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Die Erfindung betrifft ein Beschichtungsverfahren gemäß dem Patentanspruch 1 und ein Adsorberelement gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 8.
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Aus der
DE 100 24 793 A1 ist ein Adsorber-/Desorber-Wärmetauscher bekannt, bei dem der Adsorbent in Form von losen Zeolith-Granulaten auf die metallischen Rippen eines Wärmetauschers aufgebracht ist. Vorteilhaft ist an dieser Lösung, dass für den Kältemittelstofftransport eine vergleichsweise große Adsorbentenoberfläche zur Verfügung steht. Nachteilig ist aber die schlechte Wärmeübertragung zwischen dem Adsorbenten in Form von losen Zeolith-Granulaten und dem metallischen Trägermaterial des Wärmetauschers.
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Mit beispielhaftem Verweis auf die
DE 197 30 136 A1 (siehe Spalte 1, Zeile 63 f.) gibt es daher auch Lösungen, bei denen ein metallisches Trägerelement (dort ein Blech) mit einem Adsorbenten beschichtet ist. Bei Lösungen (Beschichtungen) dieser Art können sich allerdings Korrosions- und Stabilitätsproblem ergeben: Verwendet man zum Beispiel Wasser als Kältemittel, so neigen Materialien wie Aluminium und Kupfer, die wegen ihrer guten Wärmeleitfähigkeit bevorzugt als Trägerelement verwendet werden, zur Korrosion. Darüber hinaus bilden sich bei periodisch wechselnden Temperaturen aufgrund unterschiedlicher Ausdehnungskoeffizienten Risse in der Adsorbentenschicht, die letztlich zum vollständigen Ablösen des Zeoliths vom Trägerelement und damit Versagen des Adsorberelements führen (können).
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Der Erfindung liegt einerseits die Aufgabe zugrunde, ein Beschichtungsverfahren zu schaffen bzw. bereitzustellen, mit dem es möglich ist, die genannten Korrosions- und Stabilitätsprobleme bei einer auf einem metallischen Trägerelement aufgebrachten Adsorbentenschicht zu lösen. Andererseits soll erfindungsgemäß ein entsprechend korrosionsbeständiges und stabiles Adsorberelement geschaffen werden.
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Diese Aufgabe ist verfahrensmäßig durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Gegenständlich lösen die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 8 diese Aufgabe.
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Es ist mithin ein Verfahren vorgesehen, bei dem in einem ersten Schritt zur Ausbildung einer Korrosionsschutzschicht auf ein metallisches Trägerelement ein wasserbasierter Hybridlack aufgebracht wird, bei dem in einem zweiten Schritt zur Erreichung einer Teilvernetzung der Hybridlack vorgetrocknet wird, bei dem in einem dritten Schritt auf den vorgetrockneten, teilvernetzten Hybridlack eine Adsorbentenschicht aufgebracht wird und bei dem in einem vierten Schritt der Hybridlack und die Adsorbentenschicht thermisch ausgehärtet werden.
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Außerdem ist bezüglich des Adsorberelements vorgesehen, dass das Trägerelement mit einer Beschichtung aus einem wasserbasierten Hybridlack und der auf den vorgetrockneten, teilvernetzten Hybridlack aufgebrachten Adsorbentenschicht versehen ist.
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Mit anderen Worten ist erfindungsgemäß ein Beschichtungsverfahren bzw. Adsorberelement vorgesehen, bei dem die Adsorbentenschicht zusammen mit einem dem Korrosionsschutz dienenden, wasserbasierten Hybridlack in spezieller Weise auf das Trägerelement aufgebracht wird bzw. ist.
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Unter einem Hybridlack ist dabei eine hochwirksame Korrosionsschutzbeschichtung zum Beispiel für Aluminium zu verstehen, die aus hybriden Epoxi- oder Polyurethan-Lacksystemen besteht. Diese hybriden Lacksysteme in organischer-anorganischer Matrix wiederum basieren auf polymeren, vernetzten Massen modifizierter Polysiloxane, welche in einem Sol-Gel-Prozess hergestellt werden. Die Lacksysteme werden, wie beansprucht, nach ihrer Applikation auf dem Substrat in einem thermischen Prozess durch Wasserentzug und Kondensationsreaktion in den Gelzustand überführt und damit irreversibel vernetzt. Das Ergebnis sind einander durchsetzende, so genannte ”interpenetrierende” anorganische und organische Netzwerke, die die günstigen Eigenschaften beider Netzwerke in sich vereinigen. Diese Lacksysteme sind aus der
DE 101 52 853 A1 bekannt, auf die hier insoweit vollumfänglich Bezug genommen wird.
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Weiterhin ist zwischen Lösungsmittel- und wasserbasierten Hybridlacksystemen zu unterscheiden. Erstere beinhalten aktive Endgruppen auf Basis von Fluorsilanen, welche der Oberfläche eine außergewöhnlich hohe hydrophobe und oleophobe Antihafteigenschaft verleihen. Diese Art von Schutzlack bewirkt eine extrem gute Korrosionsschutzeigenschaft. Er wird durch Sprühen, Tauchen oder Fluten aufgebracht und bei Temperaturen von 120°C bis 180°C für zehn Minuten bis zwei Stunden thermisch ausgehärtet. Diese Lackschicht wird in einer Schichtstärke von 5 μm aufgebracht und erreicht eine Beständigkeit im Salzsprühnebeltest von mehr als 2000 Stunden. Durch die starke Hydrophobie und Antihafteigenschaft ist es allerdings nicht möglich, auf diese Schutzschicht eine weitere silikatische Schicht (zum Beispiel eine Zeolithschicht) aufzubringen und dauerhaft anzubinden.
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Stattdessen ist erfindungsgemäß ein modifiziertes Lacksystem vorgesehen, welches ebenfalls auf der gleichen organisch-anorganischen Matrix aufbaut, jedoch auf die fluorhaltigen Endgruppen verzichtet und anstelle der Lösungsmittelkomponente wasserbasiert ist. Der Verzicht auf die fluorhaltigen Endgruppen führt zu einer besseren Benetzbarkeit der Schutzschicht mit der Zeolithsuspension. Das wasserbasierte Lacksystem besitzt zudem freie OH-Gruppen, die während des Polymerisationsprozesses durch Wasserstoffbrückenbindung und Wasserabspaltung (Kondensationsreaktion) die Silikatschicht, speziell Zeolithschicht, mit der Lackschicht fest verbindet.
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Die Benutzung von lösungsmittelbasierten Systemen ist für Adsorptionswärmepumpen zudem nachteilig, da die Lösungsmittel nicht zu 100% ausgebrannt werden können. Die Freisetzung dieser Rückstände im späteren Betrieb der Wärmepumpe kann das Vakuum zerstören und zu einem massiven Rückgang des Wirkungsgrades der Wärmepumpe führen. Deshalb ist auch aus diesem Grund das wasserbasierte System den lösungsmittelbasierten Komponenten überlegen.
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Andere vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahrens bzw. Adsorberelements ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
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Das erfindungsgemäße Beschichtungsverfahren bzw. Adsorberelement einschließlich seiner vorteilhaften Weiterbildungen gemäß der abhängigen Patentansprüche wird nachfolgend anhand der zeichnerischen Darstellung eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Es zeigt
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1 schematisch das Trägerelement mit Lack- und Adsorbentenschicht;
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2 modellhaft den Bindemechanismus des Lacksystems durch die Vortrocknung;
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3 schematisch die Vernetzung des Lacksystems und
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4 schematisch die Anbindung der Zeolithschicht während des Temperprozesses.
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Die zum Aufbau einer Doppelschicht aus anorganisch-organischem Hybridlack 2 und einer Adsorbentenschicht 3 (vorzugsweise eine Zeolith- oder Silikagelschicht) erfindungsgemäß entwickelte Applikationsform ist eine so genannte ”nass-in-teilvernetzte Applikation”. Dabei wird zunächst das hybride Lacksystem durch Sprühen, Tauchen oder Fluten auf das metallische Trägerelement 1, vorzugsweise ein Aluminiumsubstrat (alternativ kommt auch Kupfer oder rostfreier Stahl in Betracht), aufgebracht. Diese Lackschicht wird vorzugsweise in einer Schichtstärke von ca. 5 μm bis 10 μm aufgebracht und danach bei Temperaturen von 70°C bis 90°C für 10 Minuten bis 30 Minuten vorgetrocknet.
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Durch diese Vortrocknung wird der Hybridlack
2 soweit verfestigt, dass er eine wirksame Sperre gegen die wässrige Zeolithsuspension (siehe hierzu die nachveröffentlichte
DE 10 2008 050 926 A1 ) darstellt, um ein Eindringen in den Lack zu verhindern. Die Vortrocknungstemperatur ist so gewählt, dass lediglich eine Teilvernetzung des Hybridlacks
2 erfolgt, so dass das anorganisch-organische Netzwerk noch über genügend freie aktive Valenzen verfügt, um eine direkte chemische Anbindung an die Oxid- und Silikatstrukturen des Zeolithen zu ermöglichen (siehe hierzu
1).
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In 2 ist dieser Zustand schematisch dargestellt. Es wird gezeigt, dass die Silizium-Kohlenwasserstoff-Ketten [(-Si-CH2-)-Ketten] des Lacksystems weitgehend noch über Hydroxid-Gruppen [OH-Gruppen] miteinander und in Richtung Substrat verbunden sind und nur wenige Sauerstoffbrücken [-O-] existieren.
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Durch die Vortrocknung von 70°C bis 90°C bleiben nach diesem Prozess genügend reaktive OH-Gruppen erhalten, die eine spätere Anbindung der Zeolithschicht an das Lacksystem ermöglichen.
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Im nächsten Schritt wird die Adsorbentenschicht 3 auf die vorgetrocknete Hybridlackschicht durch Sprühen, Tauchen oder Fluten aufgetragen. Es ist erforderlich, dass dass Aufbringen der Zeolithschicht auf die vorgetrocknete Lackschicht möglichst zeitnah erfolgt, um zu verhindern, dass die Lackschicht komplett austrocknet oder gar verschmutzt. Anschließend wird das Gesamtsystem der Doppelschicht (Zeolith-Lack oder Silikagel-Lack) bei Temperaturen von 120°C bis 180°C für 10 Minuten bis zu 120 Minuten thermisch ausgehärtet wird.
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Durch diesen Temperprozess kommt es jetzt zur vollständigen Aushärtung und Vernetzung des Lacksystems und zu einer festen und dauerhaft Anbindung der Adsorbentenschicht an das Lacksystem.
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3 zeigt in einer schematischen Darstellung, wie die Anbindung des Zeolithen bzw. Silikalgels an das organisch-anorganische Hybridlacksystem zunächst ebenfalls über Wasserstoffbrückenbindungen zur Lackoberfläche erfolgt. Durch die anschliessende thermische Behandlung wird dann eine Kondensationsreaktion unter Abspaltung von Wasser erzeugt, die eine intensive Anbindung an die Lackschicht über Sauerstoffbrücken bewirkt und so zu einer festen und dauerhaften Anbindung führt.
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Eine nach dem Applikationsverfahren ”nass-auf-teilvernetzt” hergestellte Doppelschicht aus Hybridlack 2 und einer Adsorbentenschicht 3 ermöglicht eine Korrosionsfestigkeit des metallischen Trägerelements 1 im Salzsprühnebeltest von mehr als 2000 Stunden und gewährleistet gleichzeitig die feste und dauerhafte Verbindung der Adsorbentenschicht 3 mit dem Hybridlack 2. Des Weiteren bleibt bei dieser Applikationsweise die Funktionsfähigkeit der Adsorbentenschicht 3 nach außen vollständig erhalten.
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Der Vollständigkeit halber werden nachfolgend noch zwei weitere, auf wasserbasierenden Systemen beruhende Lackierverfahren erläutert, die aber die eingangs gestellte Aufgabe weder lösen, noch nahelegen:
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a) Applikationstechnik ”überlackieren”
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Bei diesem Lackierverfahren wird die Korrosionsschutz und die Zeolithschicht zeitlich und räumlich unabhängig voneinander aufgebracht. Diese Applikation hat den Vorteil, dass die Applikation der beiden sehr verschiedenen Materialien zeitlich und räumlich unabhängig voneinander erfolgen kann.
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Die Anbindung des organisch-anorganischen Hybridlacksystems an das Substrat erfolgt zunächst über Wasserstoffbrückenbindungen zwischen Lack und Metalloberfläche. Durch die anschließende thermische Behandlung erfolgt dann über eine Kondensationsreaktion unter Abspaltung von Wasser eine intensive Vernetzung innerhalb der Lackschicht und es kommt zu einer festen chemischen Anbindung der Lackschicht über Sauerstoffbrücken an das Substrat.
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Dieser Vorgang ist modellhaft in 4 dargestellt. Das Modell gilt sowohl für die Anbindung des Lacksystems an die Metalloberfläche als auch an die Silikat- oder Zeolithschicht.
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Es hat sich gezeigt, dass eine Zeolithsuspension, die auf eine thermisch bereits ausgehärtete Lackschicht aufgebracht wird, nicht mehr an die Oberfläche des ausgehärteten Lacks anbinden kann. Es kommt hier nämlich durch die bereits abgeschlossene Aushärtung zu einer Sättigung aller Bindungen, so dass die Zeolithschicht keine weiteren Bindungen innerhalb der Grenzschicht ausbilden kann.
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Durch das Fehlen von reaktiven bzw. freien Endgruppen an der Oberfläche des Lacksystems ist nach dem Aushärten somit keine feste und dauerhafte Anbindung der Zeolithschicht an die Korrosionsschutzschicht mehr möglich.
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b) Applikationstechnik ”nass-in-nass”
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In einem anderen Ansatz wurde die Zeolithsuspension im so genannten ”nass-in-nass”-Auftrag auf die noch feuchte Korrosionsschutzschicht aufgebracht. Zunächst erfolgte das Aufbringen der organisch-anorganischen Lackschicht mittels Aufsprühen, Tauchen oder Fluten, die als Korrosionsschutzschicht dient. Danach wurde die Zeolithschicht als zweite Schicht auf den noch feuchten Schutzfilm auf das Aluminiumsubstrat aufgebracht. Dies geschah ebenfalls durch Aufsprühen, Tauchen oder Fluten. Danach wurden beide Schichten einer thermischen Behandlung bei 120°C bis 180°C für 10 Minuten bis 120 Minuten unterworfen und so beide Schichten gleichzeitig ausgehärtet.
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Es hat sich bei dieser Methode jedoch gezeigt, dass durch dieses Verfahren die Adsorbentenschicht vor der thermischen Aushärtung teilweise in die noch weiche Lackschicht eintaucht und es zu einer teilweisen Unterwanderung dieser Basisschicht kommen kann. Dadurch wird nicht nur die Korrosionsschutzwirkung der Lackschicht reduziert, sondern auch die Funktionsfähigkeit der Zeolithschicht eingeschränkt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Trägerelement
- 2
- Hybridlack
- 3
- Adsorbentenschicht
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10024793 A1 [0002]
- DE 19730136 A1 [0003]
- DE 10152853 A1 [0009]
- DE 102008050926 A1 [0021]
