beim Ätzen qualitativ beurteilen zu können, wird die Ätztiefe mit Hilfe des Profilometers bestimmt. Dabei zeigt sich, dass die Ätztiefe beim unbeschichteten Glassubstrat bei 24 μm liegt, wohingegen bei den beschichteten Glassubstraten die Ätztiefe 15 μm beträgt. Das bedeutet, dass die chemische Beständigkeit von Glassubstraten durch die Beschichtung verbessert wird.
Dispersion D4 Alu C-Dispersion
30 g Aluminiumoxid C (Degussa AG) wird mittels eines Dissolvers in 243 g bidestilliertes Wasser eingerührt. Danach werden 30 g Methylcelluloselösung (10 Gew.-% Methylcellulose Sigma, M7140 in Wasser) zugegeben. Die Dispersion wird in einen Ultraschalldesintegrator (Sonifier II, W-450) gegeben und dort 3 min lang bei ca. 450 W dispergiert. Durch die Ultraschall-Behandlung wird der Blaseneintrag beim Dispergieren reduziert. Anschließend wird die Dispersion bei ca. 100 mbar 10 min lang nachbehandelt. Dadurch werden Restblasen beseitigt.
Mit dieser Dispersion werden Aluminiumbleche (AlMg₃; Vorbehandlung: Anätzen mit NaOH und/oder Sandstrahlen) und Glassubstrate in einer Dip-Coating-Apparatur mit einer Geschwindigkeit von 40 mm/s beschichtet.
Die Dicken der Schichten, die mit einem Profilometer bestimmt werden, liegen im Bereich von ca. 5 bis ca. 20 μm, unabhängig vom Substrat. Die Schichten sind frei von Rissen.
Die Rauhigkeiten der Aluminiumoxidschichten auf Al-Substrat liegen im Bereich von 200 bis 1000 nm für die mittlere Rauhigkeit und im Bereich von 1000 bis 10000 nm für die Peak-to-Valley-Werte.
Die Rauhigkeiten der Aluminiumoxidschichten auf Borosilikatglas liegen für die mittlere Rauhigkeit im Bereich von 7 bis 40 nm und für den Peak-to-Valley-Wert im Bereich von 100 bis 500 nm.
Die Schichten werden mit Hilfe eines CO₂-Lasers bei einer Leistungsdichte von ca. 5 W/mm² gesintert, wobei das Substrat mit ca. 5 mm/s unter dem Laserstrahl hindurchbewegt wird. Es werden Schichtdicken von ca. 2 bis 3 μm erhalten. Um Spannungsrisse zu vermeiden werden die beschichteten Glassubstrate bei 500°C in einem Ofen 6 h gelagert und danach innerhalb von 8 h auf Raumtemperatur abgekühlt.
Die Bruchfestigkeit der beschichteten Gläser wird mit Hilfe von Doppelring-Biegeversuchen (DIN 52 292) bestimmt.
Das Abrasionsverhalten von beschichteten Aluminiumblechen wird mit Hilfe des Taber-Abraser-Verfahrens bestimmt und mit der Abrasion von unbeschichteten Aluminiumblechen verglichen.
Die Schichtdicken der Aluminiumoxidschichten liegen nach der Sinterung im Bereich von ca. 50 % der Gründicke.
Die mechanische Festigkeit der Glassubstrate wird durch die Aluminiumoxidschicht um 20 – 50 % gesteigert.
Die Abriebfestigkeit der Al-Substrate kann durch die Aluminiumoxidschichten gesteigert werden (Charakterisierung durch „Taber-Abraser-Test").
Die Aluminiumoxidschichten steigern die chemische Beständigkeit der Aluminium- und Glassubstrate gegenüber Laugen (NaOH) und Säuren (HF, HCl).

Claims

Wässerige Dispersion enthaltend Metalloxidpulver, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Viskositätsregulator und ein wasserlösliches Bindemittel enthält, wobei Viskositätsregulator und Bindemittel sich thermisch vollständig entfernen lassen.
Wässerige Dispersion nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Metalloxidpulver pyrogen hergestellte Metalloxidpulver aus der Gruppe umfassend SiO₂, Al₂O₃, TiO₂, ZrO₂ und/oder physikalische und/oder chemische Gemische der genannten Oxide sind.
Wässerige Dispersion nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehalt an Metalloxidpulver zwischen 5 und 70 Gew.-% liegt.
Wässerige Dispersion nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Viskositätsregulator ausgewählt wird aus der Gruppe umfassend NH₃, NH₄OH und/oder NMe₄OH oder Salzsäure.
Wässerige Dispersion nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das wasserlösliche Bindemittel Polyvinylalkohol oder Methylcellulose ist.
Wässerige Dispersion nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des wasserlöslichen Bindermittels zwischen 0,05 und 5 Gew.%, bezogen auf die Menge an Metalloxidpulver, liegt.
Wässerige Dispersion nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Entschäumermittel, welches sich thermisch vollständig entfernen lässt, enthält.
Wässerige Dispersion nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehalt an Entschäumermittel zwischen 2 und 200 Gew.-%, bezogen auf die Menge an Bindemittel, liegt.
Wässerige Dispersion nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass sie – als Metalloxidpulver ein Siliciumdioxidpulver mit einer BET-Oberfläche zwischen 5 und 200 m²/g, – als Viskositätsregulator Tetramethylammoniumhydroxid oder Salzsäure – als Bindemittel Polyvinylalkohol, mit einem mittleren Molekulargewicht M_w < 20000, und – als Entschäumermittel eines auf Basis von Fettsäuren und Kohlenwasserstoffen enthält.
Wässerige Dispersion nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass sie – als Metalloxidpulver ein Siliciumdioxidpulver mit einer BET-Oberfläche zwischen 5 und 200 m²/g, – als Viskositätsregulator Tetramethylammoniumhydroxid oder Salzsäure – als Bindemittel Methylcellulose mit einem Molekulargewicht M_n < 20000, und – als Entschäumermittel einer auf Basis von Fettsäuren und Kohlenwasserstoffen enthält.
Wässerige Dispersion nach den Ansprüchen 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil – an Siliciumdioxidpulver mit einer BET-Oberfläche zwischen 5 und 200 m²/g 15 bis 25 Gew.-%, bezogen auf die Dispersion, beträgt – an Tetramethylammoniumhydroxid, so gewählt wird, dass die Dispersion einen pH-Wert von 8,5 bis 10 aufweist, oder an Salzsäure, so gewählt wird, dass die Dispersion einen pH-Wert von 1,5-3,5 aufweist, – an Polyvinylalkohol oder Methylcellulose 0,5 bis 1 Gew.-%, bezogen auf die Menge an Siliciumdioxidpulver, beträgt und – an Entschäumermittel 20 bis 67 Gew.-%, bezogen die Menge an Polyvinylalkohol oder Methylcellulose beträgt.
Verfahren zur Herstellung der wässerigen Dispersion gemäß den Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass, – in einem ersten Schritt eine Vordispersion erzeugt wird, indem das Metalloxidpulver kontinuierlich oder auf einmal in eine Vorlage, welche Wasser enthält, unter dispergierenden Bedingungen eingetragen wird, und während oder nach der Zugabe des Metalloxidpulvers der Viskositätsregulator in einer Menge zugegeben wird, bis sich die gewünschte Viskosität einstellt, – in einem zweiten Schritt zur Vordispersion – eine wässerige Lösung des Bindemittels in einer Menge zugibt, dass der Anteil des Bindemittels zwischen 0,05 und 5 Gew.-%, bezogen auf die Menge an Metalloxidpulver, liegt und – gegebenenfalls eine wässerige Lösung des Entschäumermittelmittels und – gegebenenfalls geringe Mengen an Viskositätsregulator zur Einstellung des ursprünglichen pH-Wertes zugibt um die Dispersion zu erhalten, wobei die Herstellung der Vordispersion und der Dispersion mit gleichem oder unterschiedlichem Energieeintrag erfolgen.
Unter Verwendung der Dispersion gemäß den Ansprüchen 1 bis 11 erhaltene, einzelne Metalloxidschicht mit einer Schichtdicke von mindestens 2,5 μm auf einem Substrat.
Metalloxidschicht nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenrauigkeit der Schicht kleiner als 30 nm ist.
Verfahren zur Herstellung der Metalloxidschicht auf einem Substrat gemäß der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass – durch Tauchbeschichtung auf ein Substrat mittels der Dispersion gemäß der Ansprüche 1 bis 12 unter Bildung eines Grünkörpers eine einzelne Schicht aufgebracht wird, – der Grünkörper anschließend zunächst bei Temperaturen kleiner als 100°C getrocknet, – nachfolgend auf Temperaturen erhitzt wird, bei der das Bindemittel und gegebenenfalls der Entschäumermittel aus dem Grünkörper teilweise oder vollständig entfernt wird, und – anschliessend gesintert wird.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Ziehgeschwindigkeit, mit das Substrat aus der Dispersion gezogen wird zwischen 1 und 100 mm/s liegt.
Verfahren nach den Ansprüchen 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Sintervorgang mittels eines Lasers erfolgt.
Verfahren nach den Ansprüchen 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass beim Sintern mittels eines Lasers das Substrat auf Temperaturen von ca. 300°C vorgeheizt wird.
Verwendung der Metalloxidschicht gemäß den Ansprüchen 13 oder 14 für Werkstoffe mit sehr niedrigen Ausdehnungskoeffizienten (Ultra Low Expansion-, ULE-Werkstoffe), für photokatalytische Anwendungen, als Beschichtung für selbstreinigende Spiegel (superhydrophiler Bestandteil), für optische Artikel wie Linsen, als Abdichtung für Gase und Flüssigkeiten, als mechanische Schutzschicht, als Verwendung in Verbundwerkstoffen.