DE102006056427B4 - Verfahren zum Aufbringen eines Beschichtungsmaterials auf ein Substrat und Verwendung des Verfahrens - Google Patents
Verfahren zum Aufbringen eines Beschichtungsmaterials auf ein Substrat und Verwendung des Verfahrens Download PDFInfo
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Abstract
Verfahren zum Aufbringen eines Beschichtungsmaterials, das keramische und/oder glasartige Partikel enthält, auf ein Substrat, dadurch gekennzeichnet, • daß die keramischen Partikel eine Größe von 10 nm bis 2 μm aufweisen, • daß die keramischen Partikel mit oberflächenmodifiziert sind mit Silanen, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Methyltriethoxysilan (MTEOS), Tetraethoxysilan (TEOS) und Octylsilan, • daß das keramische Beschichtungsmaterial zwischen 10% und 90% oxidierbare Bestandteile in Form von Metallen oder Halbmetallen enthält, die während des Brennens zu vollständig nicht flüchtigen Oxidationsprodukten aufoxidieren, • wobei die Metalle aus der Gruppe bestehend aus Aluminium, Zink, Zinn, Bronze, Kupfer, Messing, Magnesium, Aluminium-Magnesium, Aluminium-Zink, Edelstahl, Silber, Gold, Platin, Chrom, Molybdän, Nickel, Eisen, Mangan, Cer, Kobalt, Zirkonium, Rhodium, Ruthenium, Wolfram und Lanthan ausgewählt sind, • und die Halbmetalle aus der Gruppe bestehend aus Silizium, Bor, Antimon, Arsen, Wismut, Germanium, Polonium, Selen und Tellur ausgewählt sind. • daß die keramischen und/oder glasartigen Partikel sowie die oxidierbaren Bestandteile in Wasser oder Alkohol dispergiert sind und • wobei das Beschichtungsmaterial nach dem Aufbringen auf das Substrat unter einer reaktiven Atmosphäre bei Temperaturen von 500 bis 1.500°C gesintert wird.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbringen eines Beschichtungsmaterials, das keramische und/oder glasartige Partikel enthält, auf ein Substrat und die Verwendung des Verfahrens.
- Im Stand der Technik sind keramische Beschichtungen bekannt, die dadurch entstehen, daß man keramische Partikel oberflächenmodifiziert, auf Oberflächen (Grünkörper) aufträgt und bei Temperaturen zwischen 600 und 1.300°C sintert. Die Oberflächenmodifizierung brennt dadurch weg und die Partikel verbinden sich zu einer mehr oder weniger dichten Matrix. In der Regel verwendet man für solche Beschichtungen Materialien wie Zirkoniumoxid oder Aluminiumoxid. Je nach Partikelgröße, Brenndauer und Temperatur kann man die Porosität der Beschichtung gezielt einstellen.
- Bei all diesen Prozessen kommt es durch das Ausbrennen der organischen Bestandteile und das Sintern der Partikel zu einer Schrumpfung in der Schicht, welche größer ist als die thermische Schrumpfung des Substrates. Dies führt besonders bei etwas dickeren Schichtungen zu Spannungen im Substrat, was für viele Anwendungen unerwünscht ist.
- Aus der
DE 696 17 705 T2 ist ein Substrat auf der Basis von Glas, Keramik oder Vitrokeramik, das in wenigstens einem Teil mindestens einer seiner Seiten mit einer Beschichtung mit photokatalytischen Eigenschaften versehen ist, wobei unter der Beschichtung mindestens eine dünne Schicht angeordnet ist, die als Barriere gegen die Migration des aus dem Substrat stammenden Alkalis dient. - Die
CH 599 069 A5 - Aus der
EP 1 279 643 A2 ist eine Dispersion für Keramik bekannt, welche einen Film mit hydrophilen Eigenschaften ausbildet. - Die
DE 102 25 972 B3 beschreibt ein Verfahren zum Aufschleuderbeschichten einer dicken Keramikschicht mit einem Sol-Gel-Verfahren, wobei dem mit Lösungsmittel versehenen Sol ein Keramikpulver beigegeben wird, durch Lösungsmittelentzug das Sol nach Auftrag auf das Substrat zu einer Schicht mit Gelstruktur gewandelt wird, durch Pyrolyse des Gels die Keramikschicht erzeugt wird und gemahlenes Glas vor der Pyrolyse zugegeben wird. - Die
DE 103 59 884 A1 betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Substrats, insbesondere eines Metall-, Keramik-, Kunststoff- oder Glassubstrats, mit einer teiltransparenten und/oder spiegelnden Beschichtung aus Titandioxid mit easy-to-clean-Eigenschaften. - Aus der
DE 43 15 382 A1 sind hydrophobe, fließfähige Aufbaugranulate mit einer mittleren Korngröße von 5 bis 150 μm, die aus einem bzw. vorzugsweise mehreren hydrophilen, anorganischen Pulvern mit einer Korngröße von > 0 bis 30 μm bestehen und ein bzw. mehrere hydrophobe Polyorganosiloxane in einer Menge von 0,03 bis 15 Gew.-% enthalten, bekannt. - Aufgabe der Erfindung ist es somit, ein keramisches Beschichtungsmaterial zu erzeugen, das während des Brennens keine Volumenveränderung oder aber eine Volumenzunahme zeigt.
- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,
- • daß die keramischen Partikel eine Größe von 10 nm bis 2 μm aufweisen,
- • daß die keramischen Partikel mit oberflächenmodifiziert sind mit Silanen, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Methyltriethoxysilan (MTEOS), Tetraethoxysilan (TEOS) und Octylsilan,
- • daß das keramische Beschichtungsmaterial zwischen 10% und 90% oxidierbare Bestandteile in Form von Metallen oder Halbmetallen enthält, die während des Brennens zu vollständig nicht flüchtigen Oxidationsprodukten aufoxidieren, wobei die Metalle aus der Gruppe bestehend aus Aluminium, Zink, Zinn, Bronze, Kupfer, Messing, Magnesium, Aluminium-Magnesium, Aluminium-Zink, Edelstahl, Silber,
- • Gold, Platin, Chrom, Molybdän, Nickel, Eisen, Mangan, Cer, Kobalt, Zirkonium, Rhodium, Ruthenium, Wolfram und Lanthan ausgewählt sind,
- • und die Halbmetalle aus der Gruppe bestehend aus Silizium, Bor, Antimon, Arsen, Wismut, Germanium, Polonium, Selen und Tellur ausgewählt sind.
- • daß die keramischen und/oder glasartigen Partikel sowie die oxidierbaren Bestandteile in Wasser oder Alkohol dispergiert sind und
- • wobei das Beschichtungsmaterial nach dem Aufbringen auf das Substrat unter einer reaktiven Atmosphäre bei Temperaturen von 500 bis 1.500°C gesintert wird.
- Hierdurch kommt es zu einem Volumenausgleich bzw. zu einer Volumenzunahme während des Brennens, da die oxidierbaren Bestandteile während des Brennens mit Luftsauerstoff oder einer anderen Atmosphäre aufoxidieren. Zudem ist es möglich, die Porosität der keramischen Beschichtung gezielt einzustellen, wobei Porengrößen von 20 nm bis 1 μm, vorzugsweise von 50 nm bis 250 nm erreicht werden. Zudem erfolgt die Oxidation in Abhängigkeit von der Partikelgröße bei sehr niedrigen Temperaturen.
- Es liegt im Rahmen der Erfindung, daß die keramischen Partikel entweder aus einem Halbmetall und einem Nichtmetall oder aus einem Metall und einem Nichtmetall bestehen.
- In diesem Zusammenhang ist es zweckmäßig, daß die keramischen Partikel aus der Gruppe bestehend aus Al2O3, TiO2, ZrO2, SiO2, ZnO, MgO, CeO2, TiN, BN und SiC ausgewählt sind.
- Es ist erfindungsgemäß, daß die oxidierbaren Bestandteile eine Größe von 2 nm bis 100 μm, vorzugsweise von 10 nm bis 5 μm, aufweisen.
- Schließlich ist es auch erfindungsgemäß, daß das Beschichtungsmaterial temperaturbeständige anorganische Festschmierstoffe aus der Gruppe bestehend aus Graphit, Molybdändisulfid, hexagonalem Bornitrid und Graphitfluorid enthält.
- Weiterhin ist es zweckmäßig, daß die reaktive Atmosphäre Gase, insbesondere Sauerstoff oder Chlor, enthält, die während des Sintervorgangs mit den oxidierbaren Partikeln reagieren.
- Während des Sinterprozesses reagieren die oxidierbaren Bestandteile mit den in der reaktiven Atmosphäre enthaltenen Gasen, wodurch eine Volumenvergrößerung der oxidierbaren Bestandteile hervorgerufen wird.
- Schließlich liegt auch die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf Substraten aus Metallen, Glas oder Keramik im Rahmen der Erfindung.
- Es liegt ebenfalls im Rahmen der Erfindung, das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Kratzfestschichten, Korrosionsschutzschichten, tribologischen Schichten oder katalytischen Schichten zu verwenden.
- Diese Beschichtungen können beispielsweise Anwendung finden in Kraftwerken, Verrohrungen, Motorteilen als Ofenbeschichtungen oder als Filtermaterialien. Es ist auch möglich, aus dem Beschichtungsmaterial Formkörper herzustellen.
- Die Vorteile der Erfindung bestehen im wesentlichen darin, daß Spannungen in dem Substrat aufgrund der Schwindung des Beschichtungsmaterials während des Brennens vermieden werden. Das Beschichtungsmaterial kann auch auf bereits beschichtete Substrate aufgebracht werden.
- Nachfolgend werden zwei nicht zur Erfindung gehörende Beispiele näher beschrieben.
- Beispiel 1:
- In 100 g einer Silikonharzlösung (Baysilone M 120 XB) werden 50 g Aluminiumpulver MEP 027 (Fa. Mepura) mit einem langsam laufenden Flügelrührer über Nacht eindispergiert. Zu dem Ansatz werden 50 g einer 40%igen Lösung des Polyacrylats Paraloid B 67 (Röhm und Haas) in p-Xylol zugegeben und homogen eingerührt. Zu dem Lackansatz wird 1 g Verlaufsadditiv Byk 360 (Fa. Byk Chemie) unter Rühren zugegeben.
- Der Lack wird mit einer Druckluft-Lackierpistole (Fa. Sata, Düse 1,4 mm) auf ein Stahlblech mit einer Naßfilmdicke von ca. 50 μm homogen aufgespritzt. Der Lackfilm wird zunächst 15 min bei 200°C vorgetrocknet und anschließend nochmals 30 min bei 800°C unter Luftatmosphäre gesintert. Man erhält eine chemikalienbeständige keramische Schutzschicht.
- Beispiel 2:
- Zu einer Mischung aus 178 g Methyltriethoxysilan (z. B. Dynasylan MTES, Fa. Degussa) und 50 g Glycidyloxypropyltriethoxysilan (Dynasylan Glyeo) werden 74 g 10%ige Essigsäure gegeben und über Nacht kräftig gerührt. Am folgenden Tag wird zu dem nun einphasigen Hydrolysat 25 g Eisen(II)-oxalat zugegeben und unter Rühren gelöst.
- Das Beschichtungsmaterial wird mit einer Rakel auf ein Stahlblech aufgetragen und zunächst 15 min bei 200°C vorgetrocknet und anschließend nochmals 30 min bei 800°C unter Luftatmosphäre gesintert. Man erhält eine chemikalienbeständige keramische Schutzschicht.
Claims (8)
- Verfahren zum Aufbringen eines Beschichtungsmaterials, das keramische und/oder glasartige Partikel enthält, auf ein Substrat, dadurch gekennzeichnet, • daß die keramischen Partikel eine Größe von 10 nm bis 2 μm aufweisen, • daß die keramischen Partikel mit oberflächenmodifiziert sind mit Silanen, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Methyltriethoxysilan (MTEOS), Tetraethoxysilan (TEOS) und Octylsilan, • daß das keramische Beschichtungsmaterial zwischen 10% und 90% oxidierbare Bestandteile in Form von Metallen oder Halbmetallen enthält, die während des Brennens zu vollständig nicht flüchtigen Oxidationsprodukten aufoxidieren, • wobei die Metalle aus der Gruppe bestehend aus Aluminium, Zink, Zinn, Bronze, Kupfer, Messing, Magnesium, Aluminium-Magnesium, Aluminium-Zink, Edelstahl, Silber, Gold, Platin, Chrom, Molybdän, Nickel, Eisen, Mangan, Cer, Kobalt, Zirkonium, Rhodium, Ruthenium, Wolfram und Lanthan ausgewählt sind, • und die Halbmetalle aus der Gruppe bestehend aus Silizium, Bor, Antimon, Arsen, Wismut, Germanium, Polonium, Selen und Tellur ausgewählt sind. • daß die keramischen und/oder glasartigen Partikel sowie die oxidierbaren Bestandteile in Wasser oder Alkohol dispergiert sind und • wobei das Beschichtungsmaterial nach dem Aufbringen auf das Substrat unter einer reaktiven Atmosphäre bei Temperaturen von 500 bis 1.500°C gesintert wird.
- Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die keramischen Partikel entweder aus einem Halbmetall und einem Nichtmetall oder aus einem Metall und einem Nichtmetall bestehen.
- Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die keramischen Partikel aus der Gruppe bestehend aus Al2O3, TiO2, ZrO2, SiO2, ZnO, MgO, CeO2, TiN, BN und SiC ausgewählt sind.
- Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die oxidierbaren Bestandteile eine Größe von 2 nm bis 100 μm, vorzugsweise von 10 nm bis 5 μm, aufweisen.
- Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Beschichtungsmaterial temperaturbeständige anorganische Festschmierstoffe aus der Gruppe bestehend aus Graphit, Molybdändisulfid, hexagonalem Bornitrid und Graphitfluorid enthält.
- Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die reaktive Atmosphäre Gase, insbesondere Sauerstoff oder Chlor, enthält, die während des Sintervorgangs mit den oxidierbaren Partikeln reagieren.
- Verwendung des Verfahrens gemäß den Ansprüchen 1 bis 6 auf Substraten aus Metallen, Glas oder Keramik.
- Verwendung des Verfahrens gemäß den Ansprüchen 1 bis 6 zum Herstellen von Kratzfestschichten, Korrosionsschutzschichten, tribologischen Schichten oder katalytischen Schichten.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
| 8181 | Inventor (new situation) |
Inventor name: SEPEUR, STEFAN, DR., 66787 WADGASSEN, DE Inventor name: FRENZER, GERALD, DR., 66130 SAARBRUECKEN, DE Inventor name: GOEDICKE, STEFAN, DR., 66540 NEUNKIRCHEN, DE |
|
| R016 | Response to examination communication | ||
| R016 | Response to examination communication | ||
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| R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
| R020 | Patent grant now final | ||
| R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |