DE102005057384A1

DE102005057384A1 - Silikatumhüllte Teilchen in einer Metallschicht

Info

Publication number: DE102005057384A1
Application number: DE200510057384
Authority: DE
Inventors: Jürgen Dr. Sander; Wolfgang Ludt
Original assignee: NANOGATE AG
Current assignee: NANOGATE AG, 66287 QUIERSCHIED, DE
Priority date: 2005-11-30
Filing date: 2005-11-30
Publication date: 2007-05-31
Also published as: JP2009517545A; EP1957691A2; WO2007062974A3; WO2007062974A2; US20080254280A1; US7858178B2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrolytisch abgeschiedene Metallschicht auf einem Substrat mit eingelagerten, insbesondere anorganischen Teilchen, die eine Silikatbeschichtung aufweisen, sowie die Verwendung dieser Schicht zur Beschichtung von Maschinenteilen.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrolytisch abgeschiedene Metallschicht auf einem Substrat mit eingelagerten Teilchen, wobei die eingelagerten Teilchen eine SiO₂-Beschichtung (Silikatumhüllung) aufweisen.
Elektrolytisch abgeschiedene Metallschichten mit eingelagerten Teilchen sind bekannt. Beispielsweise werden Hartstoffpartikel als Verschleißschutz in elektrolytisch abgeschiedenen Nickelschichten eingebettet.

So ist aus DE 3503859 A1 bekannt, Bornitridteilchen und Siliziumcarbidteilchen direkt in eine elektrolytisch abgeschiedene Nickelschicht einzubetten.

DE 10301135 A1 beschreibt ebenfalls die Einbettung von Hartstoffteilchen in eine elektrolytisch abgeschiedene Nickelschicht.

US 4,479,855 A beschreibt die Einbettung von Siliziumcarbidteilchen in elektrochemisch abgeschiedenes Nickel. Hierbei wird ein aufwendiges Dispergiermittelsystem eingesetzt, da die Hartstoffteilchen allein keine stabile Dispersion bilden und nur durch das Dispergiermittelsystem eine gleichmäßige Verteilung der Teilchen in der resultierenden Nickelschicht erreicht werden kann.

Aufgrund des Oberflächenpotentials von Hartstoffen sind diese in Wasser schwer oder gar nicht dispergierbar und müssen also bislang mit aufwändigen Dispergiermittelsystemen in Dispersion gehalten werden.

Vollkommen unabhängig davon ist auch bereits die Beschichtung von Teilchen mit Silikaten bekannt. Genannt sei beispielsweise die EP 0492223 A2 betreffend silanisierte Pigmente und deren Verwendung zur Vergilbungsinhibierung von pigmentierten Kunststoffen, in welcher die Erhöhung der Stabilität von Pigmentoberflächen gegen die Einwirkung von Luft, Sauerstoff, Wärme und Licht angesprochen wird und eine Chemisorption von Silanverbindungen an Pigmente erwähnt wird, wobei die Pigmentbeschichtung insbesondere ohne Lösungsmittelzusatz oder Zusatz anderer Stoffe, wie Kopplungsreagenzien Trägerflüssigkeiten in einem Intensivmischer folgen soll. Weiter sei die DE 19817286 erwähnt, die ein mehrschichtiges Perlglanzpigment auf Basis einen opaken Substrates betrifft, wobei diese Anmeldung unter anderem die Pigmentierung von Wert- und Sicherheitspapieren und Verpackungen, sowie die Lasermarkierung polymerer Materialien und Papiere diskutiert. In dieser Schrift wird vorgeschlagen, Gammapigmente mit einer Teilchengröße ab etwa 10 μm so zu beschichten, dass sie einen besonders ausgeprägten Farbflop zeigen, was bedeutet, dass die Interferenzfarben des Gammas sehr stark vom Betrachtungswinkel abhängen sollen.

EP 0245984 A1 beschreibt die Beschichtung von Titandioxidteilchen mit Silikat. Die Zugabe der Silikatlösung während der Beschichtung findet ohne Eintrag von zusätzlicher Energie bei einem pH-Wert wesentlich oberhalb des isoelektrischen Punktes von Titandioxid statt.

US 6,440,322 B1 beschreibt die Beschichtung von Eisenoxidteilchen mit Silikat.

DE 69708085 T2 beschreibt die Beschichtung von Oxidteilchen mit Siliziumdioxid.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es also Teilchen in elektrolytisch abgeschiedene Metalle gleichmäßig einbetten zu können, ohne ein kompliziertes Dispergiermittelssystem verwenden zu müssen, das dem widrigen Oberflächenpotential der Teilchen Rechnung trägt.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird in einer ersten Ausführungsform durch eine elektrolytisch abgeschiedene Metallschicht auf einem Substrat mit eingelagerten, insbesondere anorganischen Teilchen gelöst, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die insbesondere anorganischen Teilchen eine SiO₂-Beschichtung (Silikatumhüllung) aufweisen.

Die erfindungsgemäße Metallschicht enthält also insbesondere anorganische Teilchen mit einer Silikatumhüllung, womit das Zetapotential der Primärteilchen leicht angepasst werden kann, was zu einer verbesserten Dispergierverhalten und einem einheitlichen Verhalten im elektrischen Feld führt.

Durch die Silikatumhüllung der Teilchen ist es gelungen, auch ansonsten schwer dispergierbare Teilchen beispielsweise in Wasser redoxaktive homogen ohne Konzentrationsgradienten in einer elektrolytisch abgeschiedenen Metallschicht zu verteilen. Die Teilchen mit Silikathülle lassen sich in Wasser gut dispergieren. Dies ist besonders wichtig bei Teilchen wie beispielsweise Zirkoniumoxid, Zirkonylsulfat, Wolframcarbid, Titannitrid, Titanborid, Titancarbid, Titandioxid, Aluminiumoxid (Korund), Borcarbid (B₄C), Graphit, Diamant, Bornitrid (hexagonales BN), Siliziumnitrid oder Molybdänsulfid, die sich sehr schlecht oder gar nicht in wässrigen Systemen dispergieren lassen.

Dies gilt beispielsweise auch für Carbon Nanotubes, die bislang nur sehr schwer und nur in geringen Konzentrationen und in einer begrenzten Anzahl an Lösungsmitteln verarbeitet werden können, was ihre Anwendung bisher in der Industrie stark eingeschränkt hat. In der erfindungsgemäßen Beschichtung können auch solche Materialien durch die guten Dispergierbarkeit im elektrolytischen Bad in elektrolytisch abgeschiedene Metallschichten eingebettet werden.

Vorteilhafterweise sind die anorganischen Teilchen in einer Menge von 20 bis 80 Gew.%, insbesondere 30 bis 50 Gew.% in der metallischen Schicht enthalten. Aufgrund der schlechten Dispergierbarkeit in bekannten Verfahren konnten lediglich Teilchengehalte von bis zu 20 Gew.% erzielt werden. Aufgrund der Silkatumhüllung können nun diese bevorzugten Teilchengehalte erzielt werden. Diese sind besonders vorteilhaft, da die elektrolytisch abgeschiedenen Metallschichten so wesentlich kratzfester oder auch gleitfähiger ausgestattet werden können.

Die Teilchen umfassen vorteilhafterweise einen Hartstoff, insbesondere aus einem Material mit einer Vickers-Härte von mindestens 20 GPa. Diese bislang schwer dispergierbaren Teilchen können so hoch konzentriert in der elektrolytisch abgeschiedenen Metallschicht für eine bisher unerreichte Kratzfestigkeit sorgen.

Vorzugsweise weisen die Teilchen einen Durchmesser in einem Bereich von 0,01 bis 40 μm, insbesondere in einem Bereich von 0,1 bis 10 μm auf. Ist die Teilchengröße zu groß, so kann dies zu unerwünschten Rauhigkeiten in der Oberfläche führen. Ist der Durchmesser zu klein, so liegen die Teilchen vermehrt quasi amorph vor. Die besonderen Eigenschaften wie eine besondere Gleitfähigkeit und eine besondere Härte, die vor allem mit der Kristallstruktur und den Kristallebenen zusammenhängt kann dann so auf die Oberfläche auf die abgeschiedene Metallschicht nicht übertragen werden.

Die metallische Schicht ist vorzugsweise eine Nickelschicht, da gerade Nickelschichten von einer erhöhten Gleitfähigkeit oder insbesondere einer erhöhten Kratzfestigkeit besonders profitieren. Alternativ können in gleicher Weise auch Chromschichten, Kupferschichten oder Mischmetallschichten wie Messing oder Bronze abgeschieden werden.

Die Umhüllung aus Siliziumdioxid auf den eingelagerten anorganischen Teilchen weist vorzugsweise eine Dicke in einem Bereich von 2 bis 800 nm, insbesondere von 10 bis 300 nm auf. Ist die Dicke zu gering, so kommen die Eigenschaften der mit der Silikathülle versehenen Teilchen nicht ausreichend zur Geltung. Ist die Schichtdicke jedoch zu groß, so kann das Zetapotential der Partikel sich wieder dem Zetapotential der ursprünglich unbeschichteten Partikel annähern und die Dispergierbarkeit erschweren.

Die Konzentration der Teilchen weist in der metallischen Schicht vorteilhafterweise keinen Gradienten auf. Dementsprechend ist die Verteilung sehr homogen. Dadurch kann im Gebrauch bei Abtragung der äußersten freiliegenden metallischen Schicht die Eigenschaft wie beispielsweise Kratzfestigkeit oder Gleitfähigkeit dennoch konstant gehalten werden.

In einer weiteren Ausführungsform wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst durch die Verwendung der Teilchen enthaltenden metallischen Schicht zur Beschichtung von Maschinenteilen, insbesondere von Teilen für Motoren.

Ausführungsbeispiel
4,68 g Graphit (D90 ca. 1 μm), beschichtet mit einer 40 nm dicken Silikatumhüllung wurde mit 1,73 ml FC 135 (Fluortensid von 3M) und 16 ml Wasser versetzt. Nach 1h wurde eine Mischung von 0,9 g Emulgator OP 25 (BAST) und 0,69 g FC 135 zugegeben. Die erhaltene Mischung wurde in ein chemisches Nickelelektrolytbad (1,81, Nichem PF500-BG, Atotech Deutschland GmbH) gegeben. Dies wurde auf 85 °C aufgeheizt, worauf die Abscheidung begann. Nach einer Stunde war der Versuch beendet.
Ergebnis:
Es wurde eine metallisch glänzende Nickelschicht erhalten.

Claims

Elektrolytisch abgeschiedene Metallschicht auf einem Substrat mit eingelagerten Teilchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilchen eine SiO₂ Beschichtung aufweisen.
Schicht gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilchen in einer Menge von 20 bis 80 Gew.% in der Schicht enthalten sind.
Schicht gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilchen einen Hartstoff, insbesondere aus einem Material mit einer Vickers-Härte von mindestens 20 GPa umfassen.
Schicht gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilchen einen Durchmesser in einem Bereich von 0,01 bis 40 μm, insbesondere in einem Bereich von 0,1 bis 10 μm aufweisen.
Schicht gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht eine Nickelschicht ist.
Schicht gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung aus SiO₂ eine Dicke in einem Bereich von 10 bis 100 nm, insbesondere 50 bis 90 nm aufweist.
Schicht gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration der Partikel keinen Gradienten in der Schicht aufweist.
Verwendung einer Schicht gemäß Anspruch 1 zur Beschichtung von Maschinenteilen, insbesondere Teilen von Motoren.