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TECHNISCHES
GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung betrifft die Schutzbeschichtungstechnologie.
Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung Filmbeschichtungsmaterialien,
die eine hohe Wasserabweisung aufweisen und Verfahren zur Herstellung
der Filme. Wasserbeständige
oder wasserfeste Beschichtungen können abgesehen davon, dass
sie sich dafür
eignen, verschiedenste Oberflächen
wasserfest zu machen, solche Oberflächen auch gegenüber Vereisung
und Bewuchs beständig
machen. Die Beschichtungen können
auch dazu dienen, Schutzoberflächen
gegenüber
wasserlöslichen
Elektrolyten, wie z.B. Säuren
und Basen, und Mikroorganismen beständig zu machen.
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STAND DER
TECHNIK
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Es
versteht sich, dass die Benetzbarkeit verschiedener Materialien
sowohl von der physikalischen als auch der chemischen Heterogenität des Materials
abhängt.
Die Idee, den durch einen Flüssigkeitstropfen
entstehenden Kontaktwinkel θ auf
einer Oberfläche
eines Festkörpers
als quantitatives Maß für die Benetzbarkeit des
jeweiligen Festkörpers
zu verwenden, ist ebenfalls seit langem klar. Wenn sich die Flüssigkeit
vollständig über eine
Oberfläche
ausbreitet und einen Film bildet, beträgt der Kontaktwinkel θ 0°. Wenn es
zu jeglicher Perlenbildung der Flüssigkeit auf der Oberfläche des
Festkörpers
kommt, wird die Oberfläche
als nicht benetzbar angesehen.
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Bei
einem Kontaktwinkel mit Wasser von mehr als 0° wird der Festkörper als
hydrophob angesehen. Beispiele für
Materialien, worauf Flüssigkeitstropfen
hohe Kontaktwinkel aufweisen, umfassen Wasser auf Paraffin mit einem
Kontaktwinkel von etwa 107° und
Quecksilber auf Normalglas mit einem Kontaktwinkel von etwa 140°.
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In
der Vergangenheit sind Oberflächen
gegenüber
Verkrustung, Korrosion, Vereisung und Bewuchs durch Beschichtungen
geschützt
worden, die Polymerfilme, hy drophobe feste Füllstoffe und hydrophobe Flüssigkeiten
enthielten. Ein Nachteil der Verwendung solcher Beschichtungen liegt
darin, dass diese keinen Mehrzweckschutz erzielen, da sie im Allgemeinen
nicht ausreichend vielseitig anwendbar sind, um gegen Schäden zu schützen, die
eine Reihe von Ursachen haben.
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In
der internationalen Anmeldung mit der Nr. WO 94/09074 wird ein Mehrzweckmodifikator
für feste Oberflächen offenbart,
der eine Zusammensetzung umfasst, die ein hochdisperses hydrophobes
Pulver, ein flüssiges
Silicon, ein Lösungsmittel
und ein Haftmittel zum Binden der Pulverteilchen aneinander und
an die Oberfläche
enthält.
Vom Modifikator wird beschrieben, dass er verschiedenen Oberflächen wirksam
wasserabweisende, bewuchshemmende, vereisungshemmende, korrosionshemmende
und reibungshemmende Eigenschaften verleiht. Obwohl die Beschreibung
außergewöhnlich gute
Versuchsergebnisse anführt
und in manchen Fällen
angeblich Kontaktwinkel von über
175° bereitstellt,
ist es in der Praxis sehr schwierig, Kontaktwinkeldaten über 165° genau zu
messen.
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Die
Erfinder der vorliegenden Erfindung haben nun Verfahren zur Herstellung
hydrophober Filme entwickelt, die gegenüber Verfahren nach dem Stand
der Technik eine Verbesserung darstellen. Die vorliegende Erfindung
geht teilweise auf die Erkenntnis zurück, dass die Hydrophobie einer
Oberflächenbeschichtung
von zwei Faktoren bestimmt wird, wobei der erste Faktor die chemischen
Eigenschaften des Materials, woraus die hydrophobe Beschichtung
oder der Film besteht, darstellt und der zweite die physikalischen
Oberflächenbedingungen
sind.
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OFFENBARUNG
DER ERFINDUNG
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In
einem ersten Aspekt besteht die vorliegende Erfindung in einem Verfahren
zum Aufbringen eines hydrophoben Films auf eine Oberfläche, wobei
das Verfahren folgende Schritte umfasst:
- (a)
gegebenenfalls das Modifizieren von Teilchen, die auf die Oberfläche aufgebracht
werden sollen, um funktionelle Gruppen darauf zu bilden;
- (b) das Aufbringen von Teilchen mit funktionellen Gruppen auf
die zu beschichtende Oberfläche;
und
- (c) das Behandeln der aufgebrachten Teilchen, sodass die Teilchen
durch chemische Vernetzung der funktionellen Gruppen auf den Teilchen
aneinander und an die Oberfläche
gebunden werden, um so einen hydrophoben Film zu bilden, in dem
die funktionellen Gruppen vernetzt sind.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegende Erfindung umfasst das Verfahren vor Schritt (b) einen
Schritt, in dem die Teilchen mit funktionellen Gruppen darauf mit
einem Polymer, das nicht Silicon ist und welches gegenüber den
funktionellen Gruppen auf den Teilchen reaktiv ist, vermischt werden.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung sind die Teilchen Silicateilchen mit
einem Durchmesser von vorzugsweise 20 bis 100 nm. Silica ist kostengünstig und
als handelsübliches
Pulverprodukt, bekannt als Aerosil (Quarzstaub), leicht verfügbar, dessen
Pulverteilchen von geeigneter Größe sind.
Obwohl Silica und Teilchen auf Silicabasis bevorzugt werden, könnten auch
andere Materialien mit hydrophober Natur, die in ausreichend geringer
Teilchengröße hergestellt
werden können,
verwendet werden. Beispiele umfassen Oxide, wie z.B. Titandioxid.
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Der
optionale Modifizierungsschritt kann beliebige Möglichkeiten zur Bildung aktiver
funktioneller Gruppen umfassen, die es ermöglichen, dass die Teilchen
chemisch oder durch Vernetzung aneinander und an die zu beschichtende
Oberfläche
gebunden werden. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben herausgefunden,
dass bei Verwendung von Silicateilchen, Silylalkylmethacrylatgruppen,
wie z.B. Silylpropylmethacrylat- oder verwandte funktionelle Gruppen,
oder ein Gemisch aus solchen funktionellen Gruppen und passiven
Silylalkylgruppen besonders geeignet sind. Die funktionellen Methacrylatgruppen
dienen als Zentren zum chemischen Verbinden der Teilchen. Im Handel
sind auch Silicateilchen erhältlich,
die geeignete funktionelle Gruppen aufweisen, sodass Schritt (a)
optional sein kann.
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Chemische
Vernetzung der funktionellen Gruppen auf den Teilchen kann durch
Zugabe eines Copolymerisationsmonomers, wie z.B. Styrol, erzielt
werden, um funktionelle Methacrylatgruppen eines Teilchens mit funktionellen
Methacrylatgruppen auf einem anderen Teilchen zu verbinden.
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Alternativ
dazu ist chemische Vernetzung der Teilchen auch ohne Einsatz von
Monomeren möglich, wenn
der Kontakt zwischen Methacrylatgruppen verschiedener Teilchen zu
bevorzugen ist. Es versteht sich, dass dies von der Länge der
Alkylkette der funktionellen Gruppe abhängt.
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Beide
Arten der Vernetzung können
mithilfe von Ultraviolettstrahlung oder durch die Verwendung eines
radikalischen Initiators, wie z.B. Benzoylperoxid oder Diethoxyacetophenol,
photolytisch aktiviert werden.
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Vorzugsweise
werden die Teilchen (und das Polymer, falls verwendet) in einer
Aufschlämmung
auf die Oberfläche
aufgetragen. Dies kann unter Verwendung eines Lösungsmittels, vorzugsweise
eines organischen Lösungsmittels,
erfolgen. Hexan stellt ein für
Silicateilchen insbesondere geeignetes Lösungsmittel dar. Es versteht
sich jedoch, dass andere Lösungsmittel
ebenfalls geeignet wären.
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Die
Erfinder der vorliegenden Erfindung haben herausgefunden, dass das
Vernetzen der Teilchen bei Aufbringen auf eine Oberfläche dazu
führt,
dass die Teilchen auf die Oberfläche
gebunden werden, wodurch es zur Bildung eines hydrophoben Films
kommt.
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Zur
Erzielung einer beständigeren
Beschichtung, wird die Verwendung eines Polymers bevorzugt, das nicht
Silicon ist. Polyurethan stellt ein besonders geeignetes Polymer
dar, das nicht Silicon ist. Vorzugsweise wird das Polyurethan durch
Umsetzung von Di- oder Polyisocyanaten mit Polyolen gebildet. Isocyanate
können
unter geeigneten Bedingungen mit aktiven Wasserstoffatomen der Urethanbindungen
reagieren, um Biuret zu bilden.
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In
einem bevorzugten Verfahren wurde Methylenbis(phenylisocyanat) (MDI)
ausgewählt,
um mit Polydimethylsiloxan (PDMS) mit Hydroxylendgruppen oder 2,2,3,3,4,4,5,5-Octafluor-1,6-hexandiol
zu reagieren. Das resultierende Präpolymer wies einige freie Isocyanatgruppen
auf der Kette auf. Toluol oder Ethylacetat können als geeignete Lösungsmittel
verwendet werden. Das Präpolymer
wird mit Silicapulver vermischt, sodass die Isocyanatgruppen auf
dem Präpolymer
mit den Silanolgruppen auf der Pulveroberfläche reagieren können, damit
die Teilchen aneinander und an die zu beschichtende Oberfläche chemisch
gebunden werden können.
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Anhand
des erfindungsgemäßen Verfahrens
werden hydrophobe Filme hergestellt, die einen Kontaktwinkel mit
Wasser von zumindest –150°, vorzugsweise
zumindest 160°,
insbesondere etwa 165°,
aufweisen.
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In
einem zweiten Aspekt umfasst die vorliegende Erfindung einen Gegenstand,
dessen Oberfläche
zumindest zum Teil mit einem hydrophoben Film beschichtet ist, der
durch ein Verfahren gemäß dem ersten
oder zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung aufgebracht wurde.
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Die
zu behandelnden Oberflächen
können
Metalle, Legierungen, Glas, Papier, Keramik, Polymere, Verbundstoffe
und andere Materialien umfassen. Die Oberflächenbehandlung kann eingesetzt
werden, um Korrosion, Bildung von Kristallisierungsstellen in Wasserleitungen,
geschlossenen Wärmeaustauschern,
Rohrboilern, Kältekompressoren
und Kühlschränken zu
hemmen, die Wasser, Kochsalzlösungen,
anorganische Säuren,
Basen, andere Elektrolyte sowie andere korrodierende Fluids als
Kühlmittel
verwenden. Die Behandlung kann dazu dienen, Vereisungen auf Oberflächen zu
verhindern, nicht-festfressende hydrophobe Beschichtungen für oberirdisch
befestigte Einrichtungen, wie z.B. Gebäude und andere Strukturen,
herzustellen, um vereisungshemmende und korrosionshemmende Beschichtungen
für Flugzeuge
bereitzustellen oder um vereisungshemmende, bewuchshemmende und
korrosionshemmende Beschichtungen für Meeres- und Binnengewässer-Wasserfahrzeuge
bereitzustellen.
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Andere
Anwendungen umfassen die Verbesserung der Beständigkeit von Metalldächern gegenüber Bewuchs
mit Mikroflora; Bereitstellung von Wasserbeständigkeit, Wasserfestigkeit
und ökologischem
Schutz für
Dachschindel und Ziegel; Bereitstellung von ökologisch wertvoller Dachpappe
aus Ruberoid und Bitumen; Bereitstellung von Wasser- und feuchtigkeitsbeständigem Korkmaterial
aus Papier, Kistenpappen-Polyurethanschaum
und Hobelspänen.
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Die
Beschichtung kann zur Erweiterung der Langlebigkeit, Leistung und
Verlässlichkeit
von Instrumenten und Ausrüstung
eingesetzt werden.
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Andere
Anwendungen umfassen den Schutz körniger Baumaterialien, einschließlich Zement,
Alabaster und Kalk zur Langzeitlagerung, insbesondere in Regionen
mit hoher Feuchtigkeit; Verlängerung
der Lebensdauer von Eisenbeton, Betonstein, Ziegelstein, Betonaschenblock
und Holzstrukturen sowie Gebäuden, die
Witterung und Mikroorganismen ausgesetzt sind; Schutz von Fresken,
Gesimswerk, Gebäuden
von architektonischem Wert, Gipsstrukturen, Kuppeln von Kirchen
und Moscheen, Kunstwerken und Manuskripten vor Luftfeuchtigkeit
und Mikroorganismen.
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Weitere
andere beabsichtigte Anwendungen umfassen Reduktion des Fahrtwiderstands
von Fahrzeugen, wie z.B. Kanus, Yachten, Schiffen und anderen Wasserfahrzeugen;
Verbesserung der Leistung, Verlässlichkeit
und Korrosionsbeständigkeit
von Kühlsystemen
von Verbrennungsmotoren, die geschlossene Wärmeaustauscher mit flüssigen Kühlmitteln
verwenden; Bereitstellung korrosionshemmender und vereisungshemmender
Beschichtungen für
Fahrgestelle von Fahrzeugen, wie z.B. Traktoren und Mähdreschern,
und für Landwirtschaftsmaschinen
im Allgemeinen. Die Beschichtung kann Arbeitsaufwand reduzieren
und Produktqualität
für laminierte
Kunststoffprodukte verbessern, indem die mechanische Haftung zwischen
den Oberflächen
von Pressformen, Stempeln, Düsen
und Produktoberflächen
reduziert wird; die einheitliche Verteilung von dispergierten Füllstoffen,
wie z.B. Wolle, Kohlefasern, Glasfasern, Kunstfasern, sowohl in
Lösung
als auch in Suspension, unterstützen;
hydrophile Flüssigkeiten,
einschließlich
toxische Flüssigkeiten,
einschließen;
Materialien feuchtigkeitsfest machen; Trockenlöschmaterialien bereitstellen;
Oberflächen
zur Erleichterung des Rohrleitungstransports körniger Materialien, wie z.B.
Erz, Koks, Dünger
oder Kohle, bereitstellen.
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Der
erfindungsgemäße Film
kann auch dazu verwendet werden, Fundamente und Strukturen von Gebäuden und
Einrichtungen zur Lagerung von radioaktivem Abfall wasserfest zu
machen; die Lebensdauer von Wasserkühltürmen zu verlängern; Eisenbahnschwellen
vor Mikroflora zu schützen;
vereisungshemmende Beschichtungen für Kühlkammern, Kühlschränke und
Kühlkompressoren
bereitzustellen; die Lebensdauer von Wasserkraftwerksdämmen zu
verlängern;
die Effizienz von windbetriebenen Motoren zu verbessern; die Gebrauchseigenschaften
von Beton und Asphalt von Landstraßen; Autobahnen und Durchgangsstraßen zu verbessern;
die Lebensdauer von Kraftfahrzeugsreifen zu verlängern; Ionen von Schwermetallen
und Radionukleotiden zu adsorbieren; vor Verschleiß geschützte Schmiermittel
für Kugellager
und andere Verschleißteile bereitzustellen;
wasserabweisende Fußbekleidung
bereitzustellen; wasserfeste Elektromotoren und elektrische Isolatoren
bereitzustellen; und wasserfeste Druckanzüge, wie z.B. Tauchanzüge, bereitzustellen.
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Andere
Anwendungen umfassen die Konservierung von Papier, Büchern, Wertpapieren
und Dokumenten in Archiven und Lagerungseinrichtungen; Bereitstellung
hydrophober Schwarzpaste zur Verwendung in wasserfesten Tinten von
Kugelschreibern; Bereitstellung von hydrophobem Denim; Bereitstellung
hydrophober Zelte, von Bekleidung, Regenschirmen, Regenbekleidung
und Anzügen;
Bereitstellung hydrophober Trichterfilter zur Verwendung mit Benzin-
und Petroleumprodukten; Bereitstellung von hydrophobem Segelwerk; Bereitstellung
hydrophober Fischernetze; Bereitstellung wasserfester Pelzprodukte;
Verleihung von Wasserbeständigkeit
für Tapeten;
Konservierung von Werkzeugfarben; Bereitstellung von Hautschutz
vor Verbrennungen, Säuren,
Basen, anderen Elektrolyten, Raketentreibstoff, stark toxischen
Materialien und brennbaren Lösungen;
Bereitstellung von hydrophobem Schaum zum ökologischen Schutz der Atmosphäre sowie
Fauna und Flora gegen versehentlichen Austritt hochtoxischer Gifte
und Raketentreibstoffe; Schutz von Stromabnehmern für elektrische
Züge vor
Eis und Korrosion; Bereitstellung von Enteisungen für Flugstart- und -landebahnen; Konservieren
von Gemüse
und Obst unter Langzeitlagerung; Be reitstellung von Wasser-, feuchtigkeits-
und säurebeständiger Fußbekleidung;
Verleihung von Wasserfestigkeit für Leiterplatten; Bereitstellung
von wasserfesten Schmiermitteln zur Verbesserung der vertikalen
Gleitfähigkeit;
Lokalisieren der Verdampfung korrodierender Fluids in Notfällen; Verbesserung
der Langlebigkeit und Leistungszuverlässigkeit von Pumpen und Rohrleitungen,
die anorganische Säuren,
Basen und andere korrodierende Medien transportieren; Einschließung von
Säure,
Base, anderen Elektrolyten und anderen korrodierenden Lösungen sowie
Kohlenwasserstoffen zum Transportieren und Lagern; Bereitstellung
hydrophober agglomerationshemmender Mittel; Schutz von Instrumenten,
Ausrüstung
und Vorrichtungen mittels Schutzschmierstoffen; und Schutz von Funkverstärkern und
Radarantennen vor Korrosion und Vereisung. Zum besseren Verständnis der
vorliegenden Erfindung werden nachstehend bevorzugte Ausführungsformen
anhand nachstehender Beispiele und beigefügter Zeichnungen beschrieben.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 stellt
ein XPS-Spektrum einer Pulverbeschichtung dar;
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2 stellt
ein XPS-Spektrum eines Pulver/Polymer-Beschichtungsgemischs dar;
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3 stellt
ein SIMS-Spektrum einer mikrobiologischen Testprobe des Pulver/Polymer-Beschichtungsgemischs
vor dem Waschen dar; und
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4 stellt
ein SIMS-Spektrum einer mikrobiologischen Testprobe des Pulver/Polymer-Beschichtungsgemischs
nach dem Waschen dar.
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ARTEN DER
DURCHFÜHRUNG
DER ERFINDUNG
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In
einem bevorzugten Verfahren wird Silicapulver mit einem Trimethoxysilylalkylmethacrylat,
wie z.B. Trimethoxysilylpropylmethacrylat (oder einer verwandten
Verbindung), und anschließend
mit Trimethoxysilylalkan behandelt. Durch die Behandlung mit Trimethoxysilylpropylmethacrylat
werden Silylpropylmethacrylatgruppen an das Silica gebunden. Die
Behandlung mit Trimethoxysilylalkan führt zur Bindung passiver Silylalkangruppen
an das Silica, die die Hydrophobie der Silicateilchen erhöhen.
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Alternativ
dazu können
sowohl das Trimethoxysilylpropylmethacrylat als auch das Trimethoxysilylalkan
gleichzeitig verwendet werden, um die erforderlichen Gruppen an
das Silica zu binden.
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Die
modifizierten Silicateilchen werden anschließend in ein geeignetes Lösungsmittel
gelegt. Die Teilchen können
entsprechend in einer beispielsweise einer Hexanaufschlämmung dispergiert
werden. Die Aufschlämmung
kann gerührt
und bei 40 Hz beschallt werden, um die Dispersion der Teilchen in
der Aufschlämmung
zu verbessern. Dann wird eine geeignete Oberfläche mit der Aufschlämmung beschichtet
und die Aufschlämmung
so behandelt, dass die Teilchen vernetzen, um sich aneinander und
an die Oberfläche
selbst zu binden.
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Das
Vernetzen kann durch Zugabe eines Copolymerisationsmonomers, wie
z.B. Styrol, erzielt werden, um die funktionellen Methacrylatgruppen
von einem Teilchen mit funktionellen Methacrylatgruppen auf einem anderen
Teilchen zu verbinden.
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In
einer alternativen Ausführungsform
ist chemisches Vernetzen der Teilchen auch ohne Einsatz von Monomeren
möglich,
wenn der Kontakt zwischen Methacrylatgruppen verschiedener Teilchen
günstig
ist. Dies hängt
von der Länge
der Alkylkette in der Silylalkylmethacrylatgruppe ab.
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Das
Vernetzen kann entweder mithilfe von Ultraviolettstrahlung oder
durch die Verwendung eines radikalischen Initiators, wie z.B. Benzoylperoxid
oder Diethoxyacetophenol, photolytisch aktiviert werden.
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Das
Gleichgewicht zwischen dem Verhältnis
funktioneller Gruppen und passiver Gruppen auf den Silicateilchen
sollte so sein, dass das Binden der Teilchen und folglich die mechanische
Festigkeit der Beschichtung optimiert wird, während ausrei chend passive Gruppen
erhalten bleiben, um die Hydrophobie der Beschichtung zu optimieren.
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Die
Alkylkette, welche die Silylgruppen und die funktionellen Methacrylatgruppen
bindet, hat auch einen Einfluss auf die Eigenschaften der Beschichtungen
sowie darauf, ob ein Vernetzen ohne Verwendung von Monomeren möglich ist.
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UV-Absorber
können
verwendet werden, um das Härten
der Filme unter UV-Licht zu erleichtern, wenn es zu einer photolytisch
aktivierten Vernetzung kommt.
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Die
bevorzugte Länge
für die
chemische Bindung zwischen den einzelnen Teilchen beträgt etwa
3 Å.
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HERSTELLUNG
HYDROPHOBER FILME
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Zur
Verbesserung der Hydrophobie und Beständigkeit des Films wurden mehrere
Schritte durchgeführt.
Diese Schritte umfassen die Verwendung von Quarzstaub zur Erstellung
einer rauen Oberfläche,
um die Hydrophobie zu erhöhen,
und den Einsatz eines Polymers (Haftmittel), das nicht Silicon ist,
um die Beständigkeit
des Films zu verbessern.
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Verfahren I – Ausschließliche Pulverabscheidung
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Dieses
Verfahren umfasst eine Aufschlämmung
einer bekannten Konzentration von Silicapulver in Hexan mit einer
Konzentration von 2,0 bis 2,7 Gew.-% Pulver, das in ein Ultraschallbad
getaucht wurde, um Dispersion und Aggregatzerfall zu gewährleisten,
wonach die Aufschlämmung
auf ein rotierendes Substrat mit einer Rotationsgeschwindigkeit
von 500 bis 2.000 U/min aufgebracht wurde. Unterschiedliche Konzentrationen der
Aufschlämmung
und unterschiedliche Rotationsgeschwindigkeiten wurden untersucht,
um einen optimalen hydrophoben Film mit dem höchsten Kontaktwinkel zu erhalten.
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Mit
diesem Verfahren war es möglich,
einen Film zu erhalten, der einen Kontaktwinkel mit Wasser von etwa
165° aufweist.
Die Beständigkeit
des Films war jedoch nicht in allen Situationen optimal.
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Verfahren II – Abscheidung
eines Pulver/Polymer-Gemischs
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Zur
Verbesserung der Beständigkeit
des hydrophoben Films wurde Polyurethan eingeführt, um als Haftmittel zu dienen,
das die Silicapulverteilchen durch chemische Bindung zusätzlich aneinander
bindet.
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Polyurethane
sind Polymere, die durch Umsetzung von Di- oder Polyisocyanaten
mit Polyolen gebildet werden:
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Isocyanate
können
unter geeigneten Umständen
mit aktiven Wasserstoffatomen der Urethanbindungen reagieren, um
Biuret zu bilden.
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Das
Verfahren umfasste das Herstellen eines Präpolymers durch Umsetzung von
Polyol mit stöchiometrischem Überschuss
von Diisocyanaten, damit einige freie Isocyanatgruppen auf der Präpolymerkette
blieben. Das synthetisierte Präpolyurethan reagiert
sodann mit Silanolgruppen auf der hydrophoben Pulveroberfläche, um
Pulver und Polymer chemisch miteinander zu verbinden.
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Anhand
nachstehender Beispiele werden spezifischere Verfahren zum Aneinanderbinden
von Silicapulverteilchen mittels Polyurethan beschrieben. In einem
bevorzugten Verfahren wurden 125 g Methylenbis(phenylisocyanat)
(MDI) ausgewählt,
um mit 75 g Polydimethylsiloxan (PDMS) mit Hydroxylendgruppen (Viskosität 90 bis
150 cSt) oder 121 g 2,2,3,3,4,4,5,5-Octafluor-1,6-hexandiol in Gegenwart
von 1 bis 10 Gew.-% Diethanolamin als Katalysator zu reagieren.
Das resultierende Präpolymer
wies einige freie Isocyanatgruppen auf der Kette auf. Toluol oder
Ethylacetat wurden als geeignete Lösungsmittel mit einer Konzentration
von 20 bis 50 Gew.-% des Poly mers ausgewählt. Das Präpolymer wurde mit hydrophobem
Silicapulver (1:1 bis 1:2 Gew.-%) vermischt, sodass die Isocyanatgruppen
auf dem Präpolymer
mit den Silanolgruppen auf der Pulveroberfläche reagieren konnten, damit
die Teilchen aneinander und an die zu beschichtende Oberfläche chemisch
gebunden wurden.
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Die
für Verfahren
I und Verfahren II verwendeten Substrate waren Kautschuk-, Aluminium-
und Glasplatten.
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Mit
diesem Verfahren ist es möglich,
einen hydrophoben Film zu erhalten, der einen Kontaktwinkel mit Wasser
von 160° und
gute Beständigkeit
aufweist.
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Mikrobiologische
Tests
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Der
Test wurde in einem Behälter
mit frischem Meerwasser durchgeführt.
Die Substrate mit den hydrophoben Beschichtungen wurde in Meerwasser
getaucht, das mit Luft durchperlt und halbmonatlich mit einer Kulturlösung versetzt
wurde, um Nährstoffe
für die
enthaltenen Mikroorganismen bereitzustellen. Der Test fand über einen
Zeitraum von 3 Monaten statt. Nach Testende wurden die Substrate
aus dem Meerwasser entnommen und mit fließendem Wasser gewaschen. Wachstum
und Anhäufung
von Meeresmikroorganismen auf den Substraten wurden anhand der Bedeckung
mit den Meeresmikroorganismen und ihrer Haftung daran ermittelt.
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VERSUCHSERGEBNISSE
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Kontaktwinkelmessungen
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Kontaktwinkelmessungen
erfolgten aufgrund der Einfachheit und Genauigkeit des Verfahrens
mittels Verfahren des ruhenden Tropfens.
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Der
größte untersuchte
Kontaktwinkel für
die mittels Verfahren I hergestellten Beschichtungen betrug 165° und für die mittels
Verfahren II hergestellten Beschichtungen 160°.
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Beständigkeit
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Es
wurde herausgefunden, dass die Beständigkeit der Pulver/Polymer-Beschichtungsgemische
viel besser als die des Pulverfilms war, bei denen das Pulver physikalisch
verbunden wurde. Die Erkenntnisse wurden durch die Daten aus dem
mikrobiologischen Test nach 3 Monaten bestärkt, in dem die Filme in Meerwasser
getaucht wurden. Die Pulverfilme waren aufgrund der schwachen physikalischen
Bindung zwischen Pulver und Substrat teilweise zerstört. Während des
3-monatigen Tests löste
sich die Pulverbeschichtung teilweise vom Substrat und schwamm auf
der Meerwasseroberfläche
auf. Die Polyurethan/Pulver-Beschichtungen blieben hingegen intakt,
sogar nachdem auf der Filmoberfläche
wachsende Mikroorganismen mittels fließendem Wasser abgewaschen wurden.
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Beständigkeit
gegenüber
Anhaftung von Mikroorganismen
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Aufgrund
der verbesserten Filmbeständigkeit
kam es auch zu einer Verbesserung der Beschichtungen gegenüber mikrobiologischem
Wachstum. Im Gegensatz zu den Pulverbeschichtungen, bei denen Teile
der Substratfläche
während
des Tests der Umgebung ausgesetzt war, waren die Pulver/Polymer-Beschichtungen fest
an das Substrat gebunden, sodass das Substrat nach Ausgesetztsein
gegenüber
Meerwasser über
einen längeren
Zeitraum vollständig
mit der widerstandsfähigen
Substanz bedeckt war. Nach 3 Monaten ließen sich die anhaftenden Mikroorganismen
mittels fließenden
Wassers problemlos von den Pulver/Polyethylen-Beschichtungen entfernen.
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Instrumentenanalyse
von Oberflächenbeschichtungen
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Zur
Bestimmung der chemischen Zusammensetzung und von Oberflächenabbildern
der hydrophoben Beschichtungen wurden Oberflächenanalyseverfahren angewandt.
Die 1 und 2 zeigen XPS-Spektren von Pulverbeschichtungen
bzw. Pulver/Polymer-Beschichtungsgemischen. Die 3 und 4 zeigen SIMS-Spektren
der mikrobiologischen Testproben vor und nach dem Waschen mit fließendem Wasser.
Viele der Kohlenwasserstoff-Peaks im Spektrum vor dem Waschen gehören zu den
Mikroorganismen, wobei die Peaks nach dem Waschen verschwinden.
