DE102013004925B4 - Substrates with anti-fog coating, associated manufacturing process, components or bodies and use of an amphiphilic substance - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Herstellung eines wenigstens auf Teilen einer Oberfläche (4) beschichteten Substrats (1), wobei die Beschichtung (2) eine Polymerlackbeschichtung mit einer Antibeschlagwirkung ist, dadurch gekennzeichnet, dass für die Beschichtung (2) eine Zusammensetzung verwendet wird, welche a) die Grundkomponente(n) des Polymerlacks und b) ein Antibeschlagadditiv enthält, wobei das Antibeschlagadditiv wenigstens eine zur Mizellbildung in dem noch nicht gehärteten Lack befähigte amphiphile Substanz ist, die in einer Konzentration in der Zusammensetzung eingesetzt wird, bei der eine Mizellbildung in dem Lack erfolgt, wodurch die Beschichtung (2) aus dem gehärteten Lack Nanoporen (3, 3’) aufweist, die an der Oberfläche (5) der Beschichtung (2) mit mittleren Durchmessern von 10 bis 100 nm in Erscheinung treten, wobei der Polymerlack ein Polyurethanlack, ein Polyacrylatlack, ein Polycarbonatlack, oder ein isocyanatvernetzter Hydroxyacrylatlack ist.Method for producing a substrate (1) coated on at least parts of a surface (4), wherein the coating (2) is a polymer paint coating having an anti-fog effect, characterized in that a composition is used for the coating (2) which a) the Basic component (s) of the polymer varnish; and b) an anti-fogging additive, wherein the anti-fogging additive is at least one amphiphilic substance capable of forming micelles in the as yet uncured paint, which is used at a concentration in the composition which forms a micelle in the paint; whereby the coating (2) of the cured lacquer comprises nanopores (3, 3 ') which appear on the surface (5) of the coating (2) with mean diameters of 10 to 100 nm, the polymer lacquer comprising a polyurethane lacquer Polyacrylate varnish, a polycarbonate varnish, or an isocyanate crosslinked Hydroxyacrylatlack is.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines wenigstens auf Teilen seiner Oberfläche beschichteten Substrats, wobei die Beschichtung eine Polymerlackbeschichtung mit einer Antibeschlagwirkung ist, zugehörige Substrate mit einer wenigstens auf Teilen einer Substratoberfläche aufgebrachten Polymerlack-basierten Antibeschlagbeschichtung, Bauteile und Körper, die solche Substrate umfassen und die Verwendung einer amphiphilen Substanz in Polymerlacksystemen. The invention relates to a method for producing a substrate coated on at least parts of its surface, wherein the coating is a polymer paint coating with an anti-fog effect, associated substrates having a polymer paint-based anti-fog coating applied to at least parts of a substrate surface, components and bodies comprising such substrates and the use of an amphiphilic substance in polymer paint systems.
Es ist bekannt, die Oberflächeneigenschafen von Substraten mit Hilfe von Kunststoffbeschichtungen gezielt zu verändern. Diese Kunststoffbeschichtungen werden auch als Lacke oder Filme bezeichnet. Die im Folgenden auch als Polymerlacke bzw. einfach Lacke bezeichneten Beschichtungen sind häufig nach dem Auftrag gehärtete Beschichtungen, die u.a. Epoxide, Polyurethane, Polyacrylate, gemischte Systeme, wie isocyanatgehärtete Hydroxyacrylate, Polycarbonate u. dgl. enthalten können. Die Härtung erfolgt meist thermisch oder durch Strahlung. It is known to change the surface properties of substrates by means of plastic coatings targeted. These plastic coatings are also referred to as paints or films. The coatings also referred to below as polymer lacquers or simply lacquers are often, after application, hardened coatings, which i.a. Epoxies, polyurethanes, polyacrylates, mixed systems such as isocyanate-cured hydroxy acrylates, polycarbonates and the like; Like. Can contain. Curing is usually thermal or by radiation.
Die Polymerlacke werden als Schutzschichten oder zur Erzielung bestimmter Oberflächeneigenschaften des Substrats aufgebracht. Die Lacke sind dabei sehr häufig mit Additiven versehen, die Einfluss auf die Lackeigenschaften nehmen.The polymer coatings are applied as protective layers or to achieve certain surface properties of the substrate. The paints are very often provided with additives that influence the paint properties.
Wesentliche Anwendungsgebiete sind z.B. kratzfeste Beschichtungen auf relativ weichen Kunststoffen, wie Polymethylmethacrylat, UV-Schutz-beschichtungen und Antibeschlagbeschichtungen, beispielsweise für Instrumentenabdeckungen, Vitrinen, Fahrzeugscheiben und vieles mehr.Essential fields of application are e.g. Scratch-resistant coatings on relatively soft plastics, such as polymethyl methacrylate, UV protection coatings and anti-fog coatings, for example for instrument covers, cabinets, vehicle windows and much more.
Die
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Den vorgenannten Beschichtungssystemen ist gemeinsam, dass die Chemie der Basisbeschichtung die Oberflächeneigenschaften wesentlich bestimmt. Antibeschlagschichten sind sehr häufig an ihrer Oberfläche hydrophiliert. Sie zeichnen sich beispielsweise dadurch aus, dass sie kleine Wassermengen, z.B. aus einem frisch kondensierten Tropfen, schnell in sich aufnehmen und diese Wassermengen lateral abtransportieren können. Der einzelne Tropfen breitet sich schnell auf der Oberfläche aus. Das Beschlagen des Substrats durch Tröpfchenbildung wird dadurch vermieden.The abovementioned coating systems have in common that the chemistry of the base coating essentially determines the surface properties. Antifogging layers are very often hydrophilized on their surface. They are characterized, for example, by having small amounts of water, e.g. from a freshly condensed drop, can quickly absorb and transport these amounts of water laterally. The single drop spreads quickly on the surface. The fogging of the substrate by droplet formation is thereby avoided.
Die Fähigkeit zur Wasseraufnahme steht oft in einem gewissen Konflikt zu anderen Zielgrößen, d.h. zu erreichenden Oberflächeneigenschaften. Auch die Antibeschlagschichten sollen trotz dieser primär angestrebten Wirkung zusätzlich kratzfest sein, sollen gute Transparenz und gute Adhäsion auf verschiedenen Substraten aufweisen. Weiterhin wünscht man sich Dauerstabilität auch in Gegenwart von UV-Licht und Lösungsmitteln, Beständigkeit gegen Hitze, Kälte und Feuchtigkeit, Umweltverträglichkeit, einfache Verfahren zur Beschichtung und einen günstigen Preis.The ability to absorb water is often in conflict with other outcomes, i. to reach surface properties. The anti-fogging layers should also be scratch-resistant in spite of this primary desired effect, should have good transparency and good adhesion to various substrates. Furthermore, one longs for long-term stability even in the presence of UV light and solvents, resistance to heat, cold and moisture, environmental compatibility, simple processes for coating and a low price.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Polymerlack für eine Antibeschlagbeschichtung zur Verfügung zu stellen, der bei Verbesserung der Antibeschlagwirkung (Antifogwirkung) andere positive Eigenschaften des Lack-Grundsystems nicht verliert und insbesondere im Beschichtungsvolumen wenig Wasser aufnimmt, d.h. ein geringes Quellvermögen besitzt. The invention has for its object to provide a polymer paint for an anti-fog coating available that does not lose other positive properties of the paint base system in improving the anti-fog effect (Antifogwirkung) and in particular in the coating volume absorbs little water, ie has a low swelling capacity.
Die Aufgabe der Erfindung wird mit einem Verfahren nach Anspruch 1 und einem beschichteten Substrat nach Anspruch 8 gelöst sowie mit Bauteilen und Körpern nach Anspruch 12, die das beschichtete Substrat umfassen. Die neue Verwendung mizellbildender amphiphiler Substanzen als Antibeschlagadditiv ist in Anspruch 13 wiedergegeben. The object of the invention is achieved with a method according to
Um verschiedene Eigenschaften gleichzeitig in dem Beschichtungsmaterial verwirklichen zu können, nutzt die Erfindung die Erkenntnis, dass dies vorteilhaft mit einem „nanoheterogenen“ Material und einer nanoheterogenen Oberfläche erreicht werden kann. Es ist dadurch möglich, dass bestimmte Bereiche des Materials im mikroskopischen oder submikroskopischen Bereich für bestimmte Eigenschaften sorgen, während andere derartige Bereiche zusätzliche andere Eigenschaften bereitstellen. Dies soll nachfolgend näher erläutert werden, ohne dass die nachfolgenden theoretischen Überlegungen als bindend anzusehen wärenIn order to be able to realize various properties simultaneously in the coating material, the invention makes use of the knowledge that this can be achieved advantageously with a "nanoheterogenic" material and a nanoheterogeneous surface. It is thereby possible for certain areas of the material to provide certain properties at the microscopic or submicroscopic level, while other such areas provide additional other properties. This will be explained in more detail below without the following theoretical considerations being binding
Nach derzeitigen Erkenntnissen bewirkt die erfindungsgemäße Aggregation des Antibeschlagadditivs zu mizellenartigen Assoziaten, dass in der gehärteten Beschichtung einschließlich deren Oberfläche hydrophile Poren entstehen, die die Antibeschlagwirkung entfalten. Durch die Aggregation vor der Lackhärtung, die ein spontaner Vorgang bei genügend hoher Additivkonzentration ist, enthält der Polymerlack, dem das Antibeschlagadditiv nach der Erfindung zugesetzt wurde, nur wenig von diesem Additiv gelöst und wird dadurch in seinen sonstigen Eigenschaften, wie beispielsweise Kratzfestigkeit und Adhäsionsvermögen, praktisch nicht beeinträchtigt. Die Nanoheterogenität ermöglicht also, dass gleichzeitig Antifogeigenschaften mit ansonsten weniger kompatiblen anderen Eigenschaften kombiniert werden können.According to current knowledge, the aggregation of the anti-fogging additive according to the invention into micellar associates causes hydrophilic pores in the cured coating, including the surface thereof, to develop the anti-fog effect. As a result of the aggregation prior to paint curing, which is a spontaneous process with a sufficiently high additive concentration, the polymer paint to which the antifogging additive according to the invention has been added contains only a small amount of this additive and is characterized by its other properties, such as, for example, scratch resistance and adhesiveness. practically unaffected. Thus, nanoheterogeneity allows antifogging properties to be combined with otherwise less compatible other properties.
Die Zusammensetzung für die Beschichtung von Substraten mit einem Polymerlack enthält erfindungsgemäß wenigstens:
- a) die Grundkomponenten des Lacks, d.h. die für die Lackbildung bzw. die Beschichtungsmatrix erforderlichen Reaktionskomponenten,
- b) ein Antibeschlagadditiv in Form wenigstens einer zur Mizellbildung in den noch nicht gehärteten Grundkomponenten des Lacks befähigten amphiphilen Substanz, die bei dem Verfahren in einer Konzentration oberhalb der Mizellbildungskonzentration in der Zusammensetzung eingesetzt wird, um in dem Lack Mizellen auszubilden.
- a) the basic components of the lacquer, ie the reaction components required for the lacquer formation or the coating matrix,
- b) an anti-fogging additive in the form of at least one amphiphilic substance capable of micellization in the uncured base components of the lacquer used in the process in a concentration above the micelle concentration in the composition to form micelles in the lacquer.
Wird als Lack ein Dispersionslack gewählt, kommt bei a) Wasser hinzu, in dem die Lackkomponenten dispergiert bzw. emulgiert sind. If a dispersion varnish is chosen as varnish, water is added in a) in which the varnish components are dispersed or emulsified.
Vorzugsweise ist ein einzelnes Antibeschlagadditiv vorhanden, es können jedoch mehrere solcher Additive der erfindungsgemäßen Gruppe gemischt werden. Preferably, a single anti-fogging additive is present, however, several such additives of the group of the invention may be mixed.
Das Antibeschlagadditiv oder die Mischung im erfindungsgemäßen Sinne gleichwirkender Antibeschlagadditive aus amphiphilen Substanzen muss in einer Konzentration oberhalb der Mizellbildungskonzentration in der Zusammensetzung vorliegen, damit die Mizellen und damit in der gehärteten Beschichtung die Poren tatsächlich ausgebildet werden. Die Mizellbildungskonzentration wird entweder von Beginn an, d.h. bereits in der Ausgangs-Zusammensetzung überschritten oder wird während der Lackbildung vor Erstarren überschritten, beispielsweise bei Wasser- oder Lösungsmittelentzug während der Härtung.The antifogging additive or the mixture according to the invention of the same antifogging additives of amphiphilic substances must be present in a concentration above the micelle concentration in the composition so that the micelles and thus in the cured coating, the pores are actually formed. The micelle formation concentration is either from the beginning, i. already exceeded in the initial composition or is exceeded during the formation of varnish before solidification, for example in water or solvent removal during curing.
Die mit dem Verfahren erhaltene Beschichtung aus gehärtetem Lack weist erfindungsgemäß Nanoporen auf, die an der Oberfläche der Beschichtung mit mittleren Durchmessern von 10 bis 100 nm in Erscheinung treten. According to the invention, the hardened lacquer coating obtained by the process has nanopores which appear on the surface of the coating with mean diameters of 10 to 100 nm.
Die porenbildenden Aggregate der amphiphilen Substanzen nach der Erfindung werden hier als Mizellen bezeichnet, auch wenn es sich dabei um komplexer strukturierte Gebilde als bei einfachen Tensid-Mizellen in wässriger Lösung handeln kann. Ohne sich auf den Mechanismus der Porenbildung festzulegen, wird derzeit vermutet, dass die Mizellen oder Aggregate aus dem Antibeschlagadditiv in dem Sinne invers orientiert sind (inverse Mizellen), dass die hydrophilen Bezirke bzw. Domänen der amphiphilen mizellbildenden Substanz(en) im Wesentlichen zum Aggregatsinneren orientiert sind, während die hydrophoben Anteile oder Bezirke zum Lacksystem orientiert sind. Die Mizellen des Antibeschlagsadditivs können sphärisch oder stabförmig sein (säulenförmige Mizellen, kolumnare Mizellen). Amphiphile Substanzen, die in dem Lacksystem elongierte Mizellen bilden, sind für das Antibeschlagadditiv bevorzugt. Der an der Oberfläche der ausgehärteten Beschichtung erkennbare mittlere Durchmesser dieser Mizellen beträgt etwa 10 bis 100 nm, bevorzugt von 20 nm bis 60 nm. Dabei wird aus dem ggf. irregulären Querschnitt der Oberflächenpore ein Durchmesser gemittelt. Dies kann beispielsweise durch Ausmessen der mit dem Rasterelektronenmikroskop erkennbaren Poren geschehen. Die ermittelten Werte lagen dabei in den Beispielen zwischen minimal 10–20 nm und maximal 60–80 nm The pore-forming aggregates of the amphiphilic substances according to the invention are referred to herein as micelles, although they may be more complex structures than simple surfactant micelles in aqueous solution. Without wishing to be bound by the mechanism of pore formation, it is presently believed that the micelles or aggregates of the antifog additive are inversely oriented (inverse micelles) such that the hydrophilic domains of the amphiphilic micelle forming substance (s) are substantially internal to the aggregate are oriented, while the hydrophobic portions or districts are oriented to the paint system. The micelles of the antifogging additive may be spherical or rod-shaped (columnar micelles, columnar micelles). Amphiphilic substances that elongated in the paint system Forming micelles are preferred for the anti-fogging additive. The apparent on the surface of the cured coating average diameter of these micelles is about 10 to 100 nm, preferably from 20 nm to 60 nm. In this case, a diameter is averaged from the possibly irregular cross section of the surface pore. This can be done for example by measuring the detectable with the scanning electron microscope pores. In the examples, the values determined were between a minimum of 10-20 nm and a maximum of 60-80 nm
Als Antibeschlagadditive im Sinne der Erfindung werden vorzugsweise amphiphile Substanzen mit Molekulargewichten zwischen 200 g/mol und 3000 g/mol, vorzugsweise zwischen 200 g/mol und 2000 g/mol eingesetzt. Amphiphile Substanzen in diesem Molekulargewichtsbereich sind in der Lage, Mizellen passender Größe zu bilden, um in dem fertigen Lack die gewünschten Nanoporen einschließlich der diskreten Oberflächenporen zu erzeugen. Es ist besonders bevorzugt, wenn die relativen Gewichtsanteile der hydrophilen und der hydrophoben Bereiche je Molekül zwischen 30:70 und 70:30 liegen, da dies die Ausbildung elongierter Mizellen begünstigen kann. As antifogging additives in the context of the invention, amphiphilic substances having molecular weights between 200 g / mol and 3000 g / mol, preferably between 200 g / mol and 2000 g / mol, are preferably used. Amphiphilic substances in this molecular weight range are capable of forming micelles of appropriate size to produce the desired nanopores, including discrete surface pores, in the final lacquer. It is particularly preferred that the relative weight fractions of the hydrophilic and hydrophobic regions per molecule be between 30:70 and 70:30, as this may favor the formation of elongated micelles.
Als Antibeschlagadditive im Sinne der Erfindung sind vorzugsweise eine Substanz oder mehrere Substanzen ausgewählt aus der Gruppe: nichtionische Tenside mit Molekulargewichten ab 200 g/mol, insbesondere nichtionische Ethylenoxid-Tenside, und nichtionische Blockcopolymere oder Blockcooligomere, deren Blöcke vorzugsweise Ether- oder Alkoholeinheiten aufweisen, einsetzbar. As anti-fogging additives in the context of the invention are preferably one or more substances selected from the group: nonionic surfactants having molecular weights from 200 g / mol, in particular nonionic ethylene oxide surfactants, and nonionic block copolymers or block co-oligomers whose blocks preferably have ether or alcohol units used ,
Im Falle nichtionischer Blockcopolymere und Blockcooligomere sind solche bevorzugt, die wenigstens einen polaren Block aufweisen. Die polaren Blöcke können beispielsweise Ethylenoxid-Einheiten enthalten. In den Blockcopolymeren oder Blockcooligomeren können die Blöcke vorzugsweise aus Poly- oder Oligoether- oder aus Poly- oder Oligoalkoholblöcken bestehen. Als geeignet haben sich beispielsweise Polyoxyethylen-Blockcopolymere erwiesen, nämlich Blockcopolymere aus Ethylenoxid und Propylenoxid, kommerziell beispielsweise erhältlich unter dem Handelsnamen „Pluronic®“ von BASF, Deutschland. Vorzugsweise sind die mittleren Molekulargewichte (MW) dieser Substanzen größergleich 1000 g/mol und weiter vorzugsweise kleinergleich 3000 g/mol, insbesondere kleinergleich 2000 g/mol.In the case of nonionic block copolymers and block co-oligomers, those which have at least one polar block are preferred. The polar blocks may contain, for example, ethylene oxide units. In the block copolymers or block co-oligomers, the blocks may preferably consist of poly- or oligoether blocks or of poly- or oligo-alcohol blocks. As a suitable example polyoxyethylene block copolymers have been found, namely block copolymers of ethylene oxide and propylene oxide, for example commercially available under the trade name "Pluronic ®" from BASF, Germany. Preferably, the average molecular weights (MW) of these substances are greater than or equal to 1000 g / mol and more preferably less than or equal to 3000 g / mol, in particular less than or equal to 2000 g / mol.
Ebenfalls geeignet sind Ethoxylat-Tenside, vorzugsweise mit einem mittleren Molekulargewicht (MW) von ca. 200 g/mol bis ca. 3000 g/mol, vorzugsweise bis ca. 2000 g/mol. Hierzu zählen unter anderem Alkylethylenoxide, Alkoholethoxylate und Fettalkoholethoxylate, Alkylphenolethoxylate, Fettsäureethoxylate, Esterethoxylate und Fettsäureesterethoxylate. Weiterhin sind nichtionische Zuckertenside im vorstehend genannten Molekulargewichtsbereich einsetzbar. Geeignete Ethylenoxid-Tenside sind insbesondere solche, wie sie von der Firma Dow Chemicals unter dem Handelsnamen „TergitolTM“ erhältlich sind. Diese werden derzeit bevorzugt und wurden in den Beispielen erfolgreich eingesetzt.Also suitable are ethoxylate surfactants, preferably having an average molecular weight (MW) of about 200 g / mol to about 3000 g / mol, preferably up to about 2000 g / mol. These include, but are not limited to, alkylene oxides, alcohol ethoxylates and fatty alcohol ethoxylates, alkyl phenol ethoxylates, fatty acid ethoxylates, ester ethoxylates, and fatty acid ester ethoxylates. Furthermore, nonionic sugar surfactants can be used in the abovementioned molecular weight range. Suitable ethylene oxide surfactants are, in particular, those available from Dow Chemicals under the trade name "Tergitol ™ ". These are currently preferred and have been used successfully in the examples.
Allgemein sind jedoch alle amphiphilen Substanzen geeignet, die in dem gewünschten Basislacksystem Mizellen bilden, und zwar bevorzugt elongierte oder kollumnare Mizellen. An der Position der Mizellen bilden sich nach dem Aushärten Nanoporen mit Durchmessern bis zu 100 nm. Der Fachmann kann geeignete Antibeschlagadditive daher ohne Weiteres selbst auffinden. Generally, however, all amphiphilic substances that form micelles in the desired basecoat system are suitable, preferably elongated or collumnar micelles. After curing, nanopores with diameters of up to 100 nm are formed at the position of the micelles. The person skilled in the art can therefore easily find suitable anti-fogging additives on his own.
Förderlich für den Strukturbildungsprozess sind, wie oben angegeben, Molekulargewichte in einem Bereich zwischen etwa 200 und 2000 oder bis zu 3000 g/mol. Zu kleine Moleküle tendieren zur Instabilität. Bei zu großen Molekülen ist die Mizellbildung kinetisch inhibiert. Weiterhin ist für die Bildung von elongierten Mizellen ein in etwa gleicher Gewichtsanteil von hydrophilen zu hydrophoben Bereichen günstig. Stark asymmetrische Tenside neigen zur Ausbildung von kugelförmigen Mizellen. Es scheint jedoch, dass sich die Ausbildung elongierter, d.h. länglicher Mizellen auf die Vernetzung der Poren und den Abtransport von Wasser (Beschlag) mit Hilfe der neuen Beschichtung positiv auswirkt. As stated above, molecular weights in a range between about 200 and 2000 or up to 3000 g / mol are advantageous for the patterning process. Too small molecules tend to be unstable. If the molecules are too large, the micelle formation is kinetically inhibited. Furthermore, an approximately equal weight fraction of hydrophilic to hydrophobic regions is favorable for the formation of elongated micelles. Strongly asymmetric surfactants tend to form spherical micelles. However, it appears that the formation of elongated, i. elongated micelles on the networking of the pores and the removal of water (fogging) with the help of the new coating has a positive effect.
Es ist vorstellbar, aber nicht zwingend erforderlich, dass die amphiphilen Moleküle inverse Mizellen bilden, also Mizellen, bei denen die hydrophile Phase innen liegt. Zum Wassertransport befähigt sind grundsätzlich auch normale Mizellen. Die letztere Konfiguration würde erfordern, dass z.B. bei einem Polyurethanlack an der Wand der PU-Matrix, die eine gewisse innere Amphiphilie besitzt, hydrophile Gruppen exponiert sind. Der Wassertransport kann in diesem Fall in dem Bereich zwischen Mizelle und Wand erfolgen. It is conceivable, but not mandatory, for the amphiphilic molecules to form inverse micelles, that is, micelles in which the hydrophilic phase lies inside. In principle, normal micelles are also capable of transporting water. The latter configuration would require that e.g. in the case of a polyurethane varnish on the wall of the PU matrix, which has a certain internal amphiphilia, hydrophilic groups are exposed. The water transport can in this case take place in the area between the micelle and the wall.
Damit die Mizellbildungskonzentration sicher überschritten wird, ist vorzugsweise vorgesehen, dass das Antibeschlagadditiv in einer Konzentration von wenigstens 20 Gew.-%, weiter vorzugsweise wenigstens 30 Gew.-% und vorzugsweise bis zu 50 Gew.-% bezogen auf die Lackschichtmasse (die Summe aus dem Gewicht der organischen Lackbildungskomponenten und organischen Additive, ohne Berücksichtigung ggf. vorhandenen Wassers und ohne Berücksichtigung ggf. vorhandener anorganischer Nanopartikel, wie z.B. Silica-Nanopartikel) in der Zusammensetzung vorliegt. To ensure that the micelle formation concentration is safely exceeded, it is preferably provided that the antifog additive be present in a concentration of at least 20% by weight, more preferably at least 30% by weight and preferably up to 50% by weight, based on the coating layer mass (the sum of the weight of the organic coating-forming components and organic additives, without taking into account existing water and without consideration of any existing inorganic nanoparticles, such as silica nanoparticles) is present in the composition.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Beschichtung aus der beschriebenen Zusammensetzung auf dem Substrat ist durch folgende Schritte gekennzeichnet:
- a) Mischen der Zusammensetzung für die Beschichtung
- b) Aufbringen der Zusammensetzung auf eine zu beschichtende Oberfläche des Substrats durch eines der folgenden Beschichtungsverfahren, nämlich Fluten/Gießbeschichten, Spincoating (Rotationsbeschichtung, Aufschleudern), Sprühen, Rakeln oder Tauchen,
- c) Aushärten der aufgebrachten Beschichtung durch Strahlung oder Wärme,
- d) optional Waschen der Beschichtungsoberfläche.
- a) mixing the composition for the coating
- b) applying the composition to a surface of the substrate to be coated by one of the following coating methods, namely, flood / cast coating, spin coating (spin coating, spin coating), spraying, knife coating or dipping,
- c) curing the applied coating by radiation or heat,
- d) optionally washing the coating surface.
Die Aushärttemperaturen und damit zusammenhängend die Aushärtzeiten sind u.a. von dem beschichteten Substrat und dessen Temperaturbeständigkeit abhängig. Gegenüber den Bedingungen für die Basislacksysteme ergeben sich durch Zusatz des Antibeschlagadditivs keine wesentlichen Veränderungen. Bei manchen Ausführungsformen kann die Kratzfestigkeit herabgesetzt werden. Andererseits wird durch die Additivierung mit den anorganischen Nanopartikeln (z.B. Silica-Nanopartikeln) in der Regel Haftung und Langzeitstabilität verbessert sowie die Beschichtbarkeit auf mehreren unterschiedlichen Substraten erst ermöglicht – z.B. PMMA, PC und Glas – was mit dem Basissystem in der Regel nicht möglich ist. The curing temperatures and, associated therewith, the curing times are i.a. dependent on the coated substrate and its temperature resistance. Compared to the conditions for the basecoat systems, there are no significant changes due to the addition of the antifogging additive. In some embodiments, the scratch resistance can be reduced. On the other hand, the addition of the inorganic nanoparticles (e.g., silica nanoparticles) usually improves adhesion and long-term stability, as well as allowing coatability on several different substrates - e.g. PMMA, PC and glass - which is usually not possible with the basic system.
Die beschriebene Zusammensetzung für die Beschichtung wird auf das Substrat aufgetragen, um die Beschichtung zu bilden. Diese wird dann auf dem Substrat ruhen gelassen, getrocknet, warm gehärtet und/oder bestrahlt, was sich in erster Linie nach dem gewählten Basispolymerlack richtet.The described composition for the coating is applied to the substrate to form the coating. This is then allowed to rest on the substrate, dried, cured and / or irradiated, which primarily depends on the base polymer varnish chosen.
Das erfindungsgemäße Substrat mit Antibeschlagbeschichtung ist wenigstens auf Teilen einer seiner Oberflächen beschichtet. D.h., das Substrat kann insgesamt auf allen seiner Oberflächen beschichtet sein (Herstellung z.B. durch Tauchen), es kann auf einer Oberfläche vollständig beschichtet sein, z.B. auf der äußeren Oberfläche einer Scheibe (Herstellung beispielsweise durch Fluten oder Sprühen) oder es kann auf Teilen einer seiner Oberflächen beschichtet sein (Teilbeschichtung durch räumlich gezielten Auftrag oder nach Abdecken nicht zu beschichtender Bereiche). The antifog coating substrate of the present invention is coated on at least portions of one of its surfaces. That is, the substrate as a whole may be coated on all its surfaces (e.g., by dipping), it may be fully coated on a surface, e.g. on the outer surface of a disc (made for example by flooding or spraying) or it may be coated on parts of one of its surfaces (partial coating by spatially targeted application or after covering uncoated areas).
Die Beschichtung ist dadurch charakterisiert, dass sie in der Beschichtung, die eine Polymerlackbeschichtung mit Antibeschlagwirkung ist, Nanoporen aufweist, die an der Oberfläche der Beschichtung mit mittleren Durchmessern von 10 bis 100 nm, vorzugsweise von 20 bis 60 nm, in Erscheinung treten, wie dies oben im Zusammenhang mit dem Herstellungsverfahren schon erläutert wurde. The coating is characterized by having nano-pores in the coating which is an anti-fogging polymer paint coating which appear on the surface of the coating with mean diameters of 10 to 100 nm, preferably 20 to 60 nm, as is has already been explained above in connection with the manufacturing process.
Das beschichtete Substrat wird vorzugsweise mit dem beschriebenen Verfahren erhalten. The coated substrate is preferably obtained by the described method.
Das mittlere Molekulargewicht der mizellbildenden amphiphilen Substanz(en) sollte für Blockcopolymere, die vorzugsweise Ethylenoxid- und/oder Propylenoxidblöcke enthalten, wenigstens (≥) 1000 g/mol und für kohlenwasserstoffterminierte Oligoethylenoxide wenigstens (≥) 200 g/mol betragen, um genügend große Aggregate bzw. Mizellen und damit genügend große Poren im Bereich zwischen 10 und 100 nm zu bilden. Die Aggregatgröße ist von weiteren molekularen und strukturellen Parametern des Antibeschlagadditivs abhängig, kann jedoch anhand der Porenbildung erkannt und eingestellt werden. The average molecular weight of the micelle-forming amphiphilic substance (s) should be at least (≥) 1000 g / mol for block copolymers, preferably containing ethylene oxide and / or propylene oxide blocks, and at least (≥) 200 g / mol for hydrocarbon-terminated oligoethylene oxides, to produce sufficiently large aggregates or micelles and thus to form sufficiently large pores in the range between 10 and 100 nm. The aggregate size is dependent on other molecular and structural parameters of the anti-fogging additive, but can be detected and adjusted by pore formation.
Das für die Erfindung bevorzugte Lacksystem ist entweder ein Polyurethanlack, ein Polyacrylatlack, ein Polycarbonatlack oder ein komplexeres Lacksystem, wie beispielsweise ein isocyanatvernetzter Hydroxyacrylatlack. In bevorzugten Ausführungsformen dieser Erfindung liegen die Lacke in Form von wässrigen Dispersionssystemen vor (Dispersionslack, wasserbasiert).The coating system which is preferred for the invention is either a polyurethane varnish, a polyacrylate varnish, a polycarbonate varnish or a more complex varnish system, for example an isocyanate-crosslinked hydroxyacrylate varnish. In preferred embodiments of this invention, the paints are in the form of aqueous dispersion systems (dispersion paint, water-based).
Zum Beispiel sind wässrige Komponenten für ein 2-komponentiges Polyurethansystem (2K-PU) kommerziell erhältlich. In diesem Fall bildet eine Komponente das Bindemittel, welches durch gebundene Hydroxygruppen und eventuell vom Hersteller zugesetzten Tenside dispergierbar ist. Die andere Komponente ist der Vernetzer, vorzugsweise ein Polyisocyanat, dem vom Hersteller ebenfalls tensidische Stabilisatoren zugegeben worden sind. Bindemittel und Vernetzer sind in Wasser dispergierbar bzw. emulgierbar. Bei der Trocknung oder Härtung rücken die Reservoirs von Bindemittel und Vernetzer zusammen, während das Wasser sich verflüchtigt. In diesem Stadium wird die Anordnung der beschriebenen Mizellen erwartet. Im Weiteren verlaufen die Bindemittel- und Vernetzerbereiche ineinander und bilden so durch chemische Vernetzung die Polymermatrix. Bemerkenswert ist, dass diese bekannten Lacke, trotz Anwesenheit dispersionsstabilisierender Tenside, keine Poren bilden und von Hause aus keine Antibeschlagwirkung besitzen. Erst die Einbindung der erfindungsgemäß verwendeten amphiphilen Substanzen, nämlich u.a. höhermolekularer Tenside, oberhalb ihrer kritischen Mizellkonzentration, führt in dem Lack zu Poren, vorzugsweise elongierten Nanoporen, was eine ausgezeichnete Antibeschlagwirkung hervorruft. For example, aqueous components for a 2-component polyurethane system (2K-PU) are commercially available. In this case one component forms the binder, which is dispersible by bound hydroxy groups and any surfactants added by the manufacturer. The other component is the crosslinker, preferably a polyisocyanate, to which surfactant stabilizers have also been added by the manufacturer. Binders and crosslinkers are dispersible or emulsifiable in water. During drying or curing, the reservoirs of binder and crosslinker move together as the water volatilizes. At this stage, the arrangement of the described micelles is expected. Furthermore, the binder and crosslinker areas run into one another and thus form the polymer matrix by chemical crosslinking. It is noteworthy that these known coatings, despite the presence of dispersion-stabilizing surfactants, do not form pores and have no anti-fogging effect from home. Only the integration of the According to the invention used amphiphilic substances, namely, inter alia, higher molecular weight surfactants, above their critical micelle concentration, resulting in the paint to pores, preferably elongated nanopores, which causes an excellent anti-fog effect.
In Weiterbildung der Erfindung kann die Zusammensetzung zur Herstellung der Beschichtung als ein weiteres Additiv Siliziumdioxidpartikel enthalten, und zwar vorzugsweise hochdisperses Siliciumdioxid mit einer mittleren Partikelgröße bis ca. 50 nm. In wasserhaltigen Systemen kann das Siliciumdioxid-Additiv als Silicasol zugegeben werden. Besonders vorteilhaft ist ein stabilisiertes Silicasol, beispielsweise ein solches mit negativen Oberflächenladungen. In a development of the invention, the composition for producing the coating may comprise silicon dioxide particles as a further additive, preferably highly dispersed silicon dioxide having an average particle size of up to about 50 nm. In aqueous systems, the silica additive may be added as silica sol. Particularly advantageous is a stabilized silica sol, for example one with negative surface charges.
Bevorzugt sind hierbei an ihrer Oberfläche mit chemisch reaktiven Gruppen modifizierte Silika-Nanopartikel oder Silsesquioxane, deren Epoxy-, Hydroxy- oder Aminogruppen mit der Polymermatrix kompatibel sind oder mit dem Vernetzer der Matrix chemisch reagieren. Bevorzugt werden dazu Partikel von wahlweise 15 bis 40 nm verwendet, deren Oberfläche mit Epoxygruppen funktionalisiert sind – z.B. Bindzil C 301 oder Bindzil C 401 der Fa. AkzoNobel, siehe auch Beispielteil – oder es werden Silsesquioxane verwendet, deren bis zu acht formelmäßige Würfelecken mit 3-Aminopropylgruppen funktionalisiert sind. Preference is given here on its surface with chemically reactive groups modified silica nanoparticles or silsesquioxanes whose epoxy, hydroxy or amino groups are compatible with the polymer matrix or chemically react with the crosslinker of the matrix. Preferably, particles of optionally 15 to 40 nm are used, the surface of which is functionalized with epoxy groups - e.g. Bindzil C 301 or Bindzil C 401 from AkzoNobel, see also example part - or silsesquioxanes are used whose up to eight formulaic cube corners are functionalized with 3-aminopropyl groups.
Die Beschichtung des Substrats weist nach der Härtung oder Trocknung, d.h. im fertiggestellten Zustand, Poren auf, die durch das Antibeschlagadditiv in dem Lack gebildet wurden. Dabei ist davon auszugehen, dass die Aggregate oder Mizellen aus dem Antibeschlagadditiv nicht ausschließlich an der Oberfläche der Beschichtung vorliegen. Sie bilden jedoch dort unter dem Rasterelektronenmikroskop erkennbare Poren, hier auch als Oberflächenporen bezeichnet. Es ist gewünscht, dass es sich bei den Oberflächenporen um einzelne begrenzte Poren handelt; an der Oberfläche sind praktisch keine Kanäle sichtbar, was durch das Herstellungsverfahren bewirkt wird. Innerhalb der Beschichtung sind die Poren zumindest teilweise verbunden, was den Transport des Beschlagwassers bewirkt und die Antibeschlagwirkung durch lateralen Wassertransport sicherstellt. Die Oberflächenporen nach der Erfindung sind diskrete, einzelne Nanoporen.The coating of the substrate after curing or drying, i. in the finished state, pores formed by the antifog additive in the varnish. It can be assumed that the aggregates or micelles from the antifogging additive are not exclusively present on the surface of the coating. However, they form identifiable pores under the scanning electron microscope, also referred to herein as surface pores. It is desired that the surface pores are individual pores; virtually no channels are visible on the surface, which is caused by the manufacturing process. Within the coating, the pores are at least partially connected, which causes the transport of the condensation water and ensures the anti-fog effect by lateral water transport. The surface pores of the invention are discrete, single nanopores.
Die mittleren Durchmesser der Poren, wie oben definiert, betragen von 10 bis 100 nm, vorzugsweise von 20 nm bis 60 nm. Der mittlere Durchmesser ist dabei ein gemittelter Durchmesser der einzelnen Pore. In einer Lackbeschichtung können unterschiedlich große Poren nebeneinander vorliegen. Die einzelnen Porendurchmesser sollten dabei zwischen den genannten Grenzwerten liegen. Dabei ist es ausreichend, wenn wenigstens 90 % der Poren Durchmesser besitzen, die innerhalb der genannten Grenzen liegen. The mean diameter of the pores, as defined above, is from 10 to 100 nm, preferably from 20 nm to 60 nm. The average diameter is an average diameter of the individual pore. In a paint coating different sized pores can be present next to each other. The individual pore diameters should be between the stated limits. It is sufficient if at least 90% of the pores have diameters which are within the stated limits.
Die Adhäsionsfähigkeit des Grundlacks ist durch die Poren praktisch nicht beeinträchtigt, da diese nur vereinzelt und lokalisiert auftreten. The adhesion of the base coat is virtually unaffected by the pores, as these occur only isolated and localized.
Das Substrat, auf dessen Oberfläche die Beschichtung aufgebracht wird, kann aus Glas bestehen, insbesondere aus Floatglas, aber auch aus Kunststoff oder Keramik, wobei für Kunststoff Polymethylmethacrylat (PMMA) und Polycarbonat (PC) bevorzugt sind. The substrate, on the surface of which the coating is applied, may consist of glass, in particular of float glass, but also of plastic or ceramic, wherein for plastic polymethylmethacrylate (PMMA) and polycarbonate (PC) are preferred.
Gemäß einem zusätzlichen Aspekt umfasst die Erfindung auch Bauteile, die das erfindungsgemäße Substrat umfassen, z. B. antibeschlagbeschichtete Spiegel in Spiegelhalterungen, optische Elemente mit beschichteten Substraten und dergleichen. Das beschichtete Substrat kann auch ein eigenständiges Produkt bildet, z.B. beschichtete Spiegel als solche, beschichtete Glasformkörper, Fenster- oder Fahrzeugscheiben, Fahrzeugteile, Leuchtenkörper und so weiter. Ferner umfasst die Erfindung auch Produkte, die mit den erfindungsgemäßen beschichteten Substraten ausgerüstet sind. Hierzu gehören beispielsweise Geräte, die antibeschlagbeschichtete Abdeckgläser enthalten, optische Apparate mit beschichteten Linsen oder Prismen, Vitrinen, technische Instrumente und dergleichen mehr. According to an additional aspect, the invention also includes components comprising the substrate according to the invention, e.g. B. anti-fog coated mirrors in mirror mounts, optical elements with coated substrates and the like. The coated substrate may also form a self-contained product, e.g. coated mirrors as such, coated glass moldings, window or vehicle windows, vehicle parts, lamp bodies and so on. Furthermore, the invention also encompasses products which are equipped with the coated substrates according to the invention. These include, for example, devices containing anti-fog coated cover glasses, optical apparatus with coated lenses or prisms, showcases, technical instruments and the like.
Erfindungsgemäße Bauteile, Körper oder Produkte können beispielsweise sein: Brillengläser, Abdeckgläser, Linsen, Prismen, Leuchtenteile, Kraftfahrzeugteile, Teile von Kühlgeräten, Gehäuse, Messgeräte, insbesondere in der Luftfahrt, an Kraftfahrzeugen und im maritimen Bereich.Components, bodies or products according to the invention can be, for example: spectacle lenses, cover glasses, lenses, prisms, light parts, motor vehicle parts, parts of refrigerators, housings, measuring devices, in particular in aviation, in motor vehicles and in the maritime sector.
Allgemein umfasst die Erfindung, wie sie vorstehend beschrieben wurde, die Verwendung einer amphiphilen Substanz als durch mizellare Aggregation Nanoporen bildendes Antibeschlagadditiv in Polymerlacksystemen.Generally, the invention as described above includes the use of an amphiphilic substance as a micellar aggregation nanopore-forming antifog additive in polymeric paint systems.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Diese Beispiele und Tests sollen nur der Illustration und dem besseren Verständnis der Erfindung dienen. Der Fachmann kann anhand der vorstehenden Beschreibung weitere Ausführungsbeispiele auffinden. Die Erfindung ist nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt.In the following the invention will be explained in more detail by means of exemplary embodiments. These examples and tests are intended to be illustrative and to better understand the invention. The expert can find further embodiments with reference to the above description. The invention is not limited to the embodiments.
BEISPIELEEXAMPLES
Es wurden verschiedene Probekörper angefertigt und diese wurden Tests unterzogen. Hierfür wurden mehrere Beispielbeschichtungen jeweils auf verschiedene Substrate aufgetragen.Various specimens were made and these were subjected to tests. For this purpose, several example coatings were applied to different substrates.
Substratesubstrates
Es wurden jeweils scheibenförmige Substrate verwendet (Objektträgerform). Die Substrate bestanden aus
- – Glas, nämlich Floatglas
- – Polymethylmetacrylat (PMMA), hier Plexiglas®
- – Polycarbonat (PC), hier Macrolon®.
- - Glass, namely float glass
- - Polymethylmethacrylate (PMMA), here Plexiglas ®
- - Polycarbonate (PC), here Macrolon ® .
Sämtliche Substrate waren farblos transparent (glasklar).All substrates were colorless transparent (crystal clear).
Beschichtungencoatings
In den zum Beschichten verwendeten Beispiel-Zusammensetzungen sind die folgenden chemischen Komponenten enthalten:
- 1.) Basiskomponenten für 2-Komponenten-Hydrolack von Bayer Material-Science, Leverkusen, Deutschland, nämlich Bayhydrol A XP2695, eine wasserverdünnbare, OH-funktionelle Polyacrylatdispersion, ca. 41 %ig in Wasser/1-Butoxy-2-Propanol, neutralisiert mit Triethanolamin/Dimethylethanolamin (3:1), zu vermischen mit Härterkomponente Desmodur N3900, Bayer MaterialScience, einem Hexamethylen-1,6-Diisocyanat Homopolymer.
- 2.) Mizellbildende Polymere: Pluronic L64, BASF, Ludwigshafen, DE, ein difunktionelles Blockcopolymer, das mit primären Hydroxylgruppen terminiert ist, nicht-ionisches Surfactant, mittleres Molekulargewicht 2900. Tergitol 15S-9, The Dow Chemical Company, USA, ein Oligoethylenglykol mit Kohlenwasserstoff-Terminierung und einem Molekulargewicht von 230–258 g mol–1.
- 3.) Silicazusatz (optional,
Rezepturbeispiele 1 und 3) Bindzil CC401, AkzoNobel, Schweden, eine neutrale wässrige Dispersion eines kolloidalen Siliciumdioxids mit ca. 37 % Feststoffgehalt. Das Silicasol ist sterisch stabilisiert und mit Epoxygruppen funktionalisiert. Das Siliciumdioxid liegt in diskreten Partikeln vor, die mittlere Partikelgröße beträgt 12 nm. - 4.) Demineralisiertes Wasser
- 1.) Base components for 2-component hydro lacquer from Bayer Material Science, Leverkusen, Germany, namely Bayhydrol A XP2695, a water-dilutable, OH-functional polyacrylate dispersion, about 41% in water / 1-butoxy-2-propanol, neutralized with triethanolamine / dimethylethanolamine (3: 1), to be mixed with hardener component Desmodur N3900, Bayer MaterialScience, a hexamethylene-1,6-diisocyanate homopolymer.
- 2.) Micellar Polymers: Pluronic L64, BASF, Ludwigshafen, DE, a difunctional block copolymer terminated with primary hydroxyl groups, nonionic surfactant, average molecular weight 2900. Tergitol 15S-9, The Dow Chemical Company, USA, an oligoethylene glycol with Hydrocarbon termination and a molecular weight of 230-258 g mol -1 .
- 3.) Silica additive (optional, Formulation examples 1 and 3) Bindzil CC401, AkzoNobel, Sweden, a neutral aqueous dispersion of colloidal silica containing about 37% solids. The silica sol is sterically stabilized and functionalized with epoxy groups. The silica is present in discrete particles, the average particle size is 12 nm.
- 4.) Demineralized water
Herstellung der BeschichtungenProduction of the coatings
Die drei verschiedenen Substate wurden mit den Formulierungen der zwei Beispielrezepturen geflutet (gießbeschichtet) oder alternativ geschleudert (Spincoating) und im Ofen bei 60 °C für 17 Stunden gehärtet. Nach dem Auskühlen wurden verschiedene Tests an den sechs Probestücken durchgeführt.The three different substrates were flooded (cast coated) or alternatively spun (spin coated) with the formulations of the two example formulations and oven baked at 60 ° C for 17 hours. After cooling, various tests were performed on the six specimens.
Erscheinungsbild der Proben und UntersuchungsergebnisseAppearance of samples and test results
Die Proben hatten eine makroskopisch glatte Oberfläche. Das Additiv hat dem bloßen Augenschein nach keinen Einfluss auf die Qualität der Lackoberfläche.The samples had a macroscopically smooth surface. The additive does not appear to have any influence on the quality of the paint surface.
Die Beschichtungen hafteten auf allen drei gewählten Substraten. Dies ist mit herkömmlichen Antibeschlaglacken nicht zu erreichen, da diese substratspezifisch sind. The coatings adhered to all three substrates chosen. This can not be achieved with conventional anti-fog varnishes, since these are substrate-specific.
Die nachfolgende Tabelle zeigt die Testergebnisse für verschiedene unten näher angegebene Eigenschafts-Tests. Diese wurden jeweils an verschiedenen kommerziellen Lacken und zwei erfindungsgemäßen Lacken geprüft. Es wurde durch Fluten beschichtet. Beim Spincoating wurden entsprechende Ergebnisse erzielt, außer dass die Härte von der Beschichtungsdicke abhing Außerdem war die Transparenz durch das Beschichtungsverfahren beeinflusst (s.u.,
Vergleichslacke: Compare coatings:
-
- VisgardVisgard
- = Visgard 106-94, FSI, USA, verwendet für die Beschichtung von Polycarbonat; Lack auf PU-Basis, Auftrag: Spincoating;= Visgard 106-94, FSI, USA, used for coating polycarbonate; PU-based paint, order: spincoating;
- NOFNOF
- = NOF 9700, Marubeni, JP, für die Beschichtung von PMMA; Lack auf PU-Basis, Auftrag: Spincoating;= NOF 9700, Marubeni, JP, for the coating of PMMA; PU-based paint, order: spincoating;
- AFGAFG
-
= AFG 64 und AFPC 64, GXC Coatings, DE, für die Beschichtung von Glas bzw. PC; Sol-Gel-Lack mit Polyurethanalkoholen gemäß Pat.
DE 10 2005040046 DE 10 2005040046
Erfindungsgemäße Lacke:Paints according to the invention:
-
Beispielrezeptur 2, Auftrag: geflutet;
Example recipe 2, order: flooded; - Beispielrezeptur 4, Auftrag: geflutet.Example recipe 4, order: flooded.
TestsTesting
1. Kratzfestigkeit1. Scratch resistance
Die Kratzfestigkeit wurde über
- a.) die Bleistifthärte nach ISO15184 (Ergebnisse in Tab. 1) sowie
- b.) durch leichtes Reiben mit Stahlwolle der Stärke 000 bestimmt. Keines der geprüften Muster war bei Reiben mit Stahlwolle beständig.
- a.) the pencil hardness according to ISO15184 (results in Tab. 1) as well as
- b.) by light rubbing with steel wool of the strength 000. None of the samples tested was resistant to rubbing with steel wool.
2. Adhäsion2. Adhesion
Die Haftung zum Substrat wurde mit einem Gitterschnitttest wie folgt bestimmt. Nach einem Gitterschnitt wurde die verletzte Stelle mit der Lupe begutachtet und eingestuft (erster Wert des Wertepaares: 0 = einwandfrei, 5 = flächenmäßige Ablösung im Schnittbereich). Danach wurde ein Klebeband auf die Schnittstelle gepresst und anschließend abgezogen. Daraufhin wurde wiederholt mit der Lupe begutachtet und eingestuft (zweiter Wert des Wertepaares: 5 = einwandfrei, 0 = flächenmäßige Ablösung im Schnittbereich). Nach dem Gitterschnitttest wurden die Proben 7 Tage bei 60 °C und maximaler relativer Luftfeuchte gelagert (KKT, Klimakonstanttest). Ließ sich die Lackschicht danach nicht mit Druckluft entfernen und war das Ergebnis des Gitterschnitttests 0/5, galt die Substrathaftung als einwandfrei.The adhesion to the substrate was determined by a cross-cut test as follows. After a cross-hatch, the injured area was examined with the magnifying glass and classified (first value of the value pair: 0 = perfect, 5 = area-dependent detachment in the intersection area). Thereafter, an adhesive tape was pressed onto the interface and then peeled off. Thereupon it was repeatedly examined and classified with a magnifying glass (second value of the value pair: 5 = perfect, 0 = areal detachment in the cutting area). After the cross-cut test, the samples were stored for 7 days at 60 ° C. and maximum relative humidity (KKT, climate constant test). If the varnish layer did not subsequently dissipate with compressed air and if the result of the cross-cut test was 0/5, the substrate adhesion was considered to be perfect.
3. Beständigkeit und Auswirkung auf die Antibeschlageigenschaften (AF)3. Stability and Effect on Antifog Property (AF)
Zur Beständigkeit wurden Dauertests durchgeführt. Die frischen Probestücke (beschichtete Plättchen) wurden zunächst 1 h bei 4 °C gelagert (Kühlschrank) und unmittelbar danach behaucht. Bei intakten Antibeschlagschichten verschwindet der Nebel in Bruchteilen einer Sekunde. Alle Proben wiesen zu Beginn der Beständigkeitstests sehr gute Antibeschlageigenschaften auf. Danach wurden verschiedene Beständigkeitstests durchgeführt:
- a.) Klimakonstanttest, KKT: Hierfür wurden die zugehörigen Proben 7 Tage bei 60 °C und maximaler relativer Luftfeuchte gelagert (Proben, die vorher betauten oder deren Lackfilme sich ablösten wurden nach täglicher Kontrolle vorzeitig entfernt). Hatten sich nach 7 Tagen keine Kondensattröpfchen auf der beschichteten Oberfläche gebildet, galt die Antibeschlagschicht als intakt.
Hauchtest: Danach wurden die Proben wiederum 1 h bei 4 °C gelagert und unmittelbar danach behaucht. Die in
der Tabelle 1 wiedergegebenen Wertungen wurden wie folgt festgelegt: zu keiner Zeit wird ein Beschlag beobachtet – Wertung „sehr gut“, der Beschlag verschwindet binnen 2 Sekunden nach Anhauchen – Wertung „gut“, der Beschlag verschwindet in der Regel, jedoch nicht reproduzierbar binnen 2 Sekunden – Wertung „ausreichend“, der Beschlag verschwindet erst nachmehr als 2 Sekunden – Wertung „mangelhaft“, Versagen der AF-Eigenschaft; - b.) Klimawechseltest, KWT: Die zugehörigen Proben wurden im Wechsel 5 h bei –20 °C und 5 h bei +80 °C bei maximaler relativer Luftfeuchte gehalten,
Gesamtdauer 5 Tage. Danach folgte der oben beschriebene Hauchtest; - c.) Dauerwärmetest, DWT: Die zugehörigen Proben wurden bei PMMA-Substraten 7 Tage bei 80 °C und bei PC- und Glas-Substraten 7 Tage bei 120 °C gehalten. Danach folgte der oben beschriebene Hauchtest;
- d.) Leaching Die Tendenz zum Herauslösen von Antibeschlagadditiv, verbunden mit dem Verlust der Antibeschlagwirkung, wurde geprüft, indem die zugehörigen Proben 30 min in 50 °C warmes Ethanol getaucht wurden. Während dieser Zeit wurde für ausreichend Durchmischung gesorgt, indem mit einem Magnetrührstab gerührt wurde. Anschließend wurde der oben beschriebene Hauchtest durchgeführt.
- a.) Klimakonstanttest, KKT: For this purpose, the associated samples were stored for 7 days at 60 ° C and maximum relative humidity (samples that were previously dewed or their paint films peel off were removed prematurely after daily inspection). If no condensate droplets had formed on the coated surface after 7 days, the anti-fogging layer was considered to be intact. Breath test: Thereafter, the samples were again stored for 1 h at 4 ° C and immediately afterwards breathed. The scores given in Table 1 were determined as follows: at no time is a fitting observed - rating "very good", the fitting disappears within 2 seconds after breather - scoring "good", the fitting disappears, as a rule, but not reproducibly within 2 seconds - rating "sufficient", the fog disappears after more than 2 seconds - rating "deficient", failure of the AF property;
- b.) Climate change test, KWT: The associated samples were alternately kept for 5 h at -20 ° C and 5 h at +80 ° C at maximum relative humidity,
total duration 5 days. This was followed by the above-described breath test; - c.) Continuous heat test, DWT: The associated samples were kept at 80 ° C. for 7 days for PMMA substrates and at 120 ° C. for 7 days for PC and glass substrates. This was followed by the above-described breath test;
- d.) Leaching The tendency to leach out of anti-fogging additive, coupled with the loss of anti-fogging effect, was tested by immersing the associated samples in 50 ° C ethanol for 30 minutes. During this time, sufficient mixing was provided by stirring with a magnetic stir bar. Subsequently, the above-described breath test was performed.
4. Härte4. Hardness
Zusätzlich wurde die Pendelhärte nach König gemäß DIN 53 157 bestimmt. Die Pendelhärte beträgt je nach Schichtdicke mindestens 30. Bei dünnen Schichten, wie sie durch das Spincoating erzielt werden, wird die Härte des Substrats mit erfasst, was höhere (scheinbare) Pendelhärten zur Folge hat.In addition, the pendulum hardness was determined by König according to DIN 53 157. Depending on the layer thickness, the pendulum hardness is at least 30. For thin layers, such as those obtained by spin coating, the hardness of the substrate is also recorded, which results in higher (apparent) pendulum hardnesses.
Die Tabellendaten zeigen, dass die neuen Antibeschlaqbeschichtungen vor allem bei bei einem Gebrauch in feuchtem Klima und bei wechselnden sowie bei hohen Temperaturen große Vorteile bieten. Zudem wird die Transmission erhöht, bei immer noch guter Adhäsion und Kratzfestigkeit der erfindungsgemäßen Proben. Häufig konnte eine Verbesserung der Antireflexionseigenschaften beobachtet werden.The tabular data shows that the new anti-fog coatings offer great benefits, especially when used in humid climates, changing temperatures and high temperatures. In addition, the transmission is increased, while still good adhesion and scratch resistance of the samples according to the invention. Frequently, an improvement of the antireflection properties could be observed.
Das Erscheinungsbild der Proben und die Versuchsergebnisse werden mit Hilfe der nachfolgenden Figuren diskutiert. Es zeigen:The appearance of the samples and the experimental results will be discussed with the help of the following figures. Show it:
Weitere rasterelektronenmikroskopische Untersuchungen lassen folgenden Schluss zu:
- 1. Proben (ohne Silicapartikel), die das Antibeschlagadditiv in einer Konzentration unterhalb der kritischen Mizellkonzentration enthielten, waren porenfrei mit glatter Oberfläche, das Material besaß jedoch eine nicht ausreichende Antibeschlagaktivität.
- 2. Ab einem größeren Gewichtsanteil des Antibeschlagadditivs, der oberhalb der kritischen Mizellkonzentration lag, werden einzelne Poren sichtbar und die Antibeschlagqualität der Beschichtung verbessert sich. Mit größer werdendem Gewichtsanteil des Antibeschlagsadditivs werden Poren erkennbar, die die Oberfläche durchstoßen, der Porendurchmesser liegt, sobald Oberflächenporen auftreten, bei den gemessenen Beispielen bei etwa 20 nm. Dies kann in Abhängigkeit von dem gewählten Additiv variieren.
- 3. Bei Proben, die zusätzlich Silica-Nanopartikel enthielten, erkennt man im Rasterelektronenmikroskop diese Partikel als zusätzliche kleine Erhebungen an der Oberfläche. Die Partikel führen zu einer Verbesserung mechanischer Eigenschaften wie Härte und Kratzfestigkeit und verbessern die Haftung des Lacks auf verschiedenen Substraten.
- 4. Auch bei Proben, die nachträglich gewaschen wurden, erkennt man die Oberflächenporen deutlich. Die Antibeschlag-Eigenschaft erweist sich demnach auch über längeren Gebrauch als stabil.
- 1. Samples (without silica particles) containing the antifogging additive at a concentration below the critical micelle concentration were non-porous with a smooth surface, but the material did not have adequate antifogging activity.
- 2. From a greater weight fraction of the anti-fogging additive, which was above the critical micelle concentration, individual pores are visible and the anti-fogging quality of the coating improves. As the level of anti-fogging additive increases in weight, pores are seen to puncture the surface, the pore diameter, once surface pores are encountered, is about 20 nm in the measured examples. This may vary depending on the additive selected.
- 3. For samples containing silica nanoparticles, these particles are detected in the scanning electron microscope as additional small elevations on the surface. The particles improve mechanical properties such as hardness and scratch resistance and improve the adhesion of the paint to various substrates.
- 4. Even with samples that have been washed afterwards, one recognizes the surface pores clearly. The anti-fogging property proves to be stable even after prolonged use.
Die Kontaktwinkelmessung erfolgte 1 Sekunde nach Aufbringen eines Tropfens optisch, d.h., durch die Winkelmessung am Tropfen nach mikroskopischer Bildaufnahme.The contact angle measurement was made 1 second after applying a drop optically, that is, by the angle measurement on the drop after microscopic image pickup.
- – obere Kurve: konventionelle Beschichtung (AGF von GXC Coatings, DE),
- – im mittleren Wellenlängenbereich mittlere Kurve: erfindungsgemäße Beschichtung mit Tergitol als Antibeschlagadditiv (Beispielrezeptur 3)
- – im mittleren Bereich untere Kurve: erfindungsgemäße Beschichtung mit Pluronic als Antibeschlagadditiv (Beispielrezeptur 1)
- Upper curve: conventional coating (AGF from GXC Coatings, DE),
- Middle curve in the middle wavelength range: coating according to the invention with Tergitol as antifogging additive (example formulation 3)
- Middle curve lower curve: coating according to the invention with Pluronic as anti-fogging additive (example formulation 1)
- – untere Kurve: konventionelle Beschichtung (AFG, s.o.)
- – obere Kurven: erfindungsgemäße Beschichtungen mit Tergitol (Rzp. 3) und Pluronics (Rzp. 1).
- Lower curve: conventional coating (AFG, see above)
- Upper curves: coatings according to the invention with Tergitol (Rzp. 3) and Pluronics (Rzp. 1).
- – untere Kurve: konventionelle Beschichtung (AFG, s.o.)
- – mittlere Kurve: erfindungsgemäße Beschichtung mit Pluronics (Rzp. 1)
- – obere Kurve, erfindungsgemäße Beschichtung mit Tergitol (Rzp. 3).
- Lower curve: conventional coating (AFG, see above)
- Middle curve: coating according to the invention with Pluronics (Rzp. 1)
- Upper curve, coating according to the invention with Tergitol (Rzp. 3).
Es ist ersichtlich, dass das Beschichtungsverfahren auf die Transmissionseigenschaften des beschichteten Substrats Einfluss nimmt. Dies ist bei der Auswahl des optimalen Verfahrens für das jeweilige Substrat und den Anwendungszweck zu berücksichtigen. It can be seen that the coating process influences the transmission properties of the coated substrate. This must be taken into account when choosing the optimal process for the particular substrate and the application.
Die Versuche haben gezeigt, dass man eine Materialverbesserung im Hinblick auf ein simultanes Erzielen von Antifog-Aktivität einerseits und guter Adhäsion auf verschiedenen Substraten sowie Transparenz andererseits erzielen kann, wenn die Beschichtung mit Nanoporen ausgestattet wird, wie durch die Erfindung gezeigt. The experiments have shown that it is possible to achieve a material improvement in terms of simultaneous achievement of antifogging activity on the one hand and good adhesion to various substrates as well as transparency on the other when the coating is provided with nanopores as shown by the invention.
Überraschend ist die Erhöhung der Transmission für die meisten Beschichtungsfälle. Dabei handelt es sich vermutlich um eine Antireflex-Eigenschaft, die auf die Nanoporen zurückzuführen ist. Surprising is the increase in transmission for most coating cases. It is believed to be an antireflective property due to nanopores.
Die Adhäsion wird hauptsächlich durch die Lackmatrix bestimmt, jedoch durch das Additiv praktisch nicht beeinträchtigt. Durch die Aggregation bei Mizellbildung löst sich das Antibeschlagadditiv kaum in der Lackmatrix und verändert diese dementsprechend auch nicht. Für die Lackbasis konnte festgestellt werden, dass Polyurethanlacke bzw. isocyanatvernetzte Acrylatlacke von ihren Haftungseigenschaften her sehr vorteilhaft sind. Sie weisen auch eine gute Festigkeit auf, wie durch Wischtests bewiesen werden konnte.Adhesion is mainly determined by the paint matrix but is not substantially affected by the additive. Due to the aggregation in the case of micelle formation, the anti-fogging additive barely dissolves in the paint matrix and accordingly does not change it. For the paint base, it was found that polyurethane paints or isocyanate-crosslinked acrylate paints are very advantageous in terms of their adhesion properties. They also have good strength as evidenced by wipe tests.
Die UV-Beständigkeit wird durch den Grundlack bestimmt und durch Poren selbstverständlich kaum beeinträchtigt. Ebenso verhält es sich mit der Lösungsmittelbeständigkeit und der Resistenz gegen Hitze und Kälte. The UV resistance is determined by the base coat and of course hardly affected by pores. The same applies to solvent resistance and resistance to heat and cold.
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