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DE10018309A1 - Intermediale Schicht und Verfahren zu deren Herstellung - Google Patents

Intermediale Schicht und Verfahren zu deren Herstellung

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Publication number
DE10018309A1
DE10018309A1 DE10018309A DE10018309A DE10018309A1 DE 10018309 A1 DE10018309 A1 DE 10018309A1 DE 10018309 A DE10018309 A DE 10018309A DE 10018309 A DE10018309 A DE 10018309A DE 10018309 A1 DE10018309 A1 DE 10018309A1
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DE
Germany
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water
hydrophilic
solution
layer
molecular weight
Prior art date
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Withdrawn
Application number
DE10018309A
Other languages
English (en)
Inventor
Regina Wezel
Susanne Will
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ballard Power Systems Inc
Original Assignee
DaimlerChrysler AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by DaimlerChrysler AG filed Critical DaimlerChrysler AG
Priority to DE10018309A priority Critical patent/DE10018309A1/de
Publication of DE10018309A1 publication Critical patent/DE10018309A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C09DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09DCOATING COMPOSITIONS, e.g. PAINTS, VARNISHES OR LACQUERS; FILLING PASTES; CHEMICAL PAINT OR INK REMOVERS; INKS; CORRECTING FLUIDS; WOODSTAINS; PASTES OR SOLIDS FOR COLOURING OR PRINTING; USE OF MATERIALS THEREFOR
    • C09D5/00Coating compositions, e.g. paints, varnishes or lacquers, characterised by their physical nature or the effects produced; Filling pastes
    • C09D5/002Priming paints
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/86Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/88Processes of manufacture
    • H01M4/8817Treatment of supports before application of the catalytic active composition
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
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Abstract

Um eine kostengünstige Verbindung und ein kostengünstiges Verfahren zum Hydrophilieren einer Oberfläche, insbesondere einer hydrophoben Oberfläche, zu erzielen, wird vorgeschlagen, zunächst einen hochmolekularen organischen Feststoff, nämlich Polyethylenglykol mit hohem Molekulargewicht oder Methylzellulose, in Wasser zu lösen, dieser Lösung Alkohole oder Ketone zuzusetzen, diese Lösung auf die zu hydrophilierende Oberfläche aufzutragen und anschließend trocknen zu lassen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Verbindung und ein Verfahren zum Hydrophilieren einer Oberfläche, insbesondere einer hydrophoben Oberfläche.
In manchen Bereichen der Technik ist es notwendig, auf eine hy­ drophobe Oberfläche eine hydrophile Schicht aufzutragen. Das ist beispielsweise bei der Elektrodenherstellung von Polymer- Elektrolyt-Membran(PEM)-Brennstoffzellen oder Lackierverfahren mit Lacken auf Wasserbasis der Fall. Die zuletzt genannten Verfahren finden aufgrund des gestiegenen ökologischen Bewußt­ seins in letzter Zeit verstärkt Anwendung.
Zur Zeit behilft man sich zur Überwindung dieses Problems bei der Elektrodenherstellung beispielsweise damit, daß man eine alkoholisch-wäßrige Lösung auf die hydrophobe Oberfläche auf­ trägt und anschließend sofort auf die noch nasse Oberfläche die hydrophile Schicht aufbringt. Da die Oberfläche nur beschichtet werden kann, solange ausreichend alkoholisch-wäßrige Lösung auf der zu beschichtenden Oberfläche vorhanden ist, ist eine rasche Arbeitsabfolge notwendig. Dieses Verfahren liefert keine reproduzierbaren Ergebnisse, da die alkoholisch-wäßrige Lösung stark verdunstet. Die nasse Oberfläche bildet einen undefinierten Ausgangszustand, da die alkoholisch-wäßrige Lö­ sung zum einen nicht gleichmäßig auf der Oberfläche verteilt werden kann und zum anderen an einigen Stellen verdunstet. Dieser Zustand wird durch Zeitverzögerungen im Arbeitsablauf sowie Raumtemperatur- und Luftfeuchtigkeitsschwankungen ver­ stärkt. Hinzu kommt, daß nasse Oberflächen Kapillarwirkungen aufweisen, so daß es in den feuchten Bereichen zu einer erhöhten Belegung der aufzutragenden hydrophilen Schicht kommen kann. Ein weiteres Problem besteht darin, daß alkoholisch-wäß­ rige Lösungen mit einigen Stoffen, z. B. mit Brennstoffzellenka­ talysatoren, leicht reagieren oder diese passivieren.
Aus der US 4 413 074 ist ein Verfahren zum Hydrophilieren einer Oberfläche bekannt, bei dem eine Lösung aus Hydroxyalkyl-Zellu­ lose und Perfluorcarbontensiden auf eine Oberfläche aufgebracht wird. Diese Schicht muß unter verschiedensten Bedingungen fest auf der Oberfläche verbleiben, damit die Oberfläche für die Dauer ihres Gebrauchs hydrophil bleibt.
Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Verbindung zum Hydro­ philieren einer Oberfläche bereitzustellen, die kostengünstig sind und mit denen reproduzierbare Ergebnisse erzielt werden können. Insbesondere sollen reproduzierbare Beschichtungen hy­ drophober Oberflächen mit hydrophilen Stoffen ermöglicht wer­ den.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Danach zeichnet sich das Ver­ fahren durch folgende Verfahrensschritte aus: zunächst wird ein hochmolekularer organischer Feststoff, nämlich Polyethy­ lenglykol mit hohem Molekulargewicht oder Methylzellulose, der pulverförmig vorliegt, in Wasser gelöst. Dieser Lösung werden Alkohole oder Ketone zugesetzt. Diese bewirken eine gute Be­ netzbarkeit. Dann wird die Lösung auf die zu hydrophilierende Oberfläche aufgetragen und anschließend getrocknet. Dabei ver­ dunsten das Wasser und die Alkohole bzw. Ketone. Zurück bleibt eine dünne, trockne Methylzellulose- bzw. Polyethylenglykol­ schicht, die aufgrund von Adhäsionskräften auf der Oberfläche haften bleiben. Diese ist gleichmäßig verteilt, deckt die ge­ samte Oberfläche ab und hat hydrophile Eigenschaften. Die Schicht ermöglicht nun eine Beschichtung mit wasserbasierenden Substanzen auf das vorher hydrophobe Material. Da die Hilfs­ schicht nicht mehr verdunsten kann, ist der nachfolgende Beschichtungsschritt zeitunabhängig. Durch die trockene und gleichmäßig verteilte Hilfsschicht hat man einen definierten Ausgangszustand, der durch Parameter, wie Raumtemperatur oder Luftfeuchtigkeit nicht beeinflußt wird. Die wasserbasierenden Substanzen können nun gleichmäßig auf die Oberfläche aufgetra­ gen werden. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, daß die erfindungsgemäße Zusammensetzung der Hilfsschicht nicht reaktiv ist, also auch unbedenklich mit anderen Stoffen zusammen eingesetzt werden kann, wie beispielsweise mit Brennstoffzel­ lenkatalysatoren.
Der besondere Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist darin zu sehen, daß aus einer geringen Anzahl einfacher Komponenten mit wenig Aufwand eine Substanz hergestellt werden kann, die auf eine hydrophobe Oberfläche aufgetragen werden kann und diese hydrophiliert. Das Benetzen der Oberfläche erfolgt so gleichmä­ ßig, daß sich ohne großen Aufwand reproduzierbare Arbeitser­ gebnisse erzielen lassen. Darüber hinaus ist die Substanz nicht reaktiv, beeinflußt also nicht die Verwendung anderer Substan­ zen.
Das Auftragen der Lösung auf die zu beschichtende Oberfläche kann mit üblichen Auftragsverfahren, beispielsweise Walzen, Besprühen, Siebdruck oder Tauchen erfolgen. Walzen hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, weil dadurch auf einfache Weise eine besonders gleichmäßige Verteilung der erfin­ dungsgemäßen Substanz auf der Oberfläche erzielt wird.
Das Trocknen kann an Luft oder mit einem Trocknungsgerät erfol­ gen. Man kann aber auch beide Trocknungsmöglichkeiten miteinan­ der kombinieren. Die Temperatur des Trocknungsgerätes darf da­ bei jedoch nicht so hoch gewählt werden, daß sich die Methyl­ zellulose bzw. das Polyethylenglykol wieder zersetzt. Bei Me­ thylzellulose ist das etwa bei 380°C der Fall.
Die aufgetragene, getrocknete Schicht kann als Hilfsschicht für das Auftragen von hydrophilen Schichten auf die Oberfläche dienen, die ebenfalls durch Walzen, Besprühen, Siebdruck oder Tauchen aufgetragen werden können. In diesem Zusammenhang ist ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens darin zu sehen, daß die hydrophile Zwischenschicht bei Bedarf durch Er­ hitzen rückstandslos entfernt werden kann, ohne daß die darauf aufgetragene hydrophile Schicht sich wieder von der ursprüng­ lich hydrophoben Oberfläche löst.
Obige Aufgabe wird auch durch eine Verbindung mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst. Weitere Ausgestaltungen sind den Un­ teransprüchen zu entnehmen.
Im folgenden werden am Beispiel der Beschichtung eines hydro­ phoben Elektrodenträgers mit einer Katalysatorpaste auf Wasser­ basis zur Herstellung von Elektroden für PEM-Brennstoffzellen die erfindungsgemäße Verbindung sowie das erfindungsgemäße Ver­ fahren näher beschrieben:
Zur Erläuterung sei zunächst ausgeführt, daß manche Elektroden­ träger der PEM-Brennstoffzellen hydrophob sein müssen. Dieser hydrophobe Elektrodenträger wird mit einem Katalysator be­ schichtet. Zum Beschichten liegt der Katalysator in Form einer Paste auf Wasserbasis vor. Das Auftragen der wäßrigen Paste auf den hydrophoben Elektrodenträger ist ohne hydrophile Hilfs­ schicht nicht möglich. Hinzu kommt, daß die Oberfläche des Elektrodenträgers mit dem aufgetragenen Katalysator an­ schließend bei manchen Elektroden wieder hydrophob sein muß, weil das in der Brennstoffzelle gebildete Reaktionswasser von der Katalysatoroberfläche abgeführt werden muß, damit an der Katalysatoroberfläche weitere Reaktionen ablaufen können.
Diese Vorgaben können mit Hilfe der erfindungsgemäßen Substanz, die sozusagen als Hilfsschicht auf die hydrophobe Elektro­ denoberfläche aufgetragen wird, um diese zum Auftragen der wäß­ rigen Katalysatorpaste zu hydrophilieren, erfüllt werden. Von einer Hilfsschicht spricht man deshalb, weil diese Schicht dazu dient, die Eigenschaft der Elektrodenoberfläche für den Zweck des Auftragens einer Schicht zu beeinflussen. Sie hilft also dabei, eine hydrophile Schicht auf eine hydrophobe Oberfläche aufzutragen. Sonst ist die Schicht für die PEM-Brennstoffzelle nicht notwendig. Mit anderen Worten: es wird eine definierte reproduzierbare und trockene Schicht mit hydrophilen Eigen­ schaften, die auf wasserabweisenden Oberflächen als Vermittler bzw. Grundierung für das Aufbringen weiterer hydrophiler Schichten dient. Diese vermittelnde Schicht kann bei Bedarf durch Erhitzen wieder entfernt werden.
Eine mögliche Zusammensetzung für die erfindungsgemäße Substanz ist durch folgende Massenverhältnisse gegeben: 10 g Methylzel­ lulosepulver werden in 90 g Wasser unter Rühren im Wasserbad bei 60°C gelöst. Von dieser 10%-igen Lösung werden 6 g mit 39 g Was­ ser versetzt und homogenisiert. Anschließend werden 21 g Isopro­ panol dazugegeben.
Zum Auftragen wird eine Kunststoffwalze verwendet, die mit der oben beschriebenen Methylzelluloselösung getränkt ist. Diese wird zwei bis dreimal über die Oberfläche des Elektrodenträgers gerollt, bis eine homogene Benetzung erreicht ist. Dann wird das benetzte Trägermaterial zuerst an Luft und danach bei 90°C auf einer Heizplatte getrocknet. Nach dem Trocknen bleibt eine sehr dünne gut benetzende Methylzelluloseschicht zurück. Nach obiger Rezeptur erhält man eine Schicht von ca. 0,07 mg Methylzellulose/cm2. Man kann die Masse an Methylzellulose pro Flächeneinheit je nach Bedarf variieren. Mit 0,02 bis 0,7 mg Me­ thylzellulose/cm2 lassen sich gute Ergebnisse erzielen. Je höher der Anteil an Methylzellulose pro Flächeneinheit ist, um so aufnahmefähiger ist die Hilfsschicht, daß heißt um so höher wird die Belegung der nachfolgend aufgebrachten Schicht. Auf diese hydrophile Methylzelluloseschicht kann nun problemlos eine wasserbasierende Katalysatorpaste mittels Siebdruck auf­ getragen werden. Das anschließende, für die Katalysatorschicht notwendige Erhitzen auf 405°C entfernt als Nebeneffekt die Methylzelluloseschicht und man erhält eine Elektrode, deren Trä­ germaterial wieder die hydrophobe Ausgangseigenschaft aufweist.

Claims (10)

1. Verfahren zum Hydrophilieren einer Oberfläche, bei dem
  • - zunächst Polyethylenglykol mit hohem Molekulargewicht oder Methylzellulose in Wasser gelöst wird,
  • - dieser Lösung Alkohole oder Ketone zugesetzt werden,
  • - diese Lösung auf die zu hydrophilierende Oberfläche aufgetragen und
  • - anschließend getrocknet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Lösen des hochmolekularen organischen Feststoffes in Wasser unter Rühren im Wasserbad bei ca. 60°C erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Auftragen der Lösung durch Walzen, Besprühen, Sieb­ druck oder Tauchen erfolgt.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Trocknen an Luft erfolgt.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Trocknen mit Hilfe eines Trocknungsgerätes erfolgt.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die aufgetragene, getrocknete hydrophile Schicht als Hilfsschicht für das Auftragen von hydrophilen Schichten auf die Oberfläche dient.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf diese Hilfsschicht weitere hydrophile Schichten durch Walzen, Besprühen, Siebdruck oder Tauchen aufgetragen werden kann.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsschicht nach Auftragen der hydrophilen Schicht durch Erhitzen rückstandslos entfernt werden kann, ohne daß sich die darauf aufgetragene Schicht wieder löst.
9. Lösung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der An­ sprüche 1 bis 8 bestehend aus einem in Wasser gelösten hochmolekularen organischen Feststoff, nämlich Polyethy­ lenglykol mit hohem Molekulargewicht oder Methylzellulose, und Alkoholen oder Ketonen.
10. Lösung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß soviel von dem hochmolekularen organischen Feststoff in Wasser gelöst wird, daß nach dem Auftragen und Trocknen eine Schicht von 0,02 bis 0,7 mg hochmolekularer organischer Feststoff/cm2 entsteht.
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DD212649A5 (de) * 1982-08-02 1984-08-22 Mitsubishi Rayon Co Verfahren zum hydrophylieren einer poroesen hydrophoben membrane
WO1999063011A1 (fr) * 1998-06-04 1999-12-09 Toto Ltd. Agent de couche intermediaire permettant de former un film de revetement photo-emetteur ou un film de revetement photocatalytique et hydrophile

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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