DE102009049137A1

DE102009049137A1 - Beschichtungsaufbau

Info

Publication number: DE102009049137A1
Application number: DE102009049137A
Authority: DE
Inventors: Volkmar Eigenbrod
Original assignee: Rhenotherm Kunststoffbeschichtungs GmbH
Current assignee: Rhenotherm Kunststoffbeschichtungs GmbH
Priority date: 2009-10-12
Filing date: 2009-10-12
Publication date: 2011-04-14
Also published as: EP2308607A1; ES2568772T3; PL2308607T3; EP2308607B1; DK2308607T3; US20110212296A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Antihaftbeschichtung für eine Oberfläche eines Substrats. Um die Antihafteigenschaften gegenüber den vorbekannten Oberflächenbeschichtungen deutlich zu verbessern und ausreichende Stabilität zu gewährleisten, enthält die Oberflächenbeschichtung mindestens ein Fluorpolymermit mindestens einer mikrostrukturierten ersten Schicht und mindestens einer diese überlagernden, submikrostrukturierten zweiten Schicht. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Oberflächenbeschichtung, bei dem der mikrostrukturierte Untergrund durch Aufbringen einer mikrostrukturierten Schicht auf eine makrostrukturierte Oberfläche erzeugt wird.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Antihaftbeschichtung für eine Oberfläche eines Substrats, die mindestens ein Fluorpolymer enthält, sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung.
Stand der Technik
Unter einer Antihaftbeschichtung ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Schichtaufbau zu verstehen, der so beschaffen ist, dass er sich insbesondere für Walzen oder andere Maschinenteile in der Klebstoff-, Gummi- und/oder lackverarbeitenden Industrie besonders gut eignet. Gute Antihafteigenschaften sind besonders dort relevant, wo bestimmte Flächenbereiche, beispielsweise von Etiketten, Klebebändern, Windeln und anderen Produkten, die Eigenschaft aufweisen sollen, dass dort Klebstoff oder andere klebrige Medien nicht haften. Damit können gezielt begrenzte Klebebereiche geschaffen werden, während die Nachbarbereiche nicht ankleben können. D. h., der Klebstoff bzw. andere klebrige Medien können maschinell gezielt und lokal begrenzt aufgebracht werden. Die entsprechend beschichteten Werkzeuge, wie beispielsweise Walzen in der Papierindustrie zur Herstellung mehrlagigen oder kaschierten Papiers bleiben kleberfrei.
Antihaftbeschichtungen der eingangs genannten Art sind bekannt. Sie stellen gemäß der gegenständlichen Art auf den Lotos-Effekt ab. Gewisse Pflanzenblätter, nämlich die Blätter der Lotos-Blüte (Nelumbo nucisera), sind im mikroskopischen Bereich nicht glatt ausgebildet, sondern sie weisen eine Oberfläche mit regelmäßigen Mikroerhebungen auf. Diese Ausgestaltung sorgt dafür, dass Wassertropfen beim Abperlen Schmutzpartikel mit aufnehmen und abtransportieren. Damit ist sichergestellt, dass die Oberfläche des Blattes der Lotos-Blüte stets sauber gehalten wird.
Dieser Effekt wird auch industriell angewendet. Es sind Materialien mit einer Oberflächenstruktur bekannt, bei der die Struktur des Lotos-Blattes nachempfunden ist. Dabei wird als Oberflächenmaterial Silikon verwendet, das sich in der Weise verarbeiten bzw. behandeln lässt, dass sich eine Art ”Doppelstruktur” an der Oberfläche ergibt: Die Oberfläche besteht aus einer noppenartigen Struktur, wobei die einzelnen Noppen wiederum Mikroerhebungen aufweisen.
Nachteilig ist, dass die in dieser Weise mit Silikon beschichteten Oberflächen keine Resistenz gegenüber Lösungsmitteln und Korrosion aufweisen. Des Weiteren sind diese Oberflächen nicht zugelassen für Lebensmittelanwendungen. Schließlich kommt eine entsprechende Oberfläche auch aufgrund der Materialeigenschaft des Silikons für manche Anwendungen nicht in Frage: Bei Lackierungs-Anwendungen (z. B. bei der Autolackierung) ist eine so beschichtete Oberfläche untauglich, da der Lack vom Silikon abgestoßen wird und es so zur Ausbildung sog. ”Fischaugen” kommt. Nachteilig ist schließlich, dass die Härte der Oberfläche relativ gering ist.
Andererseits sind Oberflächenbeschichtungen unter Einsatz von Fluorkunststoffen (beispielsweise Teflon) bekannt, die zu einer härteren Oberfläche führen. Der Fluorkunststoff wird dabei auf einer Trägerschicht bei erhöhten Temperaturen (ca. 400°C) eingesintert, um einen stabilen Verbund zu erhalten. Dadurch wird jedoch die Oberfläche des Substrats glatt; ein Lotos-Effekt ist auf diese Weise nicht zu erhalten.
In der EP 0 485 801 B1 ist ein Wärmetauscher offenbart, der eine Vielzahl von plattenförmigen Rippen aufweist. Auf der Rippenoberfläche ist eine Mischung aufgebracht, die aus einer eine Silikonharzverbindung enthaltenden Lösung und feinverteilten anorganischen Partikeln besteht. Als Basisschicht kommt dabei das Silikon zum Einsatz. Weiterhin ist vorgesehen dass die Oberfläche der Schicht regelmäßig verteilte Mikroerhebungen aufweist.
Die DE 35 44 211 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer Bügeleisensohle. Durch die Abfolge verschiedener Verfahrensschritte wird ein metallisches Trägersubstrat mit einer adhäsionsarmen Kunststoffoberfläche versehen, die möglichst glatt ausgebildet und versiegelt ist. Zur Versiegelung wird ein Bindemittel organischer Art eingesetzt.
In de DE 198 33 375 A1 wird ein Gegenstand beschrieben, der aus Metall, Keramik, Email oder Glas besteht und der mit einer zumindest einlagigen Beschichtung versehen ist, die anorganisches und/oder organisches Pigment, Fluorpolymer und als Bindeharz wenigstens eines vom Typ der Polyamidimide, Polyimide, Polyetherimide sowie ähnliche Substanzen aufweist. Die Spezifikation der Beschichtung ist dabei sowohl hinsichtlich der Mengen der Bestandteile als auch hinsichtlich deren Partikelgröße vorgegeben.
Aus der WO 01/49424 A2 ist ein Verfahren bekannt, bei dem auf einem Substrat mit einer strukturierten Oberfläche eine Schicht aus einem Kunststoffmaterial aufgebracht wird, wobei die Oberfläche der Schicht mit einer Vielzahl von im Wesentlichen regelmäßig verteilten Mikroerhebungen versehen wird, indem dem Kunststoffmaterial vor dem Aufbringen auf das Substrat Bestandteile in einer Menge von 10 bis 30 Gew.-% und einer Korngröße von 2 bis 200 μm zugegeben werden. Zu einem nach diesem Verfahren hergestellten Beispieloberfläche wird ein Wasserkontaktwinkel von 128° angegeben.
Darstellung der Erfindung
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Oberflächenbeschichtung zur Verfügung zu stellen, die den Lotos-Effekt aufweist, deren Antihafteigenschaften gegenüber den vorbekannten Oberflächenbeschichtungen deutlich verbessert sind und die ausreichend mechanisch stabil ist. Auch soll mit der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Oberflächenbeschichtung zur Verfügung gestellt werden.
Diese Aufgabe wird mit einer Antihaftbeschichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie einem Verfahren zum Erzeugen einer Antihaftbeschichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 5 gelöst.
Als Substrate werden hier und im Folgenden insbesondere solche verstanden, die zumindest teilweise aus Metall, Keramik, Glas, Email oder einem Compopsite-Material hieraus bestehen, aber auch solche aus anderen geeigneten Materialien. Materialien sind insbesondere dann als Bestandteil eines Substrats geeignet, sofern sie bei Temperaturen, die bei einem gegebenenfalls vorgesehenen oder Sintervorgang auftreten, ausreichend thermisch stabil sind.
Unter einem antiadhäsiven Kunststoff wird hier und im Folgenden insbesondere ein Fluorpolymer wie beispielsweise Polytetrafluorethylen (PTFE), Perfluoralkoxylalkan (PFA), Perfluorethylenpropylen-Copolymer (FEP), aber auch andere geeignete Materialien, die perfluorierte Kohlenstoffketten enthalten und vergleichbaren hydrophoben Eigenschaften haben, verstanden.
Unter einem mikrostrukturierten Untergrund wird hier und im Folgenden ein solcher mit einer Rauheit im Mikrometerbereich, insbesondere im Bereich von 2 bis 50 μm Ra, verstanden. Der Untergrund kann durch das Substrat selbst gebildet sein, aber auch durch eine auf das Substrat aufgebrachte oder aufgelegte Schicht, erzeugt werden.
Unter einem hierarchischen Schichtaufbau wird ein solcher verstanden, bei dem einer ersten Schicht mit einer ersten Oberflächenstruktur eine zweite Oberflächenstruktur einer zweiten Schicht überlagert wird, ohne dass die erste Oberflächenstruktur dabei egalisiert wird.
Unter einer ersten mikrostrukturierten Schicht des hierarchischen Schichtaufbaus wird eine solche mit Mikroerhebungen im Bereich von 2 bis 50 μm verstanden, unter einer submikrostrukturierten zweiten Schicht, die die erste überlagert, eine solche mit Erhebungen im Submikrometerbereich, insbesondere in einem Bereich von 0,1 bis 5 μm.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung Antihaftbeschichtung enthält die erste Schicht einen Zuschlag von 5 bis 30 Gew.-% organischen und/oder anorganischen Partikeln, insbesondere von Polyphenylensulfon (PPSO₂) oder Siliziumkarbid (SiC), um eine zusätzliche Strukturierung der Schicht zu erzeugen. Die Partikelgröße der Zuschlagsstoffe und der Füllgrad kann entsprechend dem gewünschten Effekt variiert werden. Es werden zum Beispiel gute Ergebnisse erzielt mit PPSO₂-Zuschlägen mit einem durchschnittlichen Partikeldurchmesser von 20 μm.
Die erfindungsgemäße Antihaftbeschichtung zeichnet sich durch einen Wasserkontaktwinkel CA >= 150°, insbesondere in Verbindung mit einer Wasserkontaktwinkel-Hysterese CAH <= 8° und/oder einem Ablaufwinkel <= 10° aus. Wasserkontaktwinkel von >= 165° mit einer Hysterese und einem Ablaufwinkel, die gegen 0 gehen, sind mit der erfindungsgemäßen Antihaftbeschichtung möglich. So kann die Abzugskraft eines Scotch^®-Tape von einer mit der erfindungsgemäßen Antihaftbeschichtung beschichteten Oberfläche 0 betragen.
Zum Erzeugen einer erfindungsgemäßen Haftbeschichtung wird der mikrostrukturierte Untergrund vorzugsweise durch Aufbringen einer mikrostrukturierten Schicht auf eine makrostrukturierte Oberfläche erzeugt. Die Oberfläche des Substrats kann dabei bereits selbst eine Makrostruktur aufweisen, weil sie eine entsprechende Rauheit hat. Die Makrostruktur kann aber auch durch die Art des Substrats vorgegeben sein, wie beispielsweise bei einem feinen Drahtgewebe. Auch kann eine geeignete Makrostruktur der Substratoberfläche erzeugt werden, beispielsweise durch Sandstrahlen oder aber durch Auflegen und Befestigen eines makrostrukturiertem Gittergewebes. Ergänzend und/oder alternativ hierzu kann durch thermische Aufspritzen einer makrostrukturierte Schicht auf das Substrat, insbesondere durch Flammspritzen eines Metalldrahtes oder Metallpulvers wie beispielsweise Chrom/Nickel-Draht oder aufgeschmolzenes Chrom/Nickel-Pulver, eine makrostrukturierten Oberfläche erzeugt werden.
Die mikrostrukturierte Schicht wird auf der makrostrukturierten Oberfläche vorzugsweise erzeugt durch Einlagern von Oxidkeramiken, insbesondere Titaniumoxid (TiO₂), Aluminiumoxid (Al₂O₃), und/oder von SiC in die makrostrukturierte Oberfläche, besonderes bevorzugt durch thermisches Spritzen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die mindestens eine erste mikrostrukturierte Schicht auf dem mikrostrukturierten Untergrund erzeugt, indem ein mindestens ein Fluorpolymer enthaltendes Pulver mit einer Korngröße im Bereich von 500 nm–30 μm aufgetragen wird, wobei das Pulver nach dem Auftragen vorzugsweise genau so erhitzt wird, dass die Pulverkörner am Untergrund anschmelzen und sich damit verbinden, aber im Wesentlichen ihre Form beibehalten. Hierdurch wird verhindert, dass die sich durch die Mikrostruktur des Untergrundes ergebenden Täler und Kavitäten von der mikrostrukturierten Schicht zugesetzt werden, vielmehr wird die Oberfläche durch die mikrostrukturierte Schicht zusätzlich strukturiert.
Dabei ist es von Vorteil, wenn das Pulver eine Beimischung von anorganische Partikeln wie insbesondere von SiC oder Al₂SO₃ und/oder organischen Partikeln wie Polyamide oder PPSO₂, oder Mischungen hiervon, vorzugsweise mit einem Anteil von 5 bis 30 Gew.-%, enthält. Die Partikeln sorgen für eine verbesserte Mikrostruktur und gleichzeitig für eine ausreichende mechanische Stabilität der Beschichtung.
Die mikrostrukturierte Schicht wird vorzugsweise in Beschichtungsdicken von 5 bis 15 μm pro Auftrag aufgebracht. Ein Mehrfachauftrag ist möglich und sinnvoll, eine bevorzugte Schichtdicke liegt bei 20 μm–50 μm.
Die zweite, submikrostrukturierte Schicht wird vorzugsweise erzeugt durch Auftragen eines feindispersen Fluorpolymers mit einer Korngröße von 90–300 nm auf die mikrostrukturierte erste Fluorpolymer-Schicht. Auch beim Einbrennen dieser zweiten Schicht ist es von Vorteil, wenn die Beschichtung gerade so erhitzt wird, dass die Partikel der zweiten Schicht lediglich angeschmolzen werden, so dass sie sich mit der darunter liegenden Schicht verbinden, ihre Form aber im Wesentlichen beibehalten.
In noch einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens enthält das feindisperse Fluorpolymer einen Zuschlag von Whiskern, insbesondere von Potassium-Titanat-Whiskern, vorzugsweise mit einem Anteil von 10 bis 40 Gew.-%, Hierdurch bildet sich eine Oberflächenstruktur mit Whiskern aus, mit der größte Wasserkontaktwinkel erreicht werden können.
Schließlich kann zwischen dem hierarchischen Schichtaufbau aus erster und zweiter Schicht und dem mikrostrukturierten Untergrund noch eine Primerschicht vorgesehen sein, deren Dicke 5 μm, insbesondere 1 μm, nicht überschreitet. Damit kann ein besserer Halt des hierarchischen Schichtaufbaus auf dem Untergrund und damit eine erhöhte mechanische Stabilität der Antihaftbeschichtung erzielt werden.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Im Folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Beschichtung anhand von verschiedenen bevorzugten Ausführungsbeispielen beschrieben.
Dabei zeigen die 1, 3, 3a, 4, 4a Rasterelektronenmikroskopaufnahmen von beschichteten Oberflächen. 2 zeigt einen skizzierten Beschichtungsaufbau mit Grundstruktur und einer ersten, mehrlagig aufgetragenen Schicht.
Wie bereits eingangs erwähnt, wird der hierarchische Schichtaufbau auf einen mikrostrukturierten Untergrund aufgebracht. Dieser mikrostrukturierte Untergrund kann bereits durch die Substratoberfläche gegeben sein, wird aber üblicherweise durch eine Behandlung und/oder Beschichtung der Substartoberfläche erzeugt, insbesondere durch Erzeugen einer Hartgrundschicht.
Zum Erzeugen einer Hartgrundschicht auf einem metallischen Substrat wurden die Oberflächen eines Aluminiumkörpers, eines Edelstahlkörpers und eines Normalstahlkörpers, nachdem sie entfettet worden sind, zunächst mit Grobkorund (Al₂O₃) gesandstrahlt. Mit dem Sandstrahlen wurden die Oberflächen von etwaigen Oxidschichten und anderen Verunreinigungen befreit. Außerdem erhielten die Oberflächen eine erste Struktur, die einer nachfolgenden Beschichtung, die beispielsweise wie nachfolgend beschrieben durch thermisches Spritzen aufgetragen wird, eine mechanische Verklammerung mit der Körperoberfläche ermöglicht.

Die mit einem Tastschnitt-Messgerät der Firma Mahr gemessenen Rauheitswerte für mit Grobkorund gesandstrahlte Oberflächen lassen sich der nachfolgenden Tabelle 1 entnehmen.

	Grobkorundstrahlung auf Aluminium	Grobkorundstrahlung auf Edelstahl	Grobkorundstrahlung auf Normalstahl
Ra (μm)	5,67	2,78	4,53
Rz (μm)	35,43	17,45	29,47
Rmax (μm)	43,48	20,59	32,06
R Sk	–0,53	0,24	0,19
R Ku	3,82	3,06	3,11

Tabelle 1

Nach dem Sandstrahlen wurden die Oberflächen mit Metco^® 36C, einer Mischung von groben Wolframkarbidpartikeln in einem selbstschmelzigen Nickel-Chrom-Legierungspulver, flammgespritzt. Hierdurch erhält die Oberfläche eine Makrostruktur, die unabhängig ist von der Oberflächenstruktur des Substrats. Die mit dem Tastschnitt-Messgerät gemessenen Rauheitswerte der flammgespritzten Oberfläche sind in Tabelle 2 wiedergegeben.

Ra (μm) 5,69

Rz (μm) 41,94

Rmax (μm) 62,28

R Sk –0,11

R Ku 4,33

Tabelle 2
In einer alternativen Beschichtung wurden die Oberflächen mit einem Keramikpulver des Typs AC130 der Firma Sulzer-Metco flammgespritzt. Hierdurch wird eine feinere Oberflächenstruktur erzeugt, was sich bereits aus der Partikelgröße des Pulvers, die im Bereich von 5 bis 30 μm liegt, ergibt. Die Rauheitswerte der sich hieraus ergebenden Oberfläche sind in Tabelle 3 wiedergegeben.
Die Rauheit ist nach der Gauß’schen Normalverteilung aufgebaut und entsprechend dem Verfahren recht gleichmäßig.

Ra (μm) 5,08

Rz (μm) 31,99

Rmax (μm) 46,58

R Sk 0,37

R Ku 3,96

Tabelle 3
Eine Überlagerung der beiden Flammspritzsysteme, wobei zunächst Metco 36C und danach das Keramikpulver AC130 durch Flammspritzen aufgetragen wurde, führt zu einer festzustellenden hierarchischen Struktur mit einer Gesamtschichtdicke von 50 μm–150 μm.
Zu der sich hieraus ergebenden Oberfläche wurden die in Tabelle 4 wiedergegebenen Rauheitswerte gemessen. Die Oberflächenstruktur ist in 1 als Bild wiedergegeben. Der Ra-Wert ist mit 6,59 stark ausgeprägt. Die Rauheitsverteilung ist schön gleichmäßig. So ist Rmax mit 39,23 nicht stark abweichend von Rz = 36,64 und der R Sk-Wert liegt mit –0,09 im vorteilhaften Bereich, ebenso ist R Ku mit 2,43 nahe der Gauß’schen Verteilung.

Ra (μm) 6,59

Rz (μm) 36,64

Rmax (μm) 39,23

R Sk –0,09

R Ku 2,43

Tabelle 4
Das beschriebene Verfahren zum Erzeugen einer Hartgrundschicht ist zwar ein bevorzugtes Verfahren, es können aber auch andere Verfahren verwendet werden, sofern mit diesem eine vergleichbare mikrostrukturierte Schicht erzeugt wird.
Auf den vorliegend erzeugten, mikrostrukturierten Untergrund wurde dann ein hydrophobierender Schichtaufbau aufgebracht. Zum Beschichten wurden die Fluorpolymere PTFE, PFA und auch FEP verwendet. Alle drei Materialien sind vollfluorierte Kunststoffe, die sich in einigen Eigenschaften, wie z. B. im Schmelzpunkt, unterscheiden.

Wesentliche Eigenschaften der verwendeten Fluorpolymere und anderer, grundsätzlich verwendbarer hydrophober Beschichtungsmaterialien sind in Tabelle 5 dargestellt.

Material	Schmelzpunkt	Kontaktwinkel	Abrollwinkel	Hysterese	SFE nach Wu
		Tangent 1			Total	Disperser Teil	Polarer Teil
	[°C]	[°]	[°]	[°]	[mN/m]	[mN/m]	[mN/m]
PTFE	323	114	34	35,1	21,8	22,2	–0,4
PFA	310	110	20	21,5	16,7	14,3	2,4
FEP	270	104	16	6,6	20	13,9	6,1
Silikon		111	40	41	19,4	16,7	2,7
Sol-Gel		98	19	21,4	24,1	16,6	7,5

Tabelle 5

Zum Auftragen einer ersten, mikrostrukturierten Schicht wurde es als wichtig erachtet, die Mikrostruktur des Untergrunds beizubehalten. Um dies sicherzustellen, wurde das Fluorpolymer als Pulver aufgetragen, und zwar durch elektrostatisches Beschichten. Das Beschichten erfolgte in mehreren Vorgängen bis zu einer Schichtdicke von 20 μm–50 μm. Die Pulverschichten folgen nach dem Auftrag der Kontur der Grundstruktur.
Nach dem Auftragen der Fluorpolymere wurden diese versintert, d. h. sie wurden über ihren Schmelzpunkt gebracht, um eine Verschmelzung zu erreichen. Die Temperatur beim Versintern liegt üblicherweise mindestens 50°C über dem Schmelzpunkt.
Um die Schmelzviskosität heraufzusetzen, so dass die Struktur des Untergrunds nicht egalisiert wird, und gleichzeitig der Beschichtung eine eigene Struktur zu verleihen, wurde dem zu beschichtenden Fluorpolymerpulver ein Zuschlag von 5% PPSO₂, 5% SiC bzw. 20% PPSO₂ beigemischt. Von den grundsätzlich geeigneten organischen Zuschlagstoffen eignet sich PPSO₂ wegen seiner hohen Temperaturbeständigkeit über 420°C liegt, besonders gut. Das verwendete PPSO₂ hatte einen mittleren Durchmesser von 20 μm.
Beim Verschmelzen, d. h. Sintern der Schicht war die Viskosität der Schmelze so hoch, dass sie nicht in die Täler des mikrostrukturierten Untergrundes abfließen konnte. Die sich ergebende Schichtstruktur ist in 2 dargestellt.
Mit der Auswahl der verwendeten Fluorpolymere, deren Füllstoffe und der gewählten Schichtdicke wurde eine mikrostrukturierte erste Schicht mit bereits sehr guten Gebrauchseigenschaften erzielt, nämlich mit einer hohe mechanische Stabilität, leichter Applizierbarkeit auf Substrate verschiedenster Größen und Geometrien und guten Antihafteigenschaften.
Bei einem Muster mit einer hierarchisch aufgebauten Hartgrundstruktur aus Metco 36C und AC130, die mit einem PFA Fluorpolymer mit einem Zuschlag von 5% PPSO₂ beschichtet wurde, wurden ein Wasserkontaktwinkel von 140° und ein Ablaufwinkel von 12° gemessen. Bei einem Muster mit gleicher Hartgrundstruktur, die mit einem PFA Fluorpolymerpulver mit einem Zuschlag von 5% SiC beschichtet wurde, wurden ein Wasserkontaktwinkel von 144° und ein Ablaufwinkel von 12° gemessen. Bei einem weiteren Muster mit gleicher hierarchisch aufgebauten Hartgrundstruktur, die mit einem PFA Fluorpolymerpulver mit einem Zuschlag von 20% PPSO₂ beschichtet wurde, wurden ein Wasserkontaktwinkel von 156° und ein Ablaufwinkel von 21° gemessen.
Auf ein Muster mit hierarchisch aufgebauter Hartgrundstruktur aus Metco 36C und AC130, die in der oben beschriebenen Weise appliziert wurde, und mikrostrukturierter erster Schicht aus einem PFA Fluorpolymerpulver mit 20% PPSO₂ Zuschlag wurde dann eine Fluorpolymerdispersion aufgespritzt. Durch eine hohe Atomisierung beim Aufspritzen der Dispersion mit einer Korngröße von 90 nm–150 nm wurde erreicht, dass sich festgeschmolzene Partikel in der Größe von etwa 500 nm bis 5 μm an der Oberfläche ausbilden. Diese sogenannten Cluster sind fest mit dem darunter liegenden Fluorpolymer verschmolzen. Dadurch sind sie beachtlich stabil und lassen sich nicht mit einem sogenannten Scotch^®-Tape-test, bei dem ein Scotch^®-Klebeband auf die Oberfläche aufgebracht und danach wieder abgezogen wird, entfernen. Der Wasserkontaktwinkel der so hergestellten Oberfläche lag bei 165°, der Ablaufwinkel bei 5°.
Die so erzielten Mikrostrukturen haben einen Durchmesser von ca. 25 μm und eine Höhe von ca. 20–30 μm. Die Abstände der Erhebungen liegen bei ca. 30–50 μm, Die Submikrostrukturen sind ungefähr 2 bis 5 μm hoch und ca. 10–15 μm lang. Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme der Oberfläche sind in 3 (250-fache Vergrößerung) und 3a (1000-fache Vergrößerung) zu sehen.
Weitestgehend gleiche Ergebnisse wurden erzielt bei Verwendung von FEP als Fluorpolymer.
Auf ein anderes Muster mit hierarchisch aufgebauter Hartgrundstruktur aus Metco 36C und AC130, die in der oben beschriebenen Weise appliziert wurde, und mikrostrukturierter erster Schicht aus einem PFA Fluorpolymerpulver mit 20% PPSO₂ Zuschlag wurde dann eine Fluorpolymerdispersion aufgespritzt, die mit 30 Gew.-% eines Whiskers, hier eines Potassium-Titanat-Whiskers gefüllt war. Die Whisker hatten einen Durchmesser in der Größenordnung von 150 bis 300 nm und eine Länge in der Größenordnung von 1–5 μm. Die PFA-Dispersion hatte eine Partikelgröße von 90–150 nm. Das Dispersionsgemisch wurde auf die über 100° heiße Oberfläche des Musters bei hohem Atomisierungsdruck mit einer Spritzpistole aufgetragen. Dabei verdampfte das Wasser der Dispersion sofort bei Auftreffen auf das Werkstück, und die PFA-Partikel mit den Whiskern wurden auf die Oberfläche geschleudert. Anschließend wurde die Schicht durch Sintern bei einer Temperatur von 360°C für die Dauer von 10 Minuten mit der darunter liegenden PFA-Schicht fest verbunden. Durch die eingelagerten Whisker entsteht die gewünschte Struktur.
Ebenso wie die Kluster-Struktur ist die Whisker-Struktur mechanisch stabil. Über einen Abzugstest mit Scotch^®-Tape lässt sich die Struktur nicht entfernen.
Die Struktur (siehe 4 (250-fache Vergrößerung) und 4a (1000-fache Vergrößerung)) hat Mikrostrukturen mit einem Durchmesser im Bereich von 30 μm, die in einem Abstand von ca. 50 μm zueinander stehen und deren Höhe etwa 20 μm beträgt. Die überlagerte Submikrobeschichtung hat Strukturen, die sich anhand der Fasern orientiert, Die Durchmesser der Fasern beträgt ca. 300–500 nm, ihre Länge ca. 1–5 μm.
Der Wasserkontaktwinkel der so erzeugten Beschichtung beträgt 175°, der Ablaufwinkel 0°.
Die Rauhigkeitskennwerte dieser Oberflächenstruktur sind besonders hoch. Ra liegt bei ca. 8 μm, Rz = 50 μm und Rmax ist gleich 61 μm; Rsk = –0,18 und Rku liegt bei 3.
Bei sämtlichen Messungen zu Wasserkontaktwinkel, Abrollwinkel und Hysterese wurden Dreifach-Messungen durchgeführt. Dazu wurden auf einer beschichteten Platte drei gleichmäßig verteilte Punkte gewählt.
Zur Messung des Kontaktwinkels wurden Wassertropfen mit einem Volumen von 10 μl verwendet. Eine Fotoaufnahme des Tropfens auf der Oberfläche wurde mit Hilfe einer Software ausgewertet. Die Berechnung des Kontaktwinkels erfolgt über die als Tangente 1 (ggf. Laplace) bezeichnete Methode.
Bei der Abrollwinkelbestimmung wurde die beschichtete Platte mit einem Wassertropfen mit 60 μl Volumen belegt. Die Platte, bzw. das gesamte Gerät, wurde gekippt, bis der Tropfen begann abzurollen. Dieser Winkel ist der Abrollwinkel.
Zur Bestimmung der Hysterese wurde die Versuchsplatte mit einem Wassertropfen mit 60 μl Volumen belegt. Die Platte wurde bis kurz vor den Abrollwinkel gekippt. Dabei bilden sich zwei verschiedene Kontaktwinkel aus. Der eine an der dem Gefälle zugewandten, der Andere an der abgewandten Seite. Die Kontaktwinkel wurden auf die oben beschrieben Art bestimmt, jedoch wurde die Methode Tangente 2 zur Berechnung verwendet.
Zur Bestimmung von Wasserkontaktwinkel, Abrollwinkel und Hysterese wurden das Tropfenkonturanalyse-System DSA 100 der Firma Krüss und die Software zur Tropfenkonturanalyse „Drop Shape Analysis 3” für Windows 2000/XP Version 1.50, beides von der Firma Krüss, verwendet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 0485801 B1 [0007]
DE 3544211 A1 [0008]
DE 19833375 A1 [0009]
WO 01/49424 A2 [0010]

Claims

Antihaftbeschichtung für eine Oberfläche eines Substrats, die mindestens einen antiadhäsiven Kunststoff, insbesondere mindestens ein Fluorpolymer, enthält, gekennzeichnet durch einen auf einen mikrostrukturierten Untergrund aufgebrachten hierarchischen Schichtaufbau mit mindestens einer mikrostrukturierten ersten Schicht und mindestens einer diese überlagernden, submikrostrukturierten zweiten Schicht.
Antihaftbeschichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht einen Zuschlag von 5 bis 30 Gew.-% organischen oder anorganischen Partikeln, insbesondere von PPSO₂ oder SiC, enthält.
Antihaftbeschichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche mit einem Wasserkontaktwinkel CA >= 150°, insbesondere in Verbindung mit einer Wasserkontaktwinkel-Hysterese CAH <= 8° und/oder einem Ablaufwinkel <= 10°.
Antihaftbeschichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche mit einer Abzugskraft für Scotch^®-Tape = 0.
Verfahren zum Erzeugen einer Antihaftbeschichtung, bei dem auf einen mikrostrukturierten Untergrund eine erste mikrostrukturierte Schicht und darauf eine submikrostrukturierte Schicht aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der mikrostrukturierte Untergrund erzeugt wird durch Aufbringen einer mikrostrukturierten Schicht auf eine makrostrukturierte Oberfläche.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Substratoberfläche zum Erzeugen der makrostrukturierten Oberfläche gesandstrahlt wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erzeugen der makrostrukturierten Oberfläche eine makrostrukturierte Schicht auf das Substrat, insbesondere durch Flammspritzen eines Metalldrahtes oder Metallpulvers, insbesondere von Chrom/Nickel-Draht oder von aufgeschmolzenem Chrom/Nickel-Pulver, aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Anspruch 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die mikrostrukturierte Schicht erzeugt wird durch Einlagern von Oxidkeramiken, insbesondere TiO₂, Al₂O₃, und/oder von SiC in die makrostrukturierte Oberfläche, vorzugsweise durch thermisches spritzen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass auf den mikrostrukturierten Untergrund mindestens eine erste Schicht aufgebracht wird, indem ein mindestens ein Fluorpolymer enthaltendes Pulver mit einer Korngröße im Bereich von 500 nm–30 μm aufgetragen wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Pulver eine Beimischung von organische oder anorganische Partikeln, insbesondere von SiC, Al₂SO₃ und/oder PPSO₂, vorzugsweise mit einem Anteil von 5 bis 30 Gew.-%, enthält.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass auf die erste Schicht eine zweite Schicht in Form eines feindispersen Fluorpolymers mit einer Korngröße von 90–300 nm aufgetragen wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung so erhitzt wird, dass die Partikel der zweiten Schicht lediglich angeschmolzen werden, so dass sie sich mit der darunter liegenden Schicht verbinden, ihre Form aber im Wesentlichen beibehalten.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das feindisperse Fluorpolymer einen Zuschlag von Whiskern, insbesondere von Potassium-Titanat-Whiskern, vorzugsweise mit einem Anteil von 10 bis 40 Gew.-%, enthalten ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass vor Aufbringen des Schichtaufbaus eine Primerschicht auf den mikrostrukturierten Untergrund aufgebracht wird, deren Dicke 5 μm, insbesondere 1 μm, nicht überschreitet.