DE10018309A1 - Intermediale Schicht und Verfahren zu deren Herstellung - Google Patents
Intermediale Schicht und Verfahren zu deren HerstellungInfo
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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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|---|---|---|---|---|
| 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 |
-
2000
- 2000-04-13 DE DE10018309A patent/DE10018309A1/de not_active Withdrawn
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|---|---|---|---|---|
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