DE69430324T2 - Optisch klare hydrophobe beschichtungszusammensetzung - Google Patents
Optisch klare hydrophobe beschichtungszusammensetzungInfo
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Description
- Die Erfindung betrifft die Bildung eines optischen klaren Überzugs, der der Verminderung der Oberflächenenergie eines Substrats zu den Zwecken eines beschleunigten Flüssigkeitsablaufs, einer verbesserten Witterungsbeständigkeit des Substrats, der Wärme- und der chemischen Beständigkeit des Substrats dient.
- Schutzüberzüge werden zum Schutz einer Vielzahl von Subtraten vor vorzeitigem Verschleiß und Zerstörung durch bestimmte Umwelteinflüsse, denen das Substrat ausgesetzt ist, benötigt. Typische Substrate, für die ein solcher Schutz erwünscht ist, können Baustoffe, wie Mauersteine, Holz und Stahl, einschließen. Das Aufbringen eines Schutzüberzugs auf diese Materialien bildet eine Barriere zwischen der Oberfläche des Substrats und der Umgebung zum Schutze des darunter liegenden Materials vor einem Verschleiß, der, bei ausbleibender Überprüfung, schließlich nicht nur zu einer ästhetischen Beeinträchtigung, sondern auch zum mechanischen Versagen des Substrates führen könnte.
- Überzüge, die zum Schutze solcher Baustoffe verwendet werden, sind aus der Technik bekannt und nehmen typischerweise die Form einer wasserabstoßenden Zusammensetzung ein, die in flüssiger Form auf die Oberfläche des Substrats aufgebracht und dann aushärten gelassen wird. Solche wasserabstoßenden Überzüge umfassen bekanntlich Siloxanverbindungen, die beim Aufbringen auf die Substratoberfläche durch Verdampfen unter Bildung einer starken Polymerbarriere Polykondensationsreaktionen erfahren. Diese Überzüge werden typischerweise auf die Oberfläche des Substrats in relativ dicken Filmen unter Bildung einer nennenswerten physikalischen Barriere zwischen Umwelt und Substratoberfläche aufgebracht. Diese Überzüge können ferner je nach erforderlicher Bewahrung der darunter liegenden ästhetischen Merkmale des Substrats auch gefärbt oder farblos sein. Wenn beispielsweise ein Schutzüberzug zum Schutze einer Substratoberfläche, wie Holz, das für Gartenmöbel oder für Plattformen und dergleichen eingesetzt wird, ist es erwünscht, daß der Überzug zur Bewahrung der ästhetischen Merkmale der Holzoberfläche klar ist.
- Schutzüberzüge werden auch zum Schutze von Substraten benötigt, die anders sind als die typischen oben erwähnten Baustoffe. Beispielsweise können Schutzüberzüge zum Schutz der Oberfläche von Gegenständen, die aus Kunststoff oder Glas hergestellt sind, vor den schädigenden Auswirkungen von Witterung, Wärme und Chemikalien erwünscht sein. Abhängig von dem bestimmten Gegenstand und/oder der bestimmten Funktion des Gegenstands, der aus solchen Materialien hergestellt ist, sind die bekannten, zur Verwendung mit den oben erwähnten Baustoffen ausgelegten Schutzüberzüge zur Bereitstellung des gewünschten Schutzes für die Oberfläche solcher Materialien möglicherweise nicht gut geeignet. Aus Kunststoff- oder Glasmaterialien hergestellte Gegenstände sind typischerweise entweder aufgrund eines bestimmten ästhetischen oder funktionellen Zwecks aus solchen Materialien hergestellt. Beispielsweise werden Glas- und Kunststoffmaterialien, wie Plexiglas und dergleichen, üblicherweise zur Herstellung von Fenstern für Einfamilienhäuser, Gebäude, Kraftfahrzeuge oder Flugzeuge und dergleichen verwendet. Das gewünschte Merkmal eines Fensters ist die Fähigkeit, durch es hindurch einen Gegenstand auf der anderen Seite zu betrachten. Fenster werden typischerweise zur Trennung einer Innenumgebung von einer Außenumgebung unter Bewahrung der Fähigkeit, eine Umgebung von der anderen Umgebung aus zu betrachten, angebracht. Demgemäß ist mindestens eine Fensterfläche den gleichen Elementen ausgesetzt, die in anderen Baustoffe bekanntlich Witterungsschäden und einen Verschleiß hervorrufen.
- Glas ist von Natur aus witterungs-, chemikalien- und wärmebeständig, und darum ist ein Schutzüberzug zur Verstärkung einer solchen Beständigkeit nicht erwünscht. Allerdings zeigen Kunststoffmaterialien nicht den gleichen Grad an Witterungs-, Chemikalien- und Wärmebeständigkeit wie Glas und können darum eine Behandlung mit einem Schutzüberzug zum Schutze der Oberfläche des Kunststoffs vor Verschleiß erfordern. Ein bekannter Faktor, der die Brauchbarkeit von Fenstern, die entweder aus klarem Kunststoff oder Glas hergestellt sind, beeinträchtigt, ist die Wasseransammlung auf der Oberfläche des Fensters. Die Wasseransammlung auf der Oberfläche eines Fensters aufgrund von Regen oder durch Kontakt mit einem Wasserkörper macht das Betrachten von Gegenständen durch das Glas schwierig, typischerweise unter Verzerrung des Gegenstandes auf der anderen Seite.
- Demnach wird ein Schutzüberzug sowohl zum Schutz der Oberfläche klarer Kunststoffmaterialien sowohl vor den schädigenden Auswirkungen von Witterung, Chemikalien und Wärme als auch zur Minimierung der Fähigkeit von Substratoberflächen zur Wasseransammlung benötigt. Es ist erwünscht, daß der Schutzüberzug optisch klar ist, so daß er weder die Funktion der Substratoberfläche beeinträchtigt, noch die ästhetischen Merkmale der darunterliegenden Substratoberfläche schmälert. Es ist erwünscht, daß der Schutzüberzug zum Schutz einer Vielzahl von Substraten, wie Glas und klarer Kunststoff, geeignet ist, wobei die optische Klarheit für die Zwecke des Hindurchschauens durch die Substratoberfläche oder des Aufrechterhaltens der darunter liegenden ästhetischen Merkmale der Substratoberfläche erforderlich ist.
- Es ist auch erwünscht, daß der Schutzüberzug die Eigenschaften der optischen Klarheit und Hydrophobie beim Eintauchen in Wasser beizubehalten vermag. Es ist erwünscht, daß der Schutzüberzug leicht ohne spezielle Ausrüstung oder Verfahren aufzubringen ist.
- Erfindungsgemäß wird eine optisch klare Überzugszusammensetzung mit hydrophoben Eigenschaften bereitgestellt, erhältlich durch Kombinieren von
- (a) einem fluorierten Polysiloxan in einer Menge im Bereich von 0,2 bis 1 Gew.-% der Gesamtzusammensetzung, wobei das fluorierte Polysiloxan die Formel
- aufweist, wobei R4 aus der Gruppe ausgewählt ist, die Hydroxygruppen oder hydrolysierbare Nebengruppen, einschließlich Alkyl-, Aryl- oder Alkoxygruppen, umfaßt, und wobei jede R4-Gruppe entweder wie die anderen R4-Gruppen oder von ihnen verschieden sein kann, und wobei die Alkyl-, Aryl- oder Alkoxygruppen im Bereich von 1 bis 4 Kohlenstoffatome umfassen und wobei R5 eine Alkangruppe im Bereich von 2 bis 4 Kohlenstoffatomen umfaßt;
- (b) einem Polysiloxan in einer Menge im Bereich von 10 bis 60 Gew.-% der Gesamtzusammensetzung, wobei das Polysiloxan die Formel
- aufweist, wobei R6 ein Alkan im Bereich von 1 bis 3 Kohlenstoffatomen umfaßt, und wobei jede R6- Gruppe entweder die gleiche oder verschiedene sein kann, und wobei n&sub1; im Bereich von 1 bis 5 liegt;
- (c) einem Polyester modifizierten Polysiloxan in einer Menge im Bereich von 0,05 bis 2 Gew.-% der Gesamtzusammensetzung, wobei das Polyester modifizierte Polysiloxan die Formel
- aufweist, wobei R7 aus der Gruppe ausgewählt ist, bestehend aus einer Alkyl-, Aryl- oder Alkoxygruppe im Bereich von etwa 1 bis 6 Kohlenstoffatomen, wobei R8 eine Alkylgruppe im Bereich von 1 bis 3 Kohlenstoffatomen umfaßt, wobei n&sub2; im Bereich von 1 bis 5 liegt und wobei X eine Polyestergruppe mit der Formel
- umfaßt, wobei R9 eine Hydroxygruppe oder eine Alkoxygruppe umfaßt, wobei die Alkoxygruppe im Bereich von 1 bis 5 Kohlenstoffatomen aufweist, wobei n&sub3; im Bereich von 1 bis 2 liegt;
- 5 bis 25 Gew.-% der Gesamtzusammensetzung eine Säure;
- Wasser in einer Menge von mindestens 0,1 Gew.-% der Gesamtzusammensetzung zur Beschleunigung der Kondensation der Polysiloxan-Bestandteile, und Alkohol zur erleichterten Auftragung der Zusammensetzung.
- Die Erfindung stellt auch ein Verfahren zum Bilden einer optisch klaren hydrophoben Überzugszusammensetzung bereit, umfassend die Schritte des Kombinierens von:
- (a) einem fluorierten Polysiloxan in einer Menge im Bereich von 0,2 bis 1 Gew.-% der Gesamtzusammensetzung, wobei das fluorierte Polysiloxan die Formel
- aufweist, wobei R4 aus der Gruppe ausgewählt ist, die Hydroxygruppen oder hydrolysierbare Nebengruppen, einschließlich Alkyl-, Aryl- oder Alkoxygruppen, einschließt, und wobei jede R4-Gruppe entweder wie die anderen R4-Gruppen oder von ihnen verschieden sein kann, und wobei die Alkyl-, Aryl- oder Alkoxygruppe im Bereich von 1 bis 4 Kohlenstoffatomen umfaßt, und wobei R5 eine Alkangruppe im Bereich von 2 bis 4 Kohlenstoffatomen umfaßt;
- (b) einem Polysiloxan in einer Menge im Bereich von 10 bis 60 Gew.-% der Gesamtzusammensetzung, wobei das Polysiloxan die Formel
- aufweist, wobei R6 ein Alkan im Bereich von 1 bis 3 Kohlenstoffatomen umfaßt, und wobei jede R6- Gruppe die gleiche oder verschiedene sein kann, und wobei n&sub1; im Bereich von 1 bis 5 liegt, und
- (c) einem Polyester modifizierten Polysiloxan in einer Menge im Bereich von 0,05 bis 0,2 Gew.-% der Gesamtzusammensetzung, wobei das Polyester-modifiierte Polysiloxan die Formel
- aufweist, wobei R7 aus der Gruppe ausgewählt ist, bestehend aus einer Alkyl-, Aryl- oder Alkoxygruppe im Bereich von etwa 1 bis 6 Kohlenstoffatomen, wobei R8 eine Alkylgruppe im Bereich von 1 bis 3 Kohlenstoffatomen umfaßt, wobei n&sub2; im Bereich von 1 bis 5 liegt, und wobei X eine Polyestergruppe der Formel
- umfaßt, wobei R9 eine Hydroxygruppe oder eine Alkoxygruppe umfaßt, wobei die Alkoxygruppe im Bereich von etwa 1 bis 5 Kohlenstoffatome aufweist, wobei n&sub3; im Bereich von 1 bis 2 liegt; zusammen mit:
- (d) 5 bis 25 Gew.-% der Gesamtzusammensetzung einer Säure;
- (e) Wasser in einer Menge von mindestens 0,1 Gew.-% der Gesamtzusammensetzung zur Beschleunigung der Kondensation der Polysiloxan-Bestandteile, und
- (f) Alkohol zur erleichterten Auftragung der Zusammensetzung.
- Die Erfindung stellt einen solchen Schutzüberzug bereit, der sowohl optisch klar als auch hydrophob ist. Der optisch klare hydrophobe Überzug wird durch Kombinieren eines fluorierten Polysiloxans, eines Polysiloxans, eines Polyester modifizierten Polysiloxans, einer Säure und eines Alkohols in Gegenwart von Wasser hergestellt.
- Das fluorierte Polysiloxan weist die Formel
- auf, wobei R4 aus der Gruppe ausgewählt ist, die Hydroxygruppen oder hydrolysierbare Nebengruppen, einschließlich Alkyl-, Aryl- oder Alkoxygruppen, einschließt, und wobei jede R4-Gruppe entweder wie die anderen R4-Gruppen oder von ihnen verschieden sein kann, und wobei die Alkyl-, Aryl- oder Alkoxygruppe im Bereich von 1 bis 4 Kohlenstoffatomen umfaßt, und wobei R5 eine Alkangruppe im Bereich von 2 bis 4 Kohlenstoffatomen umfaßt.
- Das mit dem fluorierten Polysiloxan kombinierte Polysiloxan besitzt die Formel
- wobei R6 ein Alkan im Bereich von 1 bis 3 Kohlenstoffatomen umfaßt, und wobei jede R6-Gruppe die gleiche oder verschiedene sein kann, und wobei n&sub1; im Bereich von 1 bis 5 liegt.
- Das mit dem Polysiloxan und dem fluorierten Polysiloxan kombinierte Polyester modifizierte Polysiloxan besitzt die Formel
- wobei R7 aus der Gruppe ausgewählt ist, bestehend aus einer Alkyl-, Aryl- oder Alkoxygruppe im Bereich von etwa 1 bis 6 Kohlenstoffatomen, wobei R8 eine Alkylgruppe im Bereich von 1 bis 3 Kohlenstoffatomen umfaßt, wobei n&sub2; im Bereich von 1 bis 5 liegt, und wobei X eine Polyestergruppe umfaßt.
- Die Polyestergruppe besitzt die Formel
- wobei R9 aus der Gruppe ausgewählt ist, bestehend aus einer Hydroxygruppe oder einer Alkoxygruppe, und wobei die Alkoxygruppe im Bereich von 1 bis 5 Kohlenstoffatome aufweist, und wobei n&sub3; im Bereich von 1 bis 2 liegt.
- Die Polysiloxan-Bestandteile werden miteinander in den hier zuvor aufgeführten Anteilen gemischt und mit einem Säure- und Alkoholgemisch in Gegenwart von Wasser in einer Menge von mindestens 0,1 Gew.-% der Gesamtzusammensetzung kombiniert. Mit den Polysiloxan-Bestandteilen wird eine hydrolytische Polykondensation und Polymerisation unter Bildung eines fluorierten Polyestermodifizierten Polysiloxanpolymeren durchgeführt, das beim Aufbringen auf eine Substratoberfläche bei Umgebungstemperaturen unter Bildung eines haltbaren witterungs-, chemikalien- und wärmebeständigen optisch klaren hydrophoben Überzugs aushärtet.
- Ein optisch klarer Überzug zur Verminderung der Oberflächenenergie einer Substratoberfläche und zur Verbesserung der Witterungs-, Wärme- und Chemikalienbeständigkeit des Substrates kann als wesentlicher Bestandteil ein fluoriertes Polysiloxan, ein Polysiloxan, ein Polyester-modifiziertes Polysiloxan, Wasser, eine Säure und einen Alkohol umfassen. Eine optisch reine Überzugszusammensetzung wird erfindungsgemäß hergestellt durch Kombinieren in Gegenwart von Wasser:
- (a) eines fluorierten Polysiloxans der Formel
- wobei R4 aus der Gruppe ausgewählt ist, die Hydroxygruppen oder hydrolysierbare Nebengruppen, einschließlich Alkyl-, Aryl- oder Alkoxygruppen, einschließt, und wobei jede R4-Gruppe entweder wie die anderen R4-Gruppen oder von ihnen verschieden sein kann, und wobei die Alkyl-, Aryl- oder Alkoxygruppe im Bereich von 1 bis 4 Kohlenstoffatomen umfaßt, und wobei R5 eine Alkangruppe im Bereich von 2 bis 4 Kohlenstoffatomen umfaßt; mit
- (b) einem Polysiloxan der Formel
- wobei R6 ein Alkan im Bereich von 1 bis 3 Kohlenstoffatomen umfaßt, und wobei jede R6-Gruppe die gleiche oder verschiedene sein kann, und wobei n&sub1; im Bereich von 1 bis 5 liegt und eine mittlere Anzahl der Wiederholungseinheiten ist. Beispielsweise können in einer Zusammensetzung mit n = 3 einige der Polysiloxanmoleküle eine oder zwei Wiederholungseinheiten und einige 4 oder 5 Wiederholungseinheiten aufweisen, allerdings besitzen die meisten 3 Wiederholungseinheiten, und der Durchschnitt beträgt etwa 3; mit
- (c) einem Polyester modifizierten Polysiloxan der Formel
- wobei R7 eine Alkyl-, Aryl- oder Alkoxygruppe im Bereich von etwa 1 bis 6 Kohlenstoffatomen umfaßt, wobei R8 eine Alkylgruppe im Bereich von 1 bis 3 Kohlenstoffatomen umfaßt, und wobei n&sub2; im Bereich von 1 bis 5 liegt und eine mittlere Anzahl von Wiederholungseinheiten ist, und wobei X eine Polyestergruppe mit der Formel
- umfaßt, wobei R9 eine Hydroxygruppe oder eine Alkoxygruppe umfaßt, wobei die Alkoxygruppe im Bereich von etwa 1 bis 5 Kohlenstoffatome aufweist, wobei n&sub3; im Bereich von 1 bis 2 liegt und eine mittlere Anzahl von Wiederholungseinheiten ist; mit
- (d) einer wäßrigen Säure, wie Essigsäure, oder einer wäßrigen anorganischen Säure, wie Chlorwasserstoffsäure, Salpetersäure, Schwefelsäure, Phosphorsäure, und dergleichen; mit
- (e) einem Alkohol im Bereich von etwa 1 bis 4 Kohlenstoffatomen.
- Hinsichtlich des fluorierten Polysiloxan-Bestandteils ist es erwünscht, daß die R4-Gruppe zur leichteren hydrolytischen Polykondensation und/oder Polymerisation weniger als etwa 5 Kohlenstoffatome umfaßt. Ein fluoriertes Polysiloxan, das R4-Gruppen mit mehr als 4 Kohlenstoffatomen umfaßt, kann die Fähigkeit des fluorierten Polysiloxans zur schnellen Teilnahme an der hydrolytischen Polykondensations- und/oder Polymerisationsreaktion unter Bildung der Überzugszusammensetzung über sterische Hinderung nachteilig beeinflussen. Zusätzlich ist es erwünscht, daß die R4-Gruppe weniger als 5 Kohlenstoffatome umfaßt, so daß das Alkohol-Analoge der R4-Gruppe, das durch Hydrolyse und Polymerisation des fluorierten Polysiloxans gebildet wird, leicht verdampft und die Aushärtungszeit für die Überzugszusammensetzung beschleunigt.
- Die erfindungsgemäß hergestellte optisch klare Überzugszusammensetzung umfaßt im Bereich von 0,2 bis 1 Gew.-% fluoriertes Polysiloxan (Komponente (a)). Das fluorierte Polysiloxan dient der Erhöhung der Hydrophobie und somit der Verminderung der Oberflächenenergie des erfindungsgemäß gebildeten Siliciumpolymeren. Eine Überzugszusammensetzung, die weniger als etwa 0,2 Gew.-% des fluorierten Polysiloxans umfaßt, zeigt beim Aufbringen nicht die gewünschte unmittelbare Erhöhung der Hydrophobie eines beschichteten Substrats. Zusätzlich gehen die hydrophoben Eigenschaften, die sich gegebenenfalls auf der Substratoberfläche nach dem Aufbringen entwickeln, bei Alterung des Überzugs sehr schnell zurück.
- Eine Überzugszusammensetzung, die mehr als etwa 1 Gew.-% des fluorierten Polysiloxans umfaßt, erhöht die hydrophoben Eigenschaften des Überzugs nicht über diejenigen hinaus, die unter Verwendung einer geringeren Menge erhalten werden. Demnach spiegelt der zur Herstellung des optisch klaren Überzugs des fluorierten Polysiloxans eingesetzte Bereich eine optimale Menge wider, die sowohl wirtschaftlich ist als auch den gewünschten Grad an Hydrophobie bereitstellt.
- Eine bevorzugte Überzugszusammensetzung umfaßt ungefähr 0,5 Gew.-% fluoriertes Polysiloxan. Ein bevorzugtes fluoriertes Polysiloxan umfaßt 3,3,3-Trifluorpropyltrimethoxysilan, hergestellt von der Fa. Hüls Americal, Inc. Piscataway, New Jersey, unter dem Produktnamen PS 184-S. und von der Firma PCR Inc. Gainesville, Florida, unter dem Produktnamen PCR 12092-3.
- Bezüglich des Polysiloxan-Bestandteils (Komponente (b)) umfaßt die Überzugszusammensetzung im Bereich von 10 bis 60 Gew.-% Polysiloxan. Das Polysiloxan nimmt nicht an der Reaktion teil, die den optisch klaren Überzug bildet, sondern ist statt dessen unter Bereitstellung von Lubrizität während des Aufbringens des Überzugs und unter Bereitstellung von hydrophoben Ausgangsmerkmalen für die Substratoberfläche in dem polymeren Netzwerk gebunden. Eine Überzugszusammensetzung, die weniger als etwa 10 Gew.-% des Polysiloxans umfaßt, bedeckt die Substratoberfläche aufgrund abnehmender Lubrizität nicht gleichmäßig und vermindert die nachhaltige Fähigkeit des Überzugs, den Wasserablauf zu bewirken. Es hat sich gezeigt, daß eine Überzugszusammensetzung, die mehr als etwa 60 Gew.-% des Polysiloxans umfaßt, das Aufbringen erschwert und zur Streifenbildung und zu Schwierigkeiten beim Polieren führt, was schließlich die Klarheit des Überzugs vermindert. Eine bevorzugte Überzugszusammensetzung kann ungefähr 30 Gew.-% des Polysiloxans umfassen.
- Ein bevorzugtes Polysiloxan kann eine mittlere Viskosität im Bereich von 10 Centistokes (cSt) bis 50 cSt aufweisen. Die Viskosität des Polysiloxan-Bestandteils ist direkt proportional zu dem Wert von n&sub1;. Demnach ist ein Polysiloxan mit einem n&sub1;-Wert im Bereich von 1 bis 5 ein Polysiloxan mit einer Viskosität in dem gewünschten Bereich. Eine Überzugszusammensetzung, die ein Polysiloxan mit einer Viskosität von größer als etwa 50 cSt umfaßt, stellt aufgrund der relativ hohen Viskosität der Zusammensetzung keine optisch klare Oberfläche bereit und bewirkt, daß das Polieren des Überzugs bis zu einer optisch klaren Oberfläche nicht erreicht werden kann. Ein bevorzugtes Polysiloxan umfaßt Polydimethylpolysiloxan, hergestellt von Dow Corning, Midland, Michigan, unter dem Produktnamen 200 FLUID; BYK CHEMIE, Wallingford, Connecticut unter dem Produktnamen BYK396.
- Bezüglich des Polyester modifizierten Polysiloxan- Bestandteils (Komponente (c)) umfaßt die Überzugszusammensetzung 0,05 bis 0,2 Gew.-% Polyester-modifiziertes Polysiloxan. Das Polyester modifizierte Polysiloxan dient der Verbesserung der Oberflächenspannung und der Verbesserung der Substratbenetzung. Eine Überzugszusammensetzung, die weniger als etwa 0,05% des Polyestermodifizierten Polysiloxans umfaßt, zeigt sowohl schlechte hydrophobe Eigenschaften als auch eine schlechte Überzugshaltbarkeit. Ein Überzug, der mehr als etwa 0,2 Gew.-% des Polyester modifizierten Polysiloxans umfaßt, zeigt eine verminderte optische Klarheit und entwickelt schließlich im Laufe der Zeit eine gelbe Farbe. Eine bevorzugte Überzugszusammensetzung umfaßt ungefähr 0,13 Gew.-% des Polyester modifizierten Polysiloxans.
- Es ist gewünscht, daß das Polyester modifizierte Polysiloxan eine mittlere Viskosität im Bereich von 10 cSt bis 50 cSt aufweist. Die Viskosität des Polyestermodifizierten Polysiloxans ist direkt proportional zu dem Wert von n&sub2;. Demnach besitzt ein Polyestermodifiziertes Polysiloxan, das einen n&sub2;-Wert im Bereich von 1 bis 5 umfaßt, ein Polyester-modifiziertes Polysiloxan mit einer Viskosität in dem gewünschten Bereich. Ein Polyestermodifiziertes Polysiloxan mit einer Viskosität von größer als etwa 50 cSt erzeugt eine Überzugszusammensetzung, die harzartig ist, eine verlängerte Aushärtungs- oder Trocknungszeit aufweist und schwer bis zu einer optisch klaren Oberfläche zu polieren ist. Ein bevorzugtes Polyester-modifiziertes Polysiloxan umfaßt Polyesterpolydimethylpolysiloxan, hergestellt von der Fa. BYK CHEMIE unter dem Produktnamen BYK371.
- Bezüglich des Säure-Bestandteils umfaßt die Überzugszusammensetzung im Bereich von 5 bis 25 Gew.-% der Säure. Die Säure kann eine wäßrige Essigsäure oder eine wäßrige anorganische Säure umfassen, die zur Katalyse der hydrolytischen Polykondensation der Polysiloxanharze dient, die den bei Umgebungstemperatur aushärtenden optisch klaren Überzug bilden. Es ist erwünscht, daß die Säure einen pH von weniger als etwa 5 aufweist, um sowohl die Kompatibilität zu verbessern als auch die hydrolytische Polykondensation der Polysiloxanharze zu beschleunigen. Eine Überzugszusammensetzung, die weniger als etwa 5 Gew.-% der Säure umfaßt, zeigt eine verlängerte Aushärtungszeit, die wirksam die Zeitdauer erhöht, bevor die gewünschten hydrophoben Eigenschaften des Überzugs auftreten können. Eine Überzugszusammensetzung, die mehr als 25 Gew.-% Säure umfaßt, zeigt eine Aushärtungszeit, die kürzer ist als die Zeit, die zum Aufbringen des Überzugs benötigt wird, was das Aufbringen und Polieren des Überzugs bis zu einer optisch klaren Oberfläche erschwert. Die Säure kann aus der Gruppe wäßriger Säuren, einschließlich Essigsäure oder anorganischer Säuren, wie Chlorwasserstoffsäure, Salpetersäure, Schwefelsäure, Phosphorsäure und dergleichen, ausgewählt sein. Eine bevorzugte Säure umfaßt Phosphorsäure. Eine bevorzugte wäßrige Phosphorsäurelösung kann ungefähr 85% Phosphorsäure umfassen. Eine besonders bevorzugte Überzugszusammensetzung umfaßt ungefähr 9% der 85%igen Phosphorsäure.
- Bezüglich des Alkoholbestandteils kann eine Überzugszusammensetzung im Bereich von etwa 40 bis 70 Gew.-% Alkohol umfassen. Der Alkoholbestandteil dient der Verminderung der Viskosität der Überzugszusammensetzung sowohl zur beschleunigten Auftragung als auch zur Kontrolle der Filmdicke des Überzugs. Eine Überzugszusammensetzung, die weniger als etwa 40% des Alkohols umfaßt, führt zu einem schnellen Aufbau des Überzugsmaterials während des Aufbringens, was das Polieren bis zu einer optisch klaren Oberfläche erschwert. Eine Überzugszusammensetzung, die mehr als etwa 75 Gew.-% des Alkohols umfaßt, vermindert die Viskosität des Überzugs und macht es unmöglich, daß eine gewünschte Überzugsfilmdicke durch eine einzige Auftragung erhältlich ist, und erfordert so zum Erhalt der gewünschten hydrophoben Überzugseigenschaften mehrere Auftragungen. Ein besonders bevorzugter Alkohol ist Isopropylalkohol. Eine besonders bevorzugte Überzugszusammensetzung umfaßt ungefähr 60% Alkohol.
- Bezüglich Wasser ist es erwünscht, daß die Überzugszusammensetzung Wasser in einer Menge von mindestens 0,1 Gew.-% der Zusammensetzung umfaßt. Der Wasserbestandteil kann Wasser, das in der wäßrigen Säurelösung vorhanden ist, freies Wasser, das der Reaktion zugesetzt wird, oder Wasser, das als atmosphärische Feuchtigkeit vorhanden ist, umfassen. Das Wasser dient der leichten hydrolytischen Polykondensation der Polysiloxanharze durch Ionisation unter Bildung von Wasserstoffionen (H&spplus;) und Hydroxylionen (OH&supmin;). Eine Überzugszusammensetzung, die weniger als etwa 0,1% Wasser umfaßt, umfaßt keine zur Beschleunigung der hydrolytischen Polykondensation der Polysiloxanharze ausreichende Menge an H&spplus;- Ionen und OH&supmin;-Ionen. Eine Überzugszusammensetzung, die mehr als etwa 10 Gew.-% Wasser umfaßt, umfaßt mehr Wasser als zur Bewirkung der hydrolytischen Polykondensation benötigt wird und zeigt aufgrund der zusätzlichen Zeit, die zur Verdampfen des Wasserüberschusses benötigt wird, eine erhöhte Härtungszeit. Eine bevorzugte Überzugszusammensetzung umfaßt ungefähr 2% Wasser.
- Die Überzugszusammensetzung kann hergestellt werden durch Kombinieren des fluorierten Polysiloxans, des Polysiloxans und des Polyester-Polysiloxans in den bereits beschriebenen Anteilen und Mischen der drei Polysiloxan-Bestandteile miteinander, bis die Zusammensetzung klar ist. In einem getrennten Behälter werden der alkoholische und saure Bestandteil in den zuvor beschriebenen Anteilen kombiniert und miteinander vermischt. Die Säure- und Alkoholzusammensetzung wird der Polysiloxanzusammensetzung langsam unter Aufrechterhaltung einer hohen Mischgeschwindigkeit zugesetzt. Während des Mischens der Polysiloxan-Bestandteile und der Säure- und -Alkoholzusammensetzung ist es erwünscht, daß die Temperatur des Gemisches zur Unterstützung einer kontrollierten Reaktion der chemischen Bestandteile unter etwa 100ºF gehalten wird.
- Es wird angenommen, daß die Polysiloxan-Bestandteile und die Säure-und-Alkoholzusammensetzung während des Mischens eine Hydrolyse- und Polykondensationsreaktion erfahren, die exothermer Natur ist und dazu führt, daß sich die Temperatur in der Zusammensetzung erhöht. Es ist gewünscht, daß die Temperatur der Zusammensetzung unter etwa 100ºF gehalten wird, um eine kontrollierte Reaktion zu unterstützen, und die chemische Reaktion nicht unter Bildung eines Gels beschleunigt wird. Das Gemisch aus den Polysiloxan-Bestandteilen und der Säure-und-Alkoholzusammensetzung wird ungefähr 3 h unter Erhalt einer vollständigen Umsetzung zwischen den chemischen Bestandteilen durch Polykondensation stehen gelassen.
- Zur weiteren Kontrolle der Polykondensationsreaktion wird die oben beschriebene Zusammensetzung durch Zugabe eines Lösungsmittels auf ungefähr 20 Gew.-% verdünnt. Das Verdünnen der Zusammensetzung mit einem Lösungsmittel dient der Verzögerung der Hydrolyse- und Polykondensationsreaktion, wodurch sich die Zusammensetzung zur zukünftigen Anwendung in einem luftdicht verschlossenen Behälter lagern läßt. Beim öffnen des Behälters und beim Aufbringen der Zusammensetzung werden die Polykondensationsreaktionen bis zur Vollständigkeit vorangetrieben, und die Zusammensetzung wird unter Bereitstellung eines haltbaren hydrophoben Überzugs durch Verdampfen des Lösungsmittels ausgehärtet. Geeignete Lösungsmittel sind mit der Zusammensetzung mischbar und können Alkohole, wie diejenigen Alkohole, die bereits zuvor für den alkoholischen Bestandteil der Zusammensetzung beschrieben wurden, Glycole, wie Glycolacetate, und dergleichen, und Wasser einschließen, mit der Maßgabe, daß die Acidität der Zusammensetzung zwischen einem pH von etwa 3 bis 4 gehalten wird. Ein bevorzugtes Lösungsmittel umfaßt ein Gemisch von Isopropylalkohol und Ethanol. Ein bevorzugtes Gewichtsverhältnis von Isopropylalkohol zu Ethanol beträgt ungefähr 1 : 1.
- Obwohl es nicht gewünscht ist, an eine bestimmte Theorie oder einem bestimmten Mechanismus gebunden zu sein, wird angenommen, daß der optisch reine Überzug auf folgende Weise hergestellt wird. Für die Zwecke der Klarheit ist es selbstverständlich, daß die chemischen Bestandteile, auf die nachstehend Bezug genommen wird, im Zusammenhang der erläuternden möglichen Reaktionsmechanismen die gleichen sind und die gleichen chemischen Formeln und chemischen Gruppierungen aufweisen, wie die bereits beschriebenen chemischen Bestandteile. Bei Zugabe der wäßrigen Säure-und-Alkoholzusammensetzung zu dem Gemisch aus fluoriertem Polysiloxan, Polysiloxan und Polyestermodifizierter Polysiloxanzusammensetzung wird angenommen, daß eine oder mehrere der R4-Gruppen des fluorierten Polysiloxans mit den Ionisationsprodukten des Wassers eine Hydrolysereaktion unter Bildung eines Alkoholanalogen der R4-Gruppe und eines Hydroxysubstituierten fluorierten Polysiloxans erfährt, wie in der beispielhaften Reaktion (1) gezeigt.
- Das Hydroxy-substituierte fluorierte Polysiloxanhydrolyseprodukt reagiert mit anderen fluorierten Polysiloxanmolekülen über hydrolytische Heteropolymerisation unter Bildung eines fluorierten Polysiloxanpolymeren und eines Alkohol-Analogen der R4-Gruppen wie in der beispielhaften Reaktion (2) gezeigt.
- Zur Erleichterung der Heteropolymerisationsreaktion von Reaktion (2) ist es bevorzugt, daß mehr als eine R4- Gruppe eine Hydrolyse und Substitution mit einer Hydroxygruppe erfährt. Mehrere Hydroxysubstitutionen dienen unter Bereitstellung zusätzlicher Reaktionsstellen der leichteren Heteropolymerisation des Hydroxy-substituierten fluorierten Polysiloxans und des fluorierten Polysiloxans.
- Bei Zugabe der wäßrigen Säure-und-Alkoholzusammensetzung wird ferner angenommen, daß das Polyestermodifizierte Polysiloxan mit anderen Polyester modifizierten Polysiloxanmolekülen eine Homopolykondensation unter Bildung eines Polyester modifizierten Polysiloxanpolymeren und Wasser erfährt, wie in der beispielhaften Reaktion (3) gezeigt.
- Das in Reaktion (1) gebildete Hydroxy-substituierte fluorierte Polysiloxan kann auch mit dem Polyestermodifizierten Polysiloxan eine Heteropolykondensation unter Bildung eines fluorierten Polyester modifizierten Polysiloxanmoleküls und von Wasser, wie in Reaktion (4) gezeigt, erfahren.
- Zusätzlich kann das Hydroxy-substituierte fluorierte Polysiloxan eine Homopolykondensation mit anderen Hydroxy-substituierten fluorierten Polysiloxanmolekülen unter Bildung eines fluorierten Polysiloxanpolymeren und von Wasser, wie in Reaktion (5) gezeigt, erfahren.
- Wie bereits erwähnt, nimmt der Polysiloxan-Bestandteil nicht an den hydrolytischen Polykondensationsreaktionen mit den anderen Polysiloxanharzen teil, sondern ist statt dessen in dem durch die Polykondensationsreaktionen gebildeten Polymerisationsprodukt unter Bereitstellung von Lubrizität und Übertragung von hydrophoben Anfangseigenschaften auf den Überzug während des Aufbringens gebunden.
- Schließlich erfahren das fluorierte Polysiloxan, das Hydroxy-substituierte fluorierte Polysiloxan und das Polyester modifizierte Polysiloxan alle eine Polykondensation miteinander unter Bildung eines optisch klaren hydrophoben fluorierten Polyester modifizierten Polysiloxan-Polymernetzwerks. Die Bildung des fluorierten Polyester modifizierten Polysiloxan-Polymernetzwerks wird durch eine erhöhte Viskosität der kombinierten Polysiloxan-Bestandteile kurz nach Zugabe der wäßrigen Säure-und-Alkoholzusammensetzung bewiesen.
- Die Hydrolyse des fluorierten Polysiloxans wird durch Zugabe von Wasser sowohl über die Zugabe der wäßrigen Säure als über die Homopolykondensation des Polyestermodifizierten Polysiloxans bis zur Vollständigkeit vorangetrieben. Allerdings werden die Homopolykondensationsreaktionen zwischen den Hydroxy-substituierten fluorierten Polysiloxanmolekülen, die Homopolykondensationsreaktionen zwischen Polyester modifizierten Polysiloxanmolekülen und die Heteropolykondensationsreaktionen zwischen den Hydroxy-substituierten fluorierten Polysiloxanmolekülen und den Polyester modifizierten Polysiloxanen, die das optisch reine hydrophobe fluorierte Polyester modifizierte Polysiloxan-Polymernetzwerk bilden, durch Verdampfen des Wassers vorangetrieben. Demnach spiegelt die zur Herstellung der Überzugszusammensetzung verwendete Menge an Wasser einen Kompromiß zwischen konkurrierenden Überlegungen wider, d. h. zwischen der Notwendigkeit, die Hydrolyse herbeizuführen, und der Notwendigkeit eine schnelle Aushärtung der Überzugszusammensetzung zu bewirken.
- Die Überzugszusammensetzung wird auf eine der Atmosphäre ausgesetzte Substratoberfläche aufgebracht, was das Verdampfen des Wassers erleichtert und dadurch die Polykondensationsreaktionen unter Bildung des optisch reinen hydrophoben fluorierten Polyester modifizierten Polysiloxanpolymeren bis zur Vollständigkeit vorantreibt.
- Die erfindungsgemäß hergestellte Überzugszusammensetzung ist ein optisch klarer hydrophober Überzug, der gegen die Witterung beständig ist, d. h. gegen vorzeitigen ultravioletten Abbau, Lösungsmittel, Säuren und Wärme. Der optisch klare Überzug ist mit einer Vielzahl von Substraten, wie Mauersteine, Holz, Kunststoff, Glas und dergleichen, kompatibel und härtet unter Umgebungstemperaturbedingungen aus, ohne daß spezielle Härtungsbedingungen oder eine spezielle Apparatur erforderlich ist. Die Überzugszusammensetzung ist bis zur Vollständigkeit bei Umgebungstemperatur und etwa 50% relativer Feuchtigkeit in ungefähr 2 bis 3 h schnellhärtend. Die Überzugszusammensetzung kann in einem Ein-Pack-System aufbewahrt und verkauft und kann durch Tücher, Sprühen, Bürsten oder Walzen ohne das Erfordernis des Verdünnens oder ohne das Erfordernis der Verwendung spezieller Anwendungstechniken oder Apparaturen aufgebracht werden.
Claims (5)
1. Optisch klare Überzugszusammensetzung mit
hydrophoben Eigenschaften, erhältlich durch kombinieren
von
a) einem fluorierten Polysiloxan in einer Menge im
Bereich von 0,2 bis 1 Gew.-% der
Gesamtzusammensetzung, wobei das fluorierte Polysiloxan
die Formel
aufweist, wobei R4 aus der Gruppe ausgewählt
ist, die Hydroxygruppen oder hydrolysierbare
Nebengruppen, einschließlich Alkyl-, Aryl-
oder Alkoxygruppen umfaßt, und wobei jede R4-
Gruppe entweder wie die anderen R4-Gruppen
oder von ihnen verschieden sein kann, und wobei
die Alkyl-, Aryl- oder Alkoxygruppen im
Bereich von 1 bis 4 Kohlenstoffatome umfassen,
und wobei R5 eine Alkangruppe im Bereich von 2
bis 4 Kohlenstoffatomen umfaßt;
b) einem Polysiloxan in einer Menge im Bereich
von 10 bis 60 Gew.-% der
Gesamtzusammensetzung, wobei das Polysiloxan die Formel
aufweist, wobei R6 ein Alkan im Bereich von 1
bis 3 Kohlenstoffatomen aufweist, und wobei
jede R6-Gruppe entweder die gleiche oder
verschiedene sein kann, und wobei n&sub1; im Bereich
von 1 bis 5 liegt;
c) einem Polyester modifizierten Polysiloxan in
einer Menge im Bereich von 0,05 bis 0,2 Gew.-%
der Gesamtzusammensetzung, wobei das
Polyester modifizierte Polysiloxan die Formel
aufweist, wobei R7 aus der Gruppe ausgewählt
ist, bestehend aus einer Alkyl-, Aryl- oder
Alkoxygruppe im Bereich von etwa 1 bis 6
Kohlenstoffatomen, wobei R8 eine Alkylgruppe im
Bereich von 1 bis 3 Kohlenstoffatomen umfaßt,
wobei n&sub2; im Bereich von 1 bis 5 liegt, und
wobei X eine Polyestergruppe der Formel
umfaßt, wobei R9 eine Hydroxygruppe oder eine
Alkoxygruppe umfaßt, wobei die Alkoxygruppe im
Bereich von etwa 1 bis 5 Kohlenstoffatome
aufweist, wobei n&sub3; im Bereich von 1 bis 2 liegt;
5 bis 25 Gew.-% der Gesamtzusammensetzung
einer Säure;
Wasser in einer Menge von mindestens 0,1
Gew.-% der Gesamtzusammensetzung zur
Beschleunigung der Kondensation der Polysiloxan-
Bestandteile, und
Alkohol zur erleichterten Auftragung der
Zusammensetzung.
2. Optisch klare hydrophobe Überzugszusammensetzung
nach Anspruch 1, wobei der Alkohol in einer Menge
im Bereich von 40 bis 70 Gew.-% der
Gesamtzusammensetzung vorhanden ist.
3. Verfahren zur Bildung einer optisch klaren,
hydrophoben Überzugszusammensetzung, umfassend die
Schritte des Kombinierens von:
a) einem fluorierten Polysiloxan in einer Menge im
Bereich von 0,2 bis 1 Gew.-% der
Gesamtzusammensetzung, wobei das fluorierte Polysiloxan
die Formel
aufweist, wobei R4 aus der Gruppe ausgewählt
ist, die Hydroxygruppen oder hydrolysierbare
Nebengruppen, einschließlich Alkyl-, Aryl-
oder Alkoxygruppen umfaßt, und wobei jede R4-
Gruppe entweder wie die anderen R4-Gruppen
oder von ihnen verschieden sein kann, und
wobei die Alkyl-, Aryl- oder Alkoxygruppen im
Bereich von 1 bis 4 Kohlenstoffatome umfassen,
und wobei R5 eine Alkangruppe mit 2 bis
4
Kohlenstoffatomen umfaßt;
b) einem Polysiloxan in einer Menge im Bereich
von 10 bis 60 Gew.-% der
Gesamtzusammensetzung, wobei das Polysiloxan die Formel
aufweist, wobei R6 ein Alkan im Bereich von 1
bis 3 Kohlenstoffatomen umfasst, und wobei
jede R6-Gruppe die gleiche oder verschiedene
sein kann, und wobei n&sub1; im Bereich von 1 bis 5
liegt, und
c) einem Polyester-modifizierten Polysiloxan in
einer Menge im Bereich von 0,05 bis 0,2 Gew.-%
der Gesamtzusammensetzung, wobei das
Polyester modifizierte Polysiloxan die Formel
aufweist, wobei R7 aus der Gruppe ausgewählt
ist, bestehend aus einer Alkyl-, Aryl- oder
Alkoxygruppe im Bereich von etwa 1 bis 6
Kohlenstoffatomen, wobei R8 eine Alkylgruppe im
Bereich von 1 bis 3 Kohlenstoffatomen umfaßt,
wobei n&sub2; im Bereich von 1 bis 5 liegt, und
wobei X eine Polyestergruppe der Formel
umfaßt, wobei R9 eine Hydroxygruppe oder eine
Alkoxygruppe umfaßt, wobei die Alkoxygruppe im
Bereich von etwa 1 bis
5 Kohlenstoffatome
aufweist, wobei n&sub3; im Bereich von 1 bis 2 liegt;
zusammen mit:
d) 5 bis 25 Gew.-% der Gesamtzusammensetzung
einer Säure;
e) Wasser in einer Menge von mindestens 0,1
Gew.-% der Gesamtzusammensetzung zur
Beschleunigung der Kondensation der Polysiloxan-
Bestandteile, und
f) Alkohol zur erleichterten Auftragung der
Zusammensetzung.
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