DE102021004361A1 - Antimicrobial and photocatalytic glaze composition - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Glasurzusammensetzung mit antimikrobieller und photokatalytischer Wirkung zur Oberflächenveredelung eines keramischen Gegenstandes, welche wenigstens eine Siliciumverbindung, wenigstens eine Aluminiumverbindung, wenigstens eine Titanverbindung sowie wenigstens eine antimikrobielle Metallverbindung umfasst, wobei das Metall der wenigstens einen antimikrobiellen Metallverbindung ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Zink, Zinn, Kupfer, Calcium, Strontium, Lanthan, Cer, Eisen, Nickel, Vanadium, Molybdän und Wolfram. In der Glasurzusammensetzung ist das Gewichtsverhältnis von Aluminium zu Silicium größer als 0,3, der Anteil des Metalls der wenigstens einen antimikrobiellen Metallverbindung in der Glasurzusammensetzung beträgt höchstens 20 Gew.-% und eine wässrige Aufschlämmung der Glasurzusammensetzung hat einen pH-Wert, der nicht im neutralen Bereich liegt.
Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zum Beschichten eines keramischen Gegenstandes mit der antimikrobiell und photokatalytisch wirkenden Glasurzusammensetzung sowie einen gemäß dem Verfahren hergestellten beschichteten keramischen Gegenstand.
The invention relates to a glaze composition with an antimicrobial and photocatalytic effect for the surface finishing of a ceramic object, which comprises at least one silicon compound, at least one aluminum compound, at least one titanium compound and at least one antimicrobial metal compound, the metal of the at least one antimicrobial metal compound being selected from the group consisting of made of zinc, tin, copper, calcium, strontium, lanthanum, cerium, iron, nickel, vanadium, molybdenum and tungsten. In the glaze composition, the weight ratio of aluminum to silicon is greater than 0.3, the proportion of the metal of the at least one antimicrobial metal compound in the glaze composition is at most 20% by weight, and an aqueous slurry of the glaze composition has a pH value that is not neutral area.
The invention further relates to a method for coating a ceramic object with the antimicrobial and photocatalytic glaze composition and a coated ceramic object produced according to the method.
Description
Die Erfindung betrifft eine Glasurzusammensetzung, die zur Veredelung der Oberfläche eines keramischen Gegenstandes verwendet werden kann und der Oberfläche antimikrobielle und photokatalytische Eigenschaften verleiht. Bei dem keramischen Gegenstand kann es sich beispielsweise um eine Sanitärkeramik, Baukeramik oder Laborkeramik handeln, zum Beispiel einen Dachziegel, eine Fliese, ein Slab - also eine große Platte mit einer Kantenlänge von mindestens 1,5 m, die als solche verwendet wird oder in kleinere Stücke zerteilt werden kann -, eine Fassadenplatte, Schamotte, ein Kaminrohr, eine Küchenarbeitsplatte, eine Küchenspüle oder Ähnliches. Die Oberflächenveredelung kann an gebrannten, teilweise gebrannten oder ungebrannten keramischen Substraten wie keramischen Grünlingen, Ton oder Lehm sowie engobierten, glasierten oder unglasierten Substraten vorgenommen werden. Besonders eignet sich die Glasurzusammensetzung zur Oberflächenveredelung von Feinsteinzeug. Da dieses überwiegend nicht glasiert wird, weist seine Oberfläche eine hohe Schmutzempfindlichkeit auf, die mithilfe einer Oberflächenvergütung, auch als Oberflächenveredelung bezeichnet, reduziert werden soll.The invention relates to a glaze composition which can be used to finish the surface of a ceramic article and impart antimicrobial and photocatalytic properties to the surface. The ceramic object can be, for example, sanitary ceramics, building ceramics or laboratory ceramics, for example a roof tile, a tile, a slab - i.e. a large plate with an edge length of at least 1.5 m, which is used as such or in smaller ones can be divided into pieces - a facade panel, fireclay, a chimney pipe, a kitchen worktop, a kitchen sink or the like. Surface finishing can be carried out on fired, partially fired or unfired ceramic substrates such as green ceramic bodies, clay or loam, as well as engobed, glazed or unglazed substrates. The glaze composition is particularly suitable for the surface finishing of fine stoneware. Since this is mostly not glazed, its surface has a high sensitivity to dirt, which should be reduced with the help of a surface treatment, also known as surface refinement.
Bekannte Oberflächenveredelungen bestehen üblicherweise aus einer Mischung verschiedener Metalloxide, die entsprechend der Seger-Formel in solchen Mengen zueinander vorhanden sind, dass die Gesamtmischung einen neutralen pH-Wert aufweist. Um die gewünschten antimikrobiellen Eigenschaften zu erhalten, wird der Metalloxid-Mischung wenigstens eine antimikrobiell wirkende Metallverbindung wie beispielsweise Zinkoxid zugefügt. Eine derartige Zusammensetzung und die entsprechende Oberflächenveredelung sind beispielsweise in der
Wünschenswert sind dagegen Oberflächenveredelungen, die ausgeprägte antimikrobielle und photokatalytische Eigenschaften aufweisen, sehr dünn aufgetragen werden können und die optischen Eigenschaften der zu veredelnden Substratoberfläche möglichst nicht verändern. Aufgabe der Erfindung ist es entsprechend, eine Glasurzusammensetzung anzugeben, die einem damit behandelten keramischen Gegenstand eine Oberflächenveredelung mit ausgeprägten antimikrobiellen und photokatalytischen Eigenschaften verleiht, ohne die optischen Eigenschaften des keramischen Gegenstandes merklich zu verändern.On the other hand, surface finishes that have pronounced antimicrobial and photocatalytic properties, can be applied very thinly and do not change the optical properties of the substrate surface to be finished are desirable. The object of the invention is accordingly to specify a glaze composition which gives a ceramic object treated therewith a surface finish with pronounced antimicrobial and photocatalytic properties without noticeably changing the optical properties of the ceramic object.
Die Lösung dieser Aufgabe gelingt mit der Glasurzusammensetzung gemäß Anspruch 1 sowie dem keramischen Gegenstand nach Anspruch 14, welcher durch das Verfahren gemäß Anspruch 13 erhältlich ist, welches ebenfalls Teil der vorliegenden Erfindung ist. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen beschrieben.This object is achieved with the glaze composition according to claim 1 and the ceramic article according to claim 14 obtainable by the method according to claim 13, which also forms part of the present invention. Preferred developments are described in the respective dependent claims.
In einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung also eine Glasurzusammensetzung mit antimikrobieller und photokatalytischer Wirkung zur Oberflächenveredelung eines keramischen Gegenstandes, welche wenigstens eine Siliciumverbindung, wenigstens eine Aluminiumverbindung, wenigstens eine Titanverbindung sowie wenigstens eine antimikrobielle Metallverbindung umfasst, wobei das Metall der wenigstens einen antimikrobiellen Metallverbindung ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Zink, Zinn, Kupfer, Calcium, Strontium, Lanthan, Cer, Eisen, Nickel, Vanadium, Molybdän und Wolfram. Das Gewichtsverhältnis von Aluminium zu Silicium in der Glasurzusammensetzung ist dabei größer als 0,3, und der Anteil des Metalls der wenigstens einen antimikrobiellen Metallverbindung in der Glasurzusammensetzung beträgt höchstens 20 Gew.-%. Zudem liegt der pH-Wert einer wässrigen Aufschlämmung der Glasurzusammensetzung in einem nicht-neutralen Bereich, ist also entweder sauer (pH-Wert < 7) oder alkalisch (pH-Wert > 7).In a first aspect, the invention thus relates to a glaze composition with an antimicrobial and photocatalytic effect for the surface finishing of a ceramic object, which comprises at least one silicon compound, at least one aluminum compound, at least one titanium compound and at least one antimicrobial metal compound, the metal of the at least one antimicrobial metal compound being selected from the group consisting of zinc, tin, copper, calcium, strontium, lanthanum, cerium, iron, nickel, vanadium, molybdenum and tungsten. The weight ratio of aluminum to silicon in the glaze composition is greater than 0.3, and the proportion of the metal of the at least one antimicrobial metal compound in the glaze composition is at most 20% by weight. In addition, the pH of an aqueous slurry of the glaze composition is in a non-neutral range, i.e. it is either acidic (pH <7) or alkaline (pH >7).
Unter antimikrobiellen Eigenschaften werden im Rahmen der Erfindung insbesondere antibakterielle, antivirale, fungizide und algizide Eigenschaften verstanden. Eine antimikrobielle Metallverbindung bzw. ein antimikrobielles Metall bezeichnen vorliegend entsprechend Substanzen, die geeignet sind, einer unter ihrer Verwendung hergestellten Oberflächenveredelung antimikrobielle Eigenschaften zu verleihen. Unter einer photokatalytischen Wirkung wird in üblicher Weise eine Beeinflussung der Kinetik einer chemischen Reaktion unter dem Einfluss von Licht verstanden, beispielsweise um die chemische Reaktion in Gang zu setzen, zu beschleunigen und/oder in eine bestimmte Richtung zu lenken. Im Rahmen der Erfindung zielt die photokatalytische Wirkung hauptsächlich auf eine Zersetzung von Verschmutzungen und/oder Schadstoffen, insbesondere Luftschadstoffen, ab. Entsprechend ist im Rahmen der Erfindung unter einer photokatalytischen Wirkung eine katalytische Wirkung zu verstehen, die unter Einfluss von Licht stattfindet, und insbesondere die Zersetzung von Verschmutzungen und/oder (Luft)Schadstoffen unter Einfluss von Licht mithilfe wenigstens einer photokatalytischen Metallverbindung bzw. eines photokatalytischen Metalls. Letztere bezeichnen Substanzen, die in der Lage sind, eine photokatalytische Wirkung zu erzielen. Photokatalytische Wirkungen lassen sich auf im Stand der Technik bekannte Weise beispielsweise mittels eines Methylenblau-Tests nachweisen. Im Folgenden wird zur Vereinfachung die antimikrobielle Metallverbindung auch nur als „Metallverbindung“ bezeichnet. Die antimikrobiellen und photokatalytischen Eigenschaften werden unter „aktive Eigenschaften“ zusammengefasst.In the context of the invention, antimicrobial properties are understood to mean, in particular, antibacterial, antiviral, fungicidal and algicidal properties. In the present case, an antimicrobial metal compound or an antimicrobial metal refers to substances that are suitable for imparting antimicrobial properties to a surface finish produced using them. A photocatalytic effect is usually understood to mean influencing the kinetics of a chemical reaction under the influence of light, for example in order to start the chemical reaction, accelerate it and/or direct it in a specific direction. In the context of the invention, the photocatalytic action is mainly aimed at breaking down pollutants and/or pollutants, in particular air pollutants. According to the invention under a photocatalytic We kung to understand a catalytic effect that takes place under the influence of light, and in particular the decomposition of pollution and / or (air) pollutants under the influence of light using at least one photocatalytic metal compound or a photocatalytic metal. The latter refer to substances that are able to achieve a photocatalytic effect. Photocatalytic effects can be detected in a manner known in the prior art, for example by means of a methylene blue test. In the following, for the sake of simplicity, the antimicrobial metal compound is also simply referred to as “metal compound”. The antimicrobial and photocatalytic properties are summarized under "active properties".
Im Stand der Technik war es bislang üblich, Glasurzusammensetzung entsprechend der Seger-Formel aus drei Gruppen von Metalloxiden - den neutralen, der Basen- und der Säurenseite - so zusammenzustellen, dass die Gesamtzusammensetzung einen neutralen pH-Wert aufwies. Bei den der vorliegenden Erfindung zugrunde liegenden Untersuchungen hat sich jedoch überraschend gezeigt, dass erheblich bessere aktive Eigenschaften erzielt werden, wenn von diesem gebräuchlichen Vorgehen abgewichen und der pH-Wert der Glasurzusammensetzung durch entsprechende Auswahl der in der Glasurzusammensetzung enthaltenen Komponenten gezielt entweder in den alkalischen oder den sauren Bereich verschoben wird. Bevorzugt weicht der pH-Wert der wässrigen Aufschlämmung der erfindungsgemäßen Glasurzusammensetzung um wenigstens 0,2, bevorzugt wenigstens 0,3 oder 0,4 oder 0,5 oder 0,6 oder 0,7, insbesondere um wenigstens 0,8 oder 0,9 und besonders bevorzugt um mindestens 1,0 vom neutralen pH-Wert 7 ab. Der pH-Wert beträgt für den sauren Bereich also insbesondere weniger als 6,x oder 5,x oder 4,x und für den alkalischen Bereich insbesondere mehr als 8,x oder 9,x oder 10,x, wobei x jeweils 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 oder 9 sein kann.In the prior art, it has hitherto been customary to put together a glaze composition from three groups of metal oxides—the neutral, the base and the acid side—in accordance with the Seger formula so that the overall composition has a neutral pH. In the investigations on which the present invention is based, however, it has surprisingly been shown that significantly better active properties are achieved if this customary procedure is deviated from and the pH of the glaze composition is deliberately adjusted either in the alkaline or in the alkaline or is shifted to the acidic range. The pH of the aqueous suspension of the glaze composition according to the invention preferably deviates by at least 0.2, preferably at least 0.3 or 0.4 or 0.5 or 0.6 or 0.7, in particular by at least 0.8 or 0.9 and more preferably by at least 1.0 from neutral pH 7. The pH value is therefore in particular less than 6.x or 5.x or 4.x for the acidic range and more than 8.x or 9.x or 10.x for the alkaline range, where x is 0.1 in each case , 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 or 9.
Die Glasurzusammensetzung wird dabei so gewählt, dass der von pH 7 abweichende pH-Wert nicht nur in ihrer wässrigen Aufschlämmung vorliegt, sondern auch nach dem Brennen der Zusammensetzung weiterhin entweder im sauren oder im alkalischen Bereich liegt und entsprechend auch die mit der Glasurzusammensetzung veredelte Oberfläche des keramischen Gegenstandes einen wie vorstehend beschriebenen pH-Wert aufweist, der nicht im Neutralen liegt. Der pH-Wert der veredelten Oberfläche kann zum Beispiel mittels einer wässrigen Bromthymolblau-Lösung bestimmt werden, die zweckmäßig auf die veredelte Oberfläche des keramischen Gegenstandes aufgetragen wird. Bei neutralem pH-Wert ist die Bromthymolblau-Lösung bekanntermaßen grün, im sauren Bereich gelb und im alkalischen Bereich blau gefärbt.The glaze composition is selected in such a way that the pH value deviating from pH 7 is not only present in its aqueous suspension, but also remains either in the acidic or alkaline range after the composition has been fired and, accordingly, the surface of the glaze composition refined with it ceramic article has a pH value as described above which is not neutral. The pH of the finished surface can be determined, for example, using an aqueous bromothymol blue solution, which is suitably applied to the finished surface of the ceramic article. The bromothymol blue solution is known to be colored green at neutral pH, yellow in the acidic range, and blue in the alkaline range.
Von besonderer Bedeutung für die Herausbildung der positiven Eigenschaften der erfindungsgemäßen Glasurzusammensetzung ist nicht nur der pH-Wert, sondern auch das Gewichtsverhältnis von Aluminium zu Silicium, die in Form wenigstens einer Aluminiumverbindung und wenigstens einer Siliciumverbindung in der erfindungsgemäßen Glasurzusammensetzung vorhanden sind. Anders als im Stand der Technik üblich wird erfindungsgemäß ein auf die Metallatome bezogenes Gewichtsverhältnis definiert, da sich aus den umfangreichen Untersuchungen im Rahmen der Erfindung herausgestellt hat, dass es offenbar zur Erzielung einer guten antimikrobiellen und photokatalytischen Wirkung auf die Erzeugung geeigneter Mischkristall-Strukturen an der Oberfläche der Veredelungsschicht ankommt, für die wiederum ein bestimmtes Verhältnis von Aluminium zu Silicium nötig ist. Dieses Gewichtsverhältnis von Aluminium zu Silicium in der Glasurzusammensetzung liegt bei größer als 0,3. Dieses Gewichtsverhältnis liegt im Allgemeinen über demjenigen, das in herkömmlichen Glasurzusammensetzung zur Herstellung von Oberflächenveredelungen vorgefunden wird. Das heißt, der Anteil von Aluminium in Bezug auf Silicium ist in den erfindungsgemäßen Glasurzusammensetzungen im Allgemeinen höher als bei vergleichbaren Glasurzusammensetzungen des Standes der Technik. Geht man also von einer bekannten Glasurzusammensetzung aus, kann diese durch Zugabe einer Aluminiumverbindung sowie gegebenenfalls durch Zugabe weiterer Verbindungen zur Einstellung des pH-Werts und/oder einer antimikrobiellen Metallverbindung zu einer erfindungsgemäßen Glasurzusammensetzung modifiziert werden. Bevorzugt liegt das Gewichtsverhältnis von Aluminium zu Silicium in der erfindungsgemäßen Glasurzusammensetzung im Bereich von 0,3 bis 5,0, bevorzugt im Bereich von 0,3 bis 4,0 oder 0,3 bis 3,0 oder 0,3 bis 2,0, besonders bevorzugt bei 0,4 bis 1,2 oder 0,5 bis 1,2 oder 0,6 bis 1,2 oder 0,7 bis 1,2 und insbesondere bei 0,8 bis 1,2.Of particular importance for the development of the positive properties of the glaze composition according to the invention is not only the pH, but also the weight ratio of aluminum to silicon, which is present in the form of at least one aluminum compound and at least one silicon compound in the glaze composition according to the invention. In contrast to what is customary in the prior art, a weight ratio based on the metal atoms is defined according to the invention, since the extensive investigations carried out within the scope of the invention have shown that to achieve a good antimicrobial and photocatalytic effect on the production of suitable mixed crystal structures on the surface of the finishing layer, which in turn requires a certain ratio of aluminum to silicon. This weight ratio of aluminum to silicon in the glaze composition is greater than 0.3. This weight ratio is generally in excess of that found in conventional glaze compositions for making surface finishes. That is, the proportion of aluminum relative to silicon is generally higher in the glaze compositions of the present invention than comparable prior art glaze compositions. Thus, starting from a known glaze composition, this can be modified to a glaze composition according to the invention by adding an aluminum compound and optionally further compounds for adjusting the pH value and/or an antimicrobial metal compound. The weight ratio of aluminum to silicon in the glaze composition according to the invention is preferably in the range from 0.3 to 5.0, preferably in the range from 0.3 to 4.0 or 0.3 to 3.0 or 0.3 to 2.0 , particularly preferably at 0.4 to 1.2 or 0.5 to 1.2 or 0.6 to 1.2 or 0.7 to 1.2 and in particular at 0.8 to 1.2.
Der Anteil der antimikrobiellen Metallverbindung dagegen ist in der erfindungsgemäßen Glasurzusammensetzung vergleichsweise gering. Sie wird so zugesetzt, dass der Anteil des Metalls der antimikrobiellen Metallverbindung höchstens 20 Gewichtsprozent, bezogen auf die gesamte Glasurzusammensetzung, beträgt. Die BerechnungderGewichtsanteile der einzelnen Komponenten der Glasurzusammensetzung und entsprechend das Gesamtgewicht der Glasurzusammensetzung erfolgt dabei ohne Berücksichtigung etwaiger Lösemittel. Dies schließt selbstverständlich nicht aus, dass einzelne, mehrere oder auch alle Komponenten der Glasurzusammensetzung in gelöster oder suspendierter Form zugesetzt werden. Für die Berechnung der Gewichtsanteile wird in diesem Fall jedoch der Anteil des Lösemittels, in dem die zugesetzte Komponente gelöst oder suspendiert ist, in die Berechnung der Gewichtsanteile nicht einbezogen bzw. der Lösemittelanteil wird zur Berechnung des Gewichtsanteils der entsprechenden Komponente herausgerechnet.On the other hand, the proportion of the antimicrobial metal compound in the glaze composition according to the invention is comparatively small. It is added so that the metal content of the antimicrobial metal compound is at most 20% by weight based on the total glaze composition. The calculation of the proportions by weight of the individual components of the glaze composition and accordingly the total weight of the glaze composition is carried out without taking any solvents into account. Of course, this does not rule out that individual, several or even all components of the glaze composition are added in dissolved or suspended form. For the calculation In this case, however, the proportion of the solvent in which the added component is dissolved or suspended is not included in the calculation of the proportion by weight or the proportion of solvent is deducted from the calculation of the proportion by weight of the corresponding component.
Der vergleichsweise geringe Anteil der wenigstens einen antimikrobiellen Metallverbindung, nachfolgend auch nur als Metallverbindung bezeichnet, der zum Erzielen der antimikrobiellen Wirkung benötigt wird, ist nicht nur im Hinblick auf die reduzierten Kosten von Vorteil, sondern tatsächlich in der Regel auch eine Voraussetzung dafür, dass überhaupt eine ausreichende Wirkung erzielt wird. Die die Erfindung begleitenden Untersuchungen haben nämlich überraschend ergeben, dass gerade der im Stand der Technik verwendete hohe Anteil von antimikrobiellen Metallverbindungen dazu führt, dass die mit einer entsprechenden Glasurzusammensetzung vergütete Oberfläche eine vergleichsweise geringe antimikrobielle Wirkung aufweist. Die durchgeführten Untersuchungen legen nahe, dass die eingesetzten Metallverbindungen, wenn sie in größeren Mengen verwendet werden, in der Glasurzusammensetzung als Flussmittel wirken. Dies führt dazu, dass sie zusammen mit den anderen Komponenten der Glasurzusammensetzung aufschmelzen und in die sich bildenden glasartigen Schmelzen eingebettet werden. Dadurch liegen sie jedoch nicht mehr als aktive Komponenten an der Oberfläche der gebildeten Vergütung vor und verlieren ihre antimikrobielle Aktivität praktisch vollständig. Dieser Effekt tritt nach den durchgeführten Untersuchungen praktisch immer dann auf, wenn der Anteil des Metalls der antimikrobiellen Metallverbindung in der Glasurzusammensetzung über 20 Gewichtsprozent liegt. Entsprechend wird die antimikrobielle Metallverbindung in der erfindungsgemä-ßen Glasurzusammensetzung so zugefügt, dass der Anteil des antimikrobiellen Metalls höchstens 20 Gewichtsprozent der Glasurzusammensetzung beträgt. Bevorzugt liegt der Anteil des Metalls der antimikrobiellen Metallverbindung jedoch darunter und beträgt beispielsweise höchstens 19, 18, 17, 16, 15, 14, 13, 12, 11 oder 10 Gewichtsprozent, besonders bevorzugt weniger als 9 oder 8 Gewichtsprozent und insbesondere weniger als 7 oder 6 oder 5 Gewichtsprozent der gesamten Glasurzusammensetzung. Werden mehrere antimikrobielle Metallverbindungen eingesetzt, beziehen sich die Mengenangaben auf die Gesamtheit der Metalle aller antimikrobiellen Metallverbindungen.The comparatively small proportion of at least one antimicrobial metal compound, hereinafter also referred to simply as metal compound, which is required to achieve the antimicrobial effect is not only advantageous in terms of reduced costs, but actually usually also a prerequisite for that at all a sufficient effect is achieved. The investigations accompanying the invention surprisingly showed that precisely the high proportion of antimicrobial metal compounds used in the prior art means that the surface treated with a corresponding glaze composition has a comparatively low antimicrobial effect. The investigations carried out suggest that the metal compounds used, when used in larger amounts, act as fluxing agents in the glaze composition. As a result, they melt together with the other components of the glaze composition and become embedded in the vitreous melts that form. As a result, however, they are no longer present as active components on the surface of the coating formed and lose their antimicrobial activity almost completely. According to the investigations carried out, this effect practically always occurs when the proportion of the metal of the antimicrobial metal compound in the glaze composition is over 20 percent by weight. Accordingly, in the glaze composition of the present invention, the antimicrobial metal compound is added so that the proportion of the antimicrobial metal is at most 20% by weight of the glaze composition. However, the proportion of the metal in the antimicrobial metal compound is preferably lower and is, for example, at most 19, 18, 17, 16, 15, 14, 13, 12, 11 or 10 percent by weight, particularly preferably less than 9 or 8 percent by weight and in particular less than 7 or 6 or 5% by weight of the total glaze composition. If several antimicrobial metal compounds are used, the amounts given relate to the totality of the metals of all antimicrobial metal compounds.
Es wird vermutet, dass der Grund dafür, warum im Stand der Technik extrem hohe Anteile einer antimikrobiellen Metallverbindung wie Zinkoxid eingesetzt werden, darin zu sehen ist, dass der Anteil aufgrund der Einbindung der Metallverbindung in eine glasartige Schmelze immer weiter erhöht wurde, um überhaupt noch eine geringfügige antimikrobielle Wirkung zu erzielen, sodass der Anteil des Zinkoxids letztendlich bei über 35 Gewichtsprozent zu liegen kam. Diese extrem hohen Anteile an Zinkoxid schmelzen dann nicht mehr vollständig auf, sodass Zinkoxid-Partikel an der Oberfläche der Vergütung verbleiben. Dies führt allerdings zu den bereits erwähnten Nachteilen einer trüben und unter Umständen rauen Oberfläche, deren Aktivität zudem immer noch vergleichsweise gering ist. Wird in der erfindungsgemäßen Glasurzusammensetzung eine Zinkverbindung wie beispielsweise Zinkoxid eingesetzt, beträgt deren Anteil bevorzugt maximal 10 Gewichtsprozent, besonders bevorzugt weniger als 8 Gewichtsprozent und insbesondere 3 bis 7 Gewichtsprozent, der gesamten Glasurzusammensetzung.It is believed that the reason why extremely high proportions of an antimicrobial metal compound such as zinc oxide are used in the prior art is that the proportion has been continuously increased due to the incorporation of the metal compound into a vitreous melt to achieve a slight antimicrobial effect, so that the proportion of zinc oxide ended up being over 35 percent by weight. These extremely high proportions of zinc oxide then no longer melt completely, so that zinc oxide particles remain on the surface of the coating. However, this leads to the already mentioned disadvantages of a cloudy and possibly rough surface, the activity of which is still comparatively low. If a zinc compound such as zinc oxide is used in the glaze composition according to the invention, its proportion is preferably at most 10 percent by weight, particularly preferably less than 8 percent by weight and in particular 3 to 7 percent by weight of the entire glaze composition.
Die erfindungsgemäße Kombination der Merkmale eines geeigneten Verhältnisses von Aluminium zu Silicium, der Einstellung des pH-Werts derart, dass er nicht neutral ist, sowie einer geeigneten und vergleichsweise geringen Menge einer antimikrobiellen Metallverbindung in der Glasurzusammensetzung führt im Ergebnis dazu, dass die Metallverbindung beim Brennen der Glasurzusammensetzung ihre antimikrobielle Aktivität nicht einbüßt, sondern in aktiver Form an der Oberfläche der auf dem keramischen Gegenstand gebildeten Veredelungsschicht vorliegt. Wesentlich ist dabei, dass die Metallverbindung mit weiteren Komponenten der Glasurzusammensetzung keine glasartige Schmelze bildet und nicht in eine solche eingebettet wird. Vielmehr bilden sich an der Oberfläche der Veredelungsschicht Mischkristalle, in deren Kristallgitter Metallatome der wenigstens einen antimikrobiellen Metallverbindung eingebaut sind. Diese Mischkristallbildung ist nur bei gleichzeitiger Einhaltung der vorstehend beschriebenen Parameter möglich. Weder der hohe Anteil von Aluminium in der Glasurzusammensetzung noch die Einstellung des pH-Werts noch die geringe Menge des antimikrobiellen Metalls/der antimikrobiellen Metallverbindung jeweils für sich allein führen zur Bildung der gewünschten Mischkristalle und zu Oberflächenveredelungen mit den angestrebten optischen und aktiven Eigenschaften. Die gewünschte Mischkristallbildung kann durch geeignete Wahl der Komponenten der Glasurzusammensetzung gezielt gefördert werden. Die Auswahl erfolgt dabei insbesondere unter Berücksichtigung der Bedingungen, unter denen der Brennvorgang der Glasurzusammensetzung auf dem zu veredelnden keramischen Gegenstand erfolgen soll, insbesondere unter Berücksichtigung der Brenntemperatur und der Brennzeit. Zweckmäßig werden die Komponenten und insbesondere die antimikrobielle Metallverbindung so ausgewählt, dass sie bei der gewählten Brenntemperatur in der vorgegebenen Brennzeit eine Schmelze bilden, aus der eine Kristallisation und die Ausbildung der gewünschten Mischkristalle erfolgen kann.The inventive combination of the features of a suitable ratio of aluminum to silicon, the adjustment of the pH so that it is not neutral, and a suitable and comparatively small amount of an antimicrobial metal compound in the glaze composition has the result that the metal compound during firing the glaze composition does not lose its antimicrobial activity but is present in an active form on the surface of the finishing layer formed on the ceramic article. It is essential that the metal compound does not form a vitreous melt with other components of the glaze composition and is not embedded in such a melt. Rather, mixed crystals are formed on the surface of the finishing layer, in the crystal lattice of which metal atoms of the at least one antimicrobial metal compound are incorporated. This mixed crystal formation is only possible if the parameters described above are observed at the same time. Neither the high proportion of aluminum in the glaze composition nor the adjustment of the pH value nor the small amount of the antimicrobial metal/antimicrobial metal compound lead to the formation of the desired mixed crystals and surface finishes with the desired optical and active properties. The desired mixed crystal formation can be promoted in a targeted manner by a suitable choice of the components of the glaze composition. The selection is made in particular taking into account the conditions under which the firing process of the glaze composition is to take place on the ceramic object to be finished, in particular taking into account the firing temperature and the firing time. The components and in particular the antimicrobial metal compound are expediently selected in such a way that they form a melt at the selected firing temperature in the specified firing time, from which crystallization and the formation of the desired mixed crystals can take place.
Im Stand der Technik war es bislang üblich, Metallverbindungen und insbesondere auch das antimikrobielle Metall wie beispielsweise Zink in Form von niedrigschmelzenden Fritten der Glasurzusammensetzung zuzufügen. In diesen Fritten liegt das antimikrobielle Metall eingebettet in einem vorgeschmolzenen metallhaltigen Glas vor. Setzt man die antimikrobielle Metallverbindung ausschließlich in dieser Form ein, ist eine Ausbildung von Mischkristallen in der Oberflächenveredelung kaum mehr möglich, und es bilden sich so gut wie immer glasartige Schmelzen, in denen die antimikrobielle Metallverbindung ihre Aktivität vollständig verloren hat. Enthält die Glasurzusammensetzung dann noch weitere Flussmittel wie beispielsweise Alkali- oder Erdalkalimetall-Verbindungen, ist die Ausbildung von Mischkristallen so gut wie ausgeschlossen. Entsprechend ist es erfindungsgemäß nicht bevorzugt, die antimikrobielle Metallverbindung in Form einer Fritte zuzusetzen. Dies schließt jedoch den Einsatz von Fritten in der erfindungsgemäßen Glasurzusammensetzung nicht vollständig aus. Fritten können beispielsweise verwendet werden, um eine geeignete Viskosität in der Schmelze der Glasurzusammensetzung einzustellen, welche eine Kristallisation der gewünschten Mischkristalle aus der Schmelze ermöglicht. Außerdem ist es möglich und teilweise sogar vorteilhaft, Fritten, welche wenigstens ein antimikrobielles Metall enthalten, in der Glasurzusammensetzungzu verwenden, und es wurde beobachtet, dass sich die antimikrobielle Wirkung der Zusammensetzung dadurch sogar weiter verbessern lässt. Allerdings werden derartige Fritten bevorzugt nur zusätzlich zu einer nicht in Frittenform vorliegenden antimikrobiellen Metallverbindung eingesetzt. Von Vorteil können beispielsweise zinkhaltige Fritten in Kombination mit wenigstens einer zinkhaltigen Verbindung, die nicht in Form einer Fritte vorliegt, in der erfindungsgemäßen Glasurzusammensetzung verwendet werden. Mit zinkhaltigen Fritten allein lässt sich die gewünschte antimikrobielle Wirkung dagegen in der Regel nicht erreichen.In the prior art, it has hitherto been customary to add metal compounds and in particular also the antimicrobial metal such as zinc in the form of low-melting frits to the glaze composition. In these frits, the antimicrobial metal is embedded in a pre-melted metal-containing glass. If the antimicrobial metal compound is used exclusively in this form, the formation of mixed crystals in surface finishing is hardly possible, and glass-like melts are almost always formed in which the antimicrobial metal compound has completely lost its activity. If the glaze composition then contains other fluxes such as alkali or alkaline earth metal compounds, the formation of mixed crystals is virtually impossible. Accordingly, in the present invention, it is not preferable to add the antimicrobial metal compound in the form of a frit. However, this does not completely rule out the use of frits in the glaze composition according to the invention. Frits can be used, for example, to set a suitable viscosity in the melt of the glaze composition, which enables crystallization of the desired mixed crystals from the melt. In addition, it is possible and sometimes even advantageous to use frits containing at least one antimicrobial metal in the glaze composition, and it has been observed that the antimicrobial effect of the composition can thereby be even further improved. However, such frits are preferably used only in addition to an antimicrobial metal compound that is not present in the form of a frit. For example, frits containing zinc can advantageously be used in combination with at least one zinc-containing compound which is not in the form of a frit in the glaze composition according to the invention. On the other hand, the desired antimicrobial effect cannot usually be achieved with frits containing zinc alone.
Das Metall der erfindungsgemäß eingesetzten antimikrobiellen Metallverbindung ist ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Zink, Zinn, Kupfer, Calcium, Strontium, Lanthan, Cer, Eisen, Nickel, Vanadium, Molybdän und Wolfram. Unter diesen sind die Zinnverbindungen diejenigen, mit denen sich Glasurzusammensetzungen und Oberflächenveredelungen herstellen lassen, deren pH-Wert im sauren Bereich liegt. Als bevorzugte Zinnverbindungen werden Zinnoxid, Zinnhydroxid und Zinnchlorid oder beliebige Mischungen derselben eingesetzt. Zinnhydroxid und Zinnchlorid wandeln sich beim Brennen in Zinnoxid um und bilden wie Zinnoxid selbst zusammen mit anderen Bestandteilen der Glasurzusammensetzung oxidische - also sauerstoffhaltige - Mischkristalle, die sich an der Oberfläche der Oberflächenveredelung eines mit der Glasurzusammensetzung behandelten keramischen Gegenstandes anreichern und für eine hohe antimikrobielle Aktivität der veredelten Oberfläche sorgen. Die übrigen antimikrobiellen Metallverbindungen - also solche des Zinks, Kupfers, Calciums, Strontiums, Lanthans, Cers, Eisens, Nickels, Vanadiums, Molybdäns und Wolframs - eignen sich dagegen zur Herstellung basischer Glasurzusammensetzungen, die entsprechend zu veredelten Oberflächen mit alkalischem pH-Wert führen. Unter diesen sind Verbindungen von Zink, Strontium, Eisen, Kupfer und Nickel bevorzugt, wobei Zinkverbindungen erfindungsgemäß besonders bevorzugt sind. Kombinationen den genannten Metallverbindungen sind ebenfalls einsetzbar. Sehr gute Ergebnisse ergeben beispielsweise Kombinationen von Zink- und Strontium-Verbindungen. Selbst Zinnverbindungen können zur Bildung alkalischer Glasurzusammensetzungen herangezogen werden, wenn sie mit einer ausreichenden Menge alkalischer Komponenten kombiniert werden. Dies ist jedoch erfindungsgemäß nicht bevorzugt, auch weil Zinnverbindungen meist zu einer Trübung und damit zu einer optischen Beeinträchtigung der erhaltenen Oberflächenveredelung führen.The metal of the antimicrobial metal compound used according to the invention is selected from the group consisting of zinc, tin, copper, calcium, strontium, lanthanum, cerium, iron, nickel, vanadium, molybdenum and tungsten. Among these, the tin compounds are those that can be used to produce glazing compositions and surface finishes whose pH is in the acidic range. Tin oxide, tin hydroxide and tin chloride or any mixtures thereof are used as preferred tin compounds. Tin hydroxide and tin chloride are converted into tin oxide during firing and, like tin oxide itself, form oxidic - i.e. oxygen-containing - mixed crystals together with other components of the glaze composition, which accumulate on the surface of the surface finish of a ceramic object treated with the glaze composition and are responsible for a high antimicrobial activity of the provide a refined surface. The other antimicrobial metal compounds - i.e. those of zinc, copper, calcium, strontium, lanthanum, cerium, iron, nickel, vanadium, molybdenum and tungsten - are suitable for the production of basic glaze compositions, which lead to refined surfaces with an alkaline pH value. Among these, compounds of zinc, strontium, iron, copper and nickel are preferred, with zinc compounds being particularly preferred in the present invention. Combinations of the metal compounds mentioned can also be used. Combinations of zinc and strontium compounds, for example, produce very good results. Even tin compounds can be used to form alkaline glaze compositions when combined with a sufficient amount of alkaline components. However, this is not preferred according to the invention, also because tin compounds usually lead to clouding and thus to an optical impairment of the surface finish obtained.
Wenn der pH-Wert der wenigstens eine dieser Metallverbindungen enthaltenden Glasurzusammensetzung im alkalischen Bereich liegen soll, sind die Metallverbindungen bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Oxiden, Hydroxiden, Carbonaten, Nitraten, Sulfaten, Chloriden oder Mischungen derselben. Sulfate und Chloride werden vorzugsweise nur in Kombination mit anderen, von Natur aus basischen Metallverbindungen eingesetzt, um den pH-Wert der Glasurzusammensetzung sicher auf über 7 einstellen zu können. Erfindungsgemäß besonders bevorzugte Metallverbindungen sind Zinkoxid, Zinkhydroxid oder Zinkcarbonat sowie Mischungen derselben. Diese können, wie erwähnt, auch mit anderen antimikrobiellen Metallverbindungen kombiniert werden, wie beispielsweise solchen des Strontiums, insbesondere Strontiumhydroxid und/oder Strontiumcarbonat, welch letztere auch allein - ohne Zinkverbindungen - gute Ergebnisse liefern. Wie schon im Fall der Zinnverbindungen werden auch hier die nicht von Anfang an als Oxide vorliegenden Metallverbindungen während des Brennvorgangs in Oxide umgewandelt. Neben den ausdrücklich genannten Metallverbindungen können grundsätzlich auch andere Metallverbindungen verwendet werden, die sich beim Brennen in die entsprechenden Oxide umwandeln lassen, beispielsweise Oxalate. Aus den Oxiden bilden sich in Kombination mit Elementen der anderen Bestandteile der Glasurzusammensetzung während des Brennvorgangs oxidische Mischkristalle. Auch hier lässt sich feststellen, dass diese Mischkristalle sich an der Oberfläche der Veredelungsschicht anreichern, wo sie eine hohe antimikrobielle Wirkung entfalten.If the pH of the glaze composition containing at least one of these metal compounds is to be in the alkaline range, the metal compounds are preferably selected from the group consisting of oxides, hydroxides, carbonates, nitrates, sulfates, chlorides or mixtures thereof. Sulfates and chlorides are preferably only used in combination with other naturally basic metal compounds in order to be able to safely adjust the pH of the glaze composition to above 7. Metal compounds which are particularly preferred according to the invention are zinc oxide, zinc hydroxide or zinc carbonate and mixtures thereof. As mentioned, these can also be combined with other antimicrobial metal compounds, such as those of strontium, in particular strontium hydroxide and/or strontium carbonate, the latter also giving good results on their own—without zinc compounds. As in the case of the tin compounds, the metal compounds that are not initially present as oxides are converted into oxides during the firing process. In addition to the metal compounds expressly mentioned, it is also possible in principle to use other metal compounds which can be converted into the corresponding oxides during firing, for example oxalates. Oxidic mixed crystals are formed from the oxides in combination with elements of the other components of the glaze composition during the firing process. Here, too, it can be seen that these mixed crystals accumulate on the surface of the finishing layer, where they develop a high antimicrobial effect.
Ebenfalls möglich ist es, die Komponenten der Glasurzusammensetzung zumindest teilweise in Form von natürlich vorkommenden Gesteinen zuzusetzen. Diese werden vor der Zugabe zermahlen und in Pulverform zugefügt. Geeignet für die Verwendung in einer Glasurzusammensetzung mit basischem pH-Wert sind beispielsweise Carbonat-Mineralien. Zur Einstellung des gewünschten Aluminium-zu-Silicium-Verhältnisses werden bevorzugt Silicat-arme und/oder Aluminium-reiche Gesteine verwendet, die sich unter anderem unter magmatischen Gesteinen finden. Geeignete Beispiele sind Bentonit, Calcit, Diabas, Dolomit, Foidsyenit, Kaolin, Melilith, Montmorillonit, Mullit, Nephelin, Oliven, Plagioklas, Pyroxen und Syenit. Durch geeignete Auswahl der Mineralien und deren Gewichtsanteilen können - gegebenenfalls unter Ergänzung noch fehlender Anteile durch Hinzufügung reiner Einzelverbindungen - die erfindungsgemäß vorgegebenen Parameter pH-Wert, AI:Si-Verhältnis und Anteil der antimikrobiellen Metallverbindung eingestellt werden.It is also possible to add the components of the glaze composition at least partially in the form of naturally occurring rocks. These are ground up before addition and added in powder form. Carbonate minerals, for example, are suitable for use in a basic pH glaze composition. Rocks that are low in silicate and/or rocks that are rich in aluminum are preferably used to set the desired aluminum-to-silicon ratio, which can be found among other things among igneous rocks. Suitable examples are bentonite, calcite, diabase, dolomite, foil syenite, kaolin, melilite, montmorillonite, mullite, nepheline, olive, plagioclase, pyroxene and syenite. The parameters pH value, Al:Si ratio and proportion of the antimicrobial metal compound specified according to the invention can be adjusted by suitable selection of the minerals and their proportions by weight—if necessary by supplementing missing proportions by adding pure individual compounds.
Hinsichtlich der Zusammenstellung der Bestandteile der erfindungsgemäßen Glasurzusammensetzung hat es sich als vorteilhaft erwiesen, möglichst nur solche mit einem basischen pH-Wert auszuwählen, wenn eine Glasurzusammensetzung mit einem pH-Wert im alkalischen Bereich hergestellt werden soll, und - abgesehen von der erforderlichen Siliciumverbindung - saure und insbesondere stark saure Komponenten nach Möglichkeit zu vermeiden. Umgekehrt werden für eine Glasurzusammensetzung mit einem sauren pH-Wert möglichst nur solche Komponenten verwendet, die einen sauren pH-Wert besitzen, während alkalische und insbesondere stark alkalische Komponenten möglichst nicht verwendet werden - hier abgesehen von der erforderlichen wenigstens einen Aluminiumverbindung. Insofern weicht die Erfindung vom allgemein üblichen Vorgehen ab, bei dem entsprechend der Seger-Formel Komponenten aus den Gruppen basisch, neutral und sauer so zusammengestellt werden, dass sich ein pH-Wert im neutralen Bereich ergibt. Gerade dieses Abweichen von der üblichen Vorgehensweise führt jedoch den durchgeführten Untersuchungen nach erst zur Ausbildung der gewünschten Mischkristalle an der Oberfläche der Veredelungsschicht und damit zu den deutlich verbesserten antimikrobiellen und photokatalytischen Eigenschaften.With regard to the composition of the components of the glaze composition according to the invention, it has proven advantageous to select only those with a basic pH if a glaze composition with a pH in the alkaline range is to be produced, and - apart from the required silicon compound - acidic and in particular to avoid strongly acidic components as far as possible. Conversely, for a glaze composition with an acidic pH, if possible only those components are used which have an acidic pH, while alkaline and in particular strongly alkaline components are not used if possible - apart from the required at least one aluminum compound. In this respect, the invention deviates from the generally customary procedure in which, according to the Seger formula, components from the basic, neutral and acidic groups are put together in such a way that a pH value in the neutral range results. However, according to the investigations carried out, it is precisely this deviation from the usual procedure that leads to the formation of the desired mixed crystals on the surface of the finishing layer and thus to the significantly improved antimicrobial and photocatalytic properties.
Die in der erfindungsgemäßen Glasurzusammensetzung zwingend enthaltene wenigstens eine Aluminiumverbindung ist bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Aluminiumoxid, Aluminiumhydroxid, Aluminiumnitrat und Aluminiumalkoholaten. Letztere können ganz oder teilweise hydrolysiert sein. Der Alkoholrest ist bevorzugt ausgewählt aus aliphatischen gesättigten, verzweigten oder unverzweigten Alkoholresten mit 1 bis 8 und insbesondere 1 bis 4 Kohlenstoffatomen. Bevorzugte Beispiele sind Methanol, Ethanol, n-Propanol, Isopropanol, n-, sek.- oder tert.-Butanol oder Mischungen derselben. Besonders bevorzugt ist die Aluminiumverbindung ausgewählt aus Aluminiumoxid oder Aluminiumhydroxid. Die ebenfalls zwingend enthaltene wenigstens eine Siliciumverbindung ist zweckmäßig ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Fritten, Tonmineralen und Quarzmehl, wobei letzteres weniger bevorzugt ist.The at least one aluminum compound that must be contained in the glaze composition according to the invention is preferably selected from the group consisting of aluminum oxide, aluminum hydroxide, aluminum nitrate and aluminum alcoholates. The latter can be fully or partially hydrolyzed. The alcohol residue is preferably selected from aliphatic, saturated, branched or unbranched alcohol residues having 1 to 8 and in particular 1 to 4 carbon atoms. Preferred examples are methanol, ethanol, n-propanol, isopropanol, n-, sec- or tert-butanol or mixtures thereof. The aluminum compound is particularly preferably selected from aluminum oxide or aluminum hydroxide. The at least one silicon compound that must also be present is expediently selected from the group consisting of frits, clay minerals and quartz powder, with the latter being less preferred.
Grundsätzlich hat es sich in den durchgeführten Versuchen herausgestellt, dass der Einsatz von Verbindungen mit geringer Teilchengröße die Bildung der gewünschten Mischkristalle bei der Herstellung der Veredelungsschicht fördern kann. Entsprechend ist es bevorzugt, die festen Bestandteile der erfindungsgemäßen Glasurzusammensetzung in feinteiliger Form einzusetzen. Die Metallverbindung besitzt daher zweckmäßig einen mittleren Teilchendurchmesser D 50 von 1 nm bis 30 µm, bevorzugt 50 nm bis 500 nm, besonders bevorzugt von 50 nm bis 200 nm und insbesondere von 50 bis 100 nm. Im Falle der wenigstens einen Aluminiumverbindung wie Aluminiumoxid oder Aluminiumhydroxid weist diese vorzugsweise einen mittleren Teilchendurchmesser D 50 von 1 nm bis 30 µm und insbesondere von 1 bis 6 µm auf. Eine maximale Teilchengröße von 30 µm für die Aluminiumverbindung ist auch deshalb bevorzugt, weil bei größeren Teilchendurchmessern die Aluminiumverbindung unter den üblichen Brennbedingungen keine Eutektika mit anderen Bestandteilen der Glasurzusammensetzung mehr bildet. Durch die Bildung eines Eutektikums kann sich jedoch der Schmelzpunkt der Glasurzusammensetzung verringern, was wiederum Auswirkungen auf die Viskosität der Schmelze und damit auf die Fähigkeit zur Bildung der gewünschten Mischkristalle hat. Vor allem das Zusammenwirken von Aluminiumverbindungen wie Aluminiumoxid mit Zinkverbindungen wie Zinkoxid fördert die Mischkristallbildung.In principle, it has been found in the tests carried out that the use of compounds with a small particle size can promote the formation of the desired mixed crystals in the production of the finishing layer. Accordingly, it is preferred to use the solid components of the glaze composition according to the invention in finely divided form. The metal compound therefore expediently has an average particle diameter D 50 of 1 nm to 30 μm, preferably 50 nm to 500 nm, particularly preferably 50 nm to 200 nm and in particular 50 to 100 nm. In the case of the at least one aluminum compound such as aluminum oxide or aluminum hydroxide this preferably has an average particle diameter D 50 of 1 nm to 30 μm and in particular of 1 to 6 μm. A maximum particle size of 30 μm for the aluminum compound is also preferred because with larger particle diameters the aluminum compound no longer forms eutectics with other components of the glaze composition under the usual firing conditions. However, the formation of a eutectic can lower the melting point of the glaze composition, which in turn affects the viscosity of the melt and thus the ability to form the desired mixed crystals. Above all, the interaction of aluminum compounds such as aluminum oxide with zinc compounds such as zinc oxide promotes mixed crystal formation.
Wie bereits mehrfach erwähnt, ist die Bildung von Mischkristallen, in deren Kristallstruktur Metallatome der wenigstens einen antimikrobiellen Metallverbindung eingebaut sind, wichtig, um eine hohe photokatalytische und antimikrobielle Aktivität der aus der erfindungsgemäßen Glasurzusammensetzung hergestellten Oberflächenveredelung eines keramischen Gegenstandes zu erreichen. Die Kristallbildung kann durch geeignete Einstellung der Viskosität der während des Brennvorgangs gebildeten Schmelze gefördert werden. Eine an sich bekannte Möglichkeit der Einstellung der Viskosität der Schmelze besteht in der geeigneten Wahl der Konzentration der Schmelzphasenbildner bzw. Flussmittel in der Glasurzusammensetzung. Erwähnt wurde bereits, dass einige der als antimikrobielle Metallverbindungen eingesetzten Glasurkomponenten wie beispielsweise Zinkoxid in höheren Mengen von zum Beispiel mehr als etwa 8 und insbesondere mehr als 10 Gewichtsprozent selbst als Flussmittel wirken. Durch geeignete Wahl der Menge der wenigstens einen antimikrobiellen Metallverbindung kann deswegen in einigen Fällen erreicht werden, dass der Glasurzusammensetzung keine weiteren Flussmittel zugesetzt werden müssen. In anderen Fällen wird der Glasurzusammensetzung zusätzlich wenigstens ein Schmelzphasenbildner/Flussmittel zugefügt. Bevorzugte Schmelzphasenbildner/Flussmittel sind beispielsweise Alkali- und/oder Erdalkali-Verbindungen, da sich herausgestellt hat, dass sie zusätzlich auch die photokatalytische Wirkung der Oberflächenveredelung verbessern können. Dies wird darauf zurückgeführt, dass die Alkali- und Erdalkalimetalle, von denen Natrium, Kalium, Magnesium, Calcium und Barium bevorzugt sind, die Bildung der Mischkristalle fördern und selbst unter Bildung aktiver basischer Silicate in die Kristallstruktur eingebaut werden und dadurch eine erhöhte antimikrobielle und photokatalytische Aktivität hervorrufen.As already mentioned several times, the formation of mixed crystals, in whose crystal structure metal atoms of the at least one antimicrobial metal compound are incorporated, is important in order to achieve a high photocatalytic and antimicrobial activity of the surface finish of a ceramic object produced from the glaze composition according to the invention. Crystal formation can be promoted by suitably adjusting the viscosity of the melt formed during the firing process. A possibility of adjusting the viscosity of the melt, which is known per se, consists in a suitable choice of the concentration of the melt phase formers or fluxes in the glaze composition. It has already been mentioned that some of the glaze components used as antimicrobial metal compounds such as zinc oxide in higher amounts of, for example, more than about 8 and in particular more than 10% by weight itself acts as a flux. A suitable choice of the amount of the at least one antimicrobial metal compound can therefore in some cases mean that no further fluxes have to be added to the glaze composition. In other cases, at least one melt phase former/flow agent is additionally added to the glaze composition. Preferred melt-phase formers/fluxes are, for example, alkali metal and/or alkaline earth metal compounds, since it has been found that they can also improve the photocatalytic effect of surface finishing. This is attributed to the fact that the alkali and alkaline earth metals, of which sodium, potassium, magnesium, calcium and barium are preferred, promote the formation of the mixed crystals and are incorporated into the crystal structure themselves to form active basic silicates, thereby increasing the antimicrobial and photocatalytic properties evoke activity.
Welche dieser Schmelzphasenbildner/Flussmittel konkret eingesetzt werden, hängt unter anderem davon ab, ob eine Glasurzusammensetzung mit einem alkalischen oder einem sauren pH-Wert hergestellt werden soll. Wie bereits erwähnt, ist es bevorzugt, für saure Glasurzusammensetzungen nach Möglichkeit saure oder zumindest neutrale Komponenten zu verwenden, für alkalische Glasurzusammensetzungen dagegen vorzugsweise alkalische oder zumindest neutrale Komponenten. Infrage kommen beispielsweise Alkali- und/oder Erdalkalihalogenide, insbesondere -chloride. Im Falle einer basischen Glasurzusammensetzung sind geeignete basische Schmelzphasenbildner bzw. Flussmittel bevorzugt ausgewählt aus Alkali- oder Erdalkalioxiden, -hydroxiden, -carbonaten, -phosphaten, -silicaten oder -wolframaten. Auch Kombinationen von Schmelzphasenbildnern/Flussmitteln können verwendet werden. Die Menge, mit der der Schmelzphasenbildner/das Flussmittel der Glasurzusammensetzung zugefügt wird, wird - wie erwähnt - so gewählt, dass sich in der Schmelze der Glasurzusammensetzung bei der gewählten Brenntemperatur innerhalb der Brennzeit oxidische Mischkristalle bilden können, das Auflösen der antimikrobiellen Metallverbindung(en) in einer glasartigen Schmelze dagegen verhindert wird. Zu hohe Anteile an Schmelzphasenbildner/Flussmittel begünstigen eine solche unerwünschte Auflösung der antimikrobiellen Metallverbindung in der Glasmatrix. Geeignete Mengen des Schmelzphasenbildners/Flussmittels können durch einfache Versuche leicht ermittelt werden. Sie liegen üblicherweise bei maximal 40 Gew.-%, bevorzugt bei bis zu 30 Gew.-% und insbesondere bei maximal 20 Gew.-% oder höchstens 15 Gew.-%, bezogen auf die gesamte Glasurzusammensetzung. Glasurzusammensetzungen, die bei vergleichsweise niedriger Temperatur und/oder im Schnellbrand gebrannt werden sollen, benötigen dabei in der Regel einen höheren Anteil an Schmelzphasenbildnern/Flussmitteln als solche, die bei höherer Temperatur gebrannt werden.Which of these melt phase formers/fluxes are actually used depends, among other things, on whether a glaze composition with an alkaline or an acidic pH is to be produced. As already mentioned, it is preferable, if possible, to use acidic or at least neutral components for acidic glaze compositions, but preferably alkaline or at least neutral components for alkaline glaze compositions. For example, alkali metal and/or alkaline earth metal halides, in particular chlorides, are suitable. In the case of a basic glaze composition, suitable basic melt phase formers or fluxes are preferably selected from alkali metal or alkaline earth metal oxides, hydroxides, carbonates, phosphates, silicates or tungstates. Combinations of melt phase formers/fluxing agents can also be used. The quantity with which the melt phase former/the flux is added to the glaze composition is - as mentioned - selected in such a way that oxidic mixed crystals can form in the melt of the glaze composition at the selected firing temperature within the firing time, the dissolution of the antimicrobial metal compound(s) in a glassy melt, on the other hand, is prevented. Excessively high proportions of melt phase former/flux promote such an undesirable dissolution of the antimicrobial metal compound in the glass matrix. Appropriate amounts of melt phase former/fluxing agent can be readily determined by simple experimentation. They are usually at most 40% by weight, preferably up to 30% by weight and in particular at most 20% by weight or at most 15% by weight, based on the total glaze composition. Glaze compositions that are to be fired at a comparatively low temperature and/or in rapid firing generally require a higher proportion of melt phase formers/fluxes than those that are fired at a higher temperature.
Wie schon erwähnt, kann der Glasurzusammensetzung ebenfalls eine Fritte zugefügt werden. Dies kann alternativ oder zusätzlich zu der Zugabe des Schmelzphasenbildners erfolgen. Bevorzugt wird eine Fritte zugesetzt, welche das Metall der wenigstens einen antimikrobiellen Metallverbindung enthält. Die Fritte dient dann nicht nur der Einstellung der Viskosität der Schmelze, sondern ist auch geeignet, die antimikrobielle Wirkung der hergestellten Oberflächenveredelung zu verbessern. Üblicherweise wird die Fritte in einer Menge von bis zu 65 Gew.-%, insbesondere höchstens 60, 50, 40, 30 oder 25 Gew.-%, in der Glasurzusammensetzung enthalten sein. Auch hier kann die geeignete Menge durch einfache Versuche leicht ermittelt werden. In allen Fällen ist beim Hinzufügen weiterer Verbindungen darauf zu achten, dass sich das vorgegebene Verhältnis von Aluminium zu Silicium von größer als 0,3 durch die Zugabe nicht aus dem vorgegebenen Bereich heraus verschiebt.As already mentioned, a frit can also be added to the glaze composition. This can take place as an alternative to or in addition to the addition of the melt phase former. A frit containing the metal of the at least one antimicrobial metal compound is preferably added. The frit then serves not only to adjust the viscosity of the melt, but is also suitable for improving the antimicrobial effect of the surface finish produced. The frit will usually be present in the glaze composition in an amount of up to 65% by weight, in particular at most 60, 50, 40, 30 or 25% by weight. Here, too, the appropriate amount can easily be determined by simple experiments. In all cases, when adding further compounds, care must be taken to ensure that the specified ratio of aluminum to silicon of more than 0.3 is not shifted outside the specified range as a result of the addition.
Die Erfindung kann auch umgesetzt werden, indem aus dem Stand der Technik bekannte Glasurzusammensetzungen so modifiziert werden, dass sie die vorstehend beschriebenen Eigenschaften eines geeigneten Verhältnisses von Aluminium zu Silicium, einen nicht-neutralen pH-Wert und einen Anteil an Metall wenigstens einer antimikrobiellen Metallverbindung von höchstens 20 Gewichtsprozent aufweisen, sodass sie in die Lage versetzt werden, während des Brennvorgangs auf dem zu veredelnden keramischen Gegenstand die gewünschten Mischkristalle und damit eine hohe photokatalytische und antimikrobielle Aktivität auszubilden. Üblicherweise wird dies bedeuten, den Anteil an Aluminium durch Zugabe einer geeigneten Aluminiumverbindung wie beispielsweise Aluminiumoxid oder Aluminiumhydroxid zu erhöhen. Gleichzeitig wird auf diese Weise auch eine Verschiebung des pH-Werts in den alkalischen Bereich erreicht werden. Aluminiumverbindungen wie insbesondere Aluminiumoxid haben außerdem Einfluss auf die Viskosität der beim Brennen gebildeten Schmelze der Glasurzusammensetzung und verhindern ein zu frühes Schmelzen oder eine zu große Dünnflüssigkeit der Schmelze, in der eine Kristallisation und eine Bildung der gewünschten Mischkristalle nicht stattfinden kann. Der Anteil der antimikrobiellen Metallverbindung kann, falls erforderlich, durch Aufstockung der anderen Bestandteile der Glasurzusammensetzung reduziert werden, wobei mittels Bestandteilen wie Flussmitteln auch gleich eine geeignete Viskosität der Schmelze eingestellt werden kann, um die Bildung der Mischkristalle zu fördern, wenn dies erforderlich sein sollte.The invention may also be practiced by modifying glaze compositions known in the art to have the above-described properties of an appropriate aluminum to silicon ratio, a non-neutral pH, and a metal content of at least one antimicrobial metal compound of at most 20 percent by weight, so that they are able to form the desired mixed crystals and thus a high photocatalytic and antimicrobial activity on the ceramic object to be refined during the firing process. Usually this will mean increasing the proportion of aluminum by adding a suitable aluminum compound such as aluminum oxide or aluminum hydroxide. At the same time, a shift in the pH value into the alkaline range can also be achieved in this way. Aluminum compounds such as aluminum oxide in particular also have an influence on the viscosity of the melt of the glaze composition formed during firing and prevent the melt from melting too early or being too liquid, in which crystallization and formation of the desired mixed crystals cannot take place. If necessary, the proportion of the antimicrobial metal compound can be reduced by increasing the other components of the glaze composition, whereby a suitable viscosity of the melt can also be adjusted by means of components such as fluxes in order to promote the formation of the mixed crystals, if this should be necessary.
Je nach Auswahl der wenigstens einen antimikrobiellen Metallverbindung können die aktiven Eigenschaften der mithilfe der erfindungsgemäßen Glasurzusammensetzung erzeugten Oberflächenveredelungsschichten so eingestellt werden, dass die photokatalytischen oder die antimikrobiellen Eigenschaften überwiegen. Durch Verwendung von Calciumverbindungen werden die photokatalytischen Eigenschaften verstärkt, während Zinkverbindungen sowohl photokatalytische als auch antimikrobielle Eigenschaften hervorrufen. Neben Verbindungen des Zinks führen auch Verbindungen der Metalle Lanthan, Molybdän und Wolfram zu photokatalytischen Eigenschaften der mit den erfindungsgemäßen Glasurzusammensetzungen hergestellten Oberflächenveredelungen. Diese photokatalytischen Eigenschaften sind in einigen Fällen jedoch nicht ganz ausreichend, sodass erfindungsgemäß zusätzlich Verbindungen des Titans verwendet werden, um der Glasurzusammensetzung und der aus dieser hergestellten Oberflächenveredelung ausgeprägt photokatalytische Eigenschaften zu verleihen.Depending on the selection of the at least one antimicrobial metal compound, the active properties of the surface finishing layers produced using the glaze composition according to the invention can be adjusted in such a way that the photocatalytic or the antimicrobial properties predominate. The use of calcium compounds enhances the photocatalytic properties, while zinc compounds produce both photocatalytic and antimicrobial properties. In addition to zinc compounds, compounds of the metals lanthanum, molybdenum and tungsten also lead to photocatalytic properties of the surface finishes produced with the glaze compositions according to the invention. In some cases, however, these photocatalytic properties are not quite sufficient, so that, according to the invention, titanium compounds are additionally used in order to impart pronounced photocatalytic properties to the glaze composition and the surface finish produced from it.
Die Titanverbindung kann der Glasurzusammensetzung beispielsweise in Form von Titandioxid zugefügt werden. Dies führt jedoch in einigen Fällen zu einer milchigen Eintrübung der gebildeten Veredelungsschicht. Erfindungsgemäß ist es daher bevorzugt, die Titanverbindung in Form eines Titan-Alkoholats zuzugeben. Die Zugabe erfolgt üblicherweise in einem wässrigen oder alkoholischen Lösemittel, sodass das Titan-Alkoholat gegebenenfalls zumindest teilweise hydrolysiert vorliegt. Als alkoholische Lösemittel eignen sich grundsätzlich alle, die zur Lösung des gewählten Titan-Alkoholats geeignet sind. Bevorzugt sind aliphatische gesättigte, verzweigte oder unverzweigte Alkohole, vorzugsweise mit 1 bis 8 und insbesondere 1 bis 4 Kohlenstoffatomen. Besonders bevorzugt sind Methanol, Ethanol, n-Propanol, Isopropanol, n-, sek.- oder tert.-Butanol oder Mischungen derselben. Die alkoholischen Reste des Titan-Alkoholats leiten sich bevorzugt von den bereits als Lösemittel genannten Alkoholen ab. Bevorzugt wird eine einzige Titan-Alkoholatverbindung in der Zusammensetzung eingesetzt, es sind jedoch auch Gemische verschiedener Titan-Alkoholate im erfindungsgemäßen Verfahren verwendbar, insbesondere wenn nicht hydrolysierte, teilweise hydrolysierte und/oder vollständig hydrolysierte Titan-Alkoholate nebeneinander vorliegen. Um die gewünschte photokatalytische Aktivität zu erreichen, ist üblicherweise eine Menge der Titanverbindung von bis zu 5 Gew.-%, bezogen auf die gesamte Glasurzusammensetzung, ausreichend. Bevorzugt sind 0,01 bis 5 Gew.-%, insbesondere 0,05 bis 3 Gew.-%, besonders bevorzugt 0,05 bis 2,5 Gew.-%. Berechnet auf das Element Titan enthält die Glasurzusammensetzung bevorzugt 0,01 bis 4,5 Gew.-%, zweckmäßig 0,02 bis 3 Gew.-%, besonders bevorzugt 0,02 bis 2,5 Gew.-% und insbesondere 0,02 bis 2 Gew.-% Titan. Die Mengenberechnung erfolgt, wie eingangs erwähnt, ohne Berücksichtigung des Lösemittels. Das in der Glasurzusammensetzung enthaltene Titan wird während des Brennvorgangs in die Kristallstruktur der sich bildenden Mischkristalle integriert. Die außerordentlich guten photokatalytischen Eigenschaften der erfindungsgemä-ßen Veredelung werden erneut darauf zurückgeführt, dass das Titan wie die anderen aktiven Bestandteile in Form von Mischkristallen und nicht in Rutil- oder Anatasform an der Oberfläche der Veredelungsschicht angereichert vorliegt.The titanium compound can be added to the glaze composition, for example, in the form of titanium dioxide. In some cases, however, this leads to a milky clouding of the finish layer formed. According to the invention it is therefore preferred to add the titanium compound in the form of a titanium alcoholate. The addition usually takes place in an aqueous or alcoholic solvent, so that the titanium alcoholate is optionally present in at least partially hydrolyzed form. In principle, all suitable alcoholic solvents are those which are suitable for dissolving the selected titanium alcoholate. Aliphatic saturated, branched or unbranched alcohols, preferably having 1 to 8 and in particular 1 to 4 carbon atoms, are preferred. Methanol, ethanol, n-propanol, isopropanol, n-, sec- or tert-butanol or mixtures thereof are particularly preferred. The alcoholic residues of the titanium alcoholate are preferably derived from the alcohols already mentioned as solvents. A single titanium alcoholate compound is preferably used in the composition, but mixtures of different titanium alcoholates can also be used in the process according to the invention, particularly if non-hydrolyzed, partially hydrolyzed and/or completely hydrolyzed titanium alcoholates are present side by side. In order to achieve the desired photocatalytic activity, an amount of the titanium compound of up to 5% by weight, based on the total glaze composition, is usually sufficient. Preference is given to 0.01 to 5% by weight, in particular 0.05 to 3% by weight, particularly preferably 0.05 to 2.5% by weight. Calculated for the element titanium, the glaze composition contains preferably 0.01 to 4.5% by weight, expediently 0.02 to 3% by weight, particularly preferably 0.02 to 2.5% by weight and in particular 0.02% up to 2% by weight titanium. As mentioned at the beginning, the quantity is calculated without taking the solvent into account. The titanium contained in the glaze composition is integrated into the crystal structure of the mixed crystals that are formed during the firing process. The extraordinarily good photocatalytic properties of the refinement according to the invention are again attributed to the fact that the titanium, like the other active components, is present in the form of mixed crystals and not in rutile or anatase form and is enriched on the surface of the refinement layer.
Die Auftragung der erfindungsgemäßen Glasurzusammensetzung kann grundsätzlich auf jede im Stand der Technik bekannte Art und Weise erfolgen. Bevorzugt wird die Glasurzusammensetzung vor dem Aufbringen auf die zu veredelnde Substratoberfläche in einem geeigneten Lösemittel aufgeschlämmt. Bevorzugt sind wässrige Lösemittel wie Wasser-Alkohol-Gemische und insbesondere reines Wasser. Die Aufschlämmung kann in jeder geeigneten Weise auf die Substratoberfläche aufgetragen werden, beispielsweise durch Dampfzerstäuben, Schütten, Schleudern, Fluten, Tauchen, Walzen oder Drucken oder, was erfindungsgemäß bevorzugt ist, durch Aufsprühen. Durch das Aufsprühen können besonders gleichmäßige Auftragungen bei sehr geringer Schichtdicke erreicht werden. Wegen der hohen Aktivität der erfindungsgemäßen Glasurzusammensetzung sind bereits sehr geringe Schichtdicken ausreichend, und diese haben den Vorteil, dass sie optisch auf der Substratoberfläche nach dem Einbrennen praktisch nicht mehr sichtbar sind und entsprechend den visuellen Eindruck des Substrats nicht verändern. Das Sprühen kann beispielsweise mittels Airless- oder HVLP-Sprühen erfolgen. Das Airless-Sprühverfahren wird beispielsweise mit einer Membranpumpe und einem Druck von bis zu 300 kPa oder auch mit hohem Druck von bis zu 30.000 oder 40.000 kPa durchgeführt, wobei die Aufschlämmung ohne Einwirken eines Zerstäubungsmittels auf das Substrat aufgebracht wird. Im HVLP (High Velocity Low Pressure)-Verfahren liegt der Zerstäubungsdruck im Allgemeinen im Bereich von 700 bis 1300 kPa und insbesondere um 1000 kPa. Das grundsätzliche Vorgehen ist dem Fachmann bekannt. Da nur eine geringe Schichtdicke erzielt werden muss, ist in der Regel ein einziger Sprühvorgang ausreichend. Falls erforderlich, können jedoch auch mehrere Sprühvorgänge nacheinander ausgeführt werden.In principle, the glaze composition according to the invention can be applied in any manner known in the prior art. The glaze composition is preferably slurried in a suitable solvent before application to the substrate surface to be finished. Aqueous solvents such as water-alcohol mixtures and in particular pure water are preferred. The slurry can be applied to the substrate surface in any suitable manner, for example by steam atomization, pouring, spinning, flow-coating, dipping, rolling or printing or, which is preferred according to the invention, by spraying. By spraying, particularly even applications can be achieved with a very small layer thickness. Because of the high activity of the glaze composition according to the invention, very small layer thicknesses are already sufficient, and these have the advantage that they are practically no longer visible on the substrate surface after baking and accordingly do not change the visual impression of the substrate. The spraying can take place, for example, by means of airless or HVLP spraying. The airless spraying process is carried out, for example, with a membrane pump and a pressure of up to 300 kPa or also with high pressure of up to 30,000 or 40,000 kPa, the slurry being applied to the substrate without the action of an atomizing agent. In the HVLP (High Velocity Low Pressure) process, the atomization pressure is generally in the range of 700 to 1300 kPa and in particular around 1000 kPa. The basic procedure is known to those skilled in the art. Since only a small layer thickness has to be achieved, a single spraying process is usually sufficient. However, if necessary, several spraying processes can be carried out one after the other.
Der Auftrag erfolgt in der Regel auf einen noch nicht gebrannten keramischen Gegenstand (Grünling) oder auf einen vorgebrannten keramischen Gegenstand, beispielsweise nach einem Schrühbrand. Ebenfalls möglich ist eine Oberflächenveredelung eines bereits vollständig gebrannten keramischen Gegenstandes, was unter Kostengesichtspunkten jedoch nicht bevorzugt ist, da bei Auftrag auf einen Grünling oder einen vorgebrannten keramischen Gegenstand das Brennen des Gegenstandes und der Glasurzusammensetzung gleichzeitig und somit unter Einsparung von Energie erfolgen kann. Entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die auf die Oberfläche des zu veredelnden keramischen Gegenstandes aufgetragene Aufschlämmung der Glasurzusammensetzung dann gebrannt. Falls gewünscht, kann der Auftrag zuvor getrocknet werden, was in der Regel jedoch nicht erforderlich ist, da die geringen Mengen des wässrigen Lösemittels im Brennofen zu Beginn des Brennvorgangs sehr schnell verdampfen. Der Brennvorgang selbst erfolgt auf im Stand der Technik für Glasurzusammensetzungen übliche Weise und in der Regel bei einer Temperatur zwischen 650 und 1350 °C, bevorzugt bei 800 bis 1250 °C. Das Brennen der Glasurzusammensetzung kann sowohl im Kurzbrand als auch im Langbrand erfolgen, wobei die Dauer des Brandes beim Kurzbrand üblicherweise zwischen 0,5 und 5 Stunden liegt, beim Langbrand zwischen 5 und 40 Stunden.It is usually applied to a ceramic object that has not yet been fired (green compact) or to a pre-fired ceramic object, for example after biscuit firing. Also possible is a surface refinement of an already fully fired ceramic object, which is not preferred from the cost point of view, since when applied to a green body or a prefired ceramic article, the firing of the article and the glaze composition can be done simultaneously, thereby saving energy. In accordance with the method of the present invention, the glaze composition slurry applied to the surface of the ceramic article to be finished is then fired. If desired, the application can be dried beforehand, but this is not usually necessary since the small amounts of the aqueous solvent in the kiln evaporate very quickly at the beginning of the kiln process. The firing process itself takes place in the manner customary in the prior art for glaze compositions and generally at a temperature between 650 and 1350.degree. C., preferably at 800 to 1250.degree. The glaze composition can be fired both in short firing and in long firing, with the duration of firing usually being between 0.5 and 5 hours for short firing and between 5 and 40 hours for long firing.
Prinzipiell eignet sich die erfindungsgemäße Glasurzusammensetzungzur Veredelung praktisch jedes denkbaren keramischen Gegenstandes, dessen Oberfläche verbesserte Oberflächeneigenschaften verliehen werden sollen, sodass sie zum Beispiel Schutz vor aggressiven Umwelt- oder Chemikalieneinflüssen bietet, Wasser-, Schmutz- oder Kalk-abweisend oder leicht zu reinigen wird. Die Oberfläche kann vollständig oder nur partiell mit einer Oberflächenveredelung versehen werden. Die Oberflächenveredelung kann an gebrannten, teilweise gebrannten oder ungebrannten keramischen Substraten wie keramischen Grünlingen, Ton oder Lehm sowie engobierten, glasierten oder unglasierten Substraten vorgenommen werden. Geeignete keramische Substrate stammen aus dem Bereich der Sanitärkeramik, Baukeramik oder Laborkeramik. Konkrete Beispiele sind Dachziegel, Fliesen (sowohl für Boden als auch Wand), Slabs, Fassadenplatten, Schamotte, Kaminrohre, Küchenarbeitsplatten, Küchenspülen oder Ähnliches. Ein besonders bevorzugtes keramisches Substrat ist Feinsteinzeug, beispielsweise in Form von Wand- oder Bodenfliesen, das - wie die anderen beschichteten Keramikgegenstände auch - durch die erfindungsgemäße Oberflächenveredelungsschicht eine unempfindliche und insbesondere schmutzabweisende Oberfläche erhält, die aufgrund der photokatalytischen Eigenschaften auch selbstreinigend ist.In principle, the glaze composition according to the invention is suitable for finishing practically any conceivable ceramic object whose surface is to be given improved surface properties, so that it offers protection against aggressive environmental or chemical influences, becomes water, dirt or lime-repellent or easy to clean. The surface can be completely or only partially provided with a surface finish. Surface finishing can be carried out on fired, partially fired or unfired ceramic substrates such as green ceramic bodies, clay or loam, as well as engobed, glazed or unglazed substrates. Suitable ceramic substrates come from the field of sanitary ceramics, building ceramics or laboratory ceramics. Concrete examples are roof tiles, tiles (both for floors and walls), slabs, facade panels, fireclay, chimney pipes, kitchen worktops, kitchen sinks or the like. A particularly preferred ceramic substrate is fine stoneware, for example in the form of wall or floor tiles, which - like the other coated ceramic objects - is given a hard-wearing and, in particular, dirt-repellent surface thanks to the surface finishing layer according to the invention, which is also self-cleaning due to the photocatalytic properties.
Die antimikrobiellen und photokatalytischen Eigenschaften der mithilfe der erfindungsgemä-ßen Glasurzusammensetzung erzeugten Oberflächenveredelungsschicht beruhen maßgeblich auf der Bildung von Mischkristallen des Titans und/oder des Metalls der antimikrobiellen Metallverbindung mit Silicium und/oder Aluminium sowie Sauerstoff. Wurden der Glasurzusammensetzung auch Alkali- oder Erdalkalimetall-haltige Verbindungen als Schmelzphasenbildner bzw. Flussmittel zugesetzt, enthalten die gebildeten Mischkristalle zusätzlich auch noch die entsprechenden Alkali- oder Erdalkalimetallelemente im Kristallgitter. Handelt es sich bei der antimikrobiellen Metallverbindung um eine Zinkverbindung, entstehen Mischkristalle, die der Formel 2 ZnO · SiO2 entsprechen, wobei gegebenenfalls - abhängig von der Gesamtzusammensetzung der Glasurzusammensetzung - weitere Metallatome wie die bereits erwähnten Alkali- oder Erdalkalimetalle und/oder Titan mit in das Kristallgitter eingebaut sind. Dabei entstehen während des Brennvorgangs in der Regel Mischkristalle unterschiedlicher Zusammensetzung über die Oberflächenveredelungsschicht verteilt. Die Bildung einheitlicher und gleichartig zusammengesetzter Mischkristalle über die gesamte Oberfläche stellt eher die Ausnahme dar. Wenn das Metall der antimikrobiellen Metallverbindung Zink ist, bilden sich verschiedene Zink-Titan-Silicium-Aluminiumoxid-Kristalle und/oder Alkali/Erdalkali-Zink-Titan-Silicium-Aluminiumoxid-Kristalle. Alternativ oder zusätzlich werden auch Zink-Titan-Silicium-Aluminiumhydroxid-Kristalle und/oder Alkali/Erdalkali-Zink-Titan-Silicium-Aluminiumhydroxid-Kristalle gebildet.The antimicrobial and photocatalytic properties of the surface finishing layer produced using the glaze composition according to the invention are based primarily on the formation of mixed crystals of titanium and/or the metal of the antimicrobial metal compound with silicon and/or aluminum and oxygen. If alkali or alkaline earth metal-containing compounds were also added to the glaze composition as melt phase formers or fluxes, the mixed crystals formed also contain the corresponding alkali or alkaline earth metal elements in the crystal lattice. If the antimicrobial metal compound is a zinc compound, mixed crystals are formed that correspond to the formula 2 ZnO SiO 2 , with other metal atoms such as the alkali or alkaline earth metals already mentioned and/or titanium possibly being added - depending on the overall composition of the glaze composition the crystal lattice are built in. During the firing process, mixed crystals of different composition are usually formed, distributed over the surface finishing layer. The formation of uniform mixed crystals of the same composition over the entire surface is rather the exception. If the metal of the antimicrobial metal compound is zinc, various zinc-titanium-silicon-aluminium oxide crystals and/or alkali/alkaline earth zinc-titanium-silicon are formed -Alumina crystals. Alternatively or additionally, zinc titanium silicon aluminum hydroxide crystals and/or alkali/alkaline earth zinc titanium silicon aluminum hydroxide crystals are also formed.
Überraschend und für eine ausgeprägte antimikrobielle und photokatalytische Aktivität von Vorteil ist es, dass sich die Mischkristalle im Allgemeinen mit einem Konzentrationsgradienten der aktiven Metallelemente wie Zink und Titan ausbilden, wobei diese sich im Wesentlichen in einem Bereich konzentrieren, der zur Außenoberfläche der Schicht hin weist. In den tiefer liegenden Bereichen ab circa 1 µm Tiefe der Veredelungsschicht, nimmt die Konzentration der Metallatome dann ab. Damit liegen die photokatalytisch und/oder antimikrobiell aktiven Metallelemente in den Mischkristallen genau dort vor, wo sie ihre Aktivität entfalten sollen, nämlich an der äußersten Oberfläche des veredelten keramischen Gegenstandes. Als Ursache dieses Konzentrationsgradienten des aktiven Metalls wird vermutet, dass während des Brennvorgangs das Material an der Oberfläche des keramischen Gegenstandes mit Bestandteilen der Glasurzusammensetzung zunächst eine glasartige Schicht bildet. Eine dezidierte Schichtgrenze zwischen der Oberfläche des keramischen Gegenstandes und der Veredelungsschicht ist im veredelten keramischen Gegenstand kaum oder gar nicht mehr auszumachen. Aus dieser an der Oberfläche des keramischen Gegenstandes gebildeten glasartigen Schicht wachsen dann die aktiven Mischkristalle heraus und reichern sich während des Kristallisationsvorgangs mit dem aktiven Metall an. Die Höhe, mit welcher die Mischkristalle aus der glasartigen Schicht herauswachsen, liegt üblicherweise bei höchstens 100 µm, insbesondere bei höchstens 50 µm und überwiegend bei nicht mehr als 25 µm, gemessen senkrecht zur Oberfläche des keramischen Gegenstandes.It is surprising and advantageous for a pronounced antimicrobial and photocatalytic activity that the mixed crystals generally form with a concentration gradient of the active metal elements such as zinc and titanium, which are essentially concentrated in an area that points to the outer surface of the layer. The concentration of the metal atoms then decreases in the lower-lying areas from a depth of around 1 µm in the finishing layer. The photocatalytically and/or antimicrobially active metal elements are therefore present in the mixed crystals exactly where they are supposed to develop their activity, namely on the outermost surface of the finished ceramic object. The cause of this concentration gradient of the active metal is assumed to be that during the firing process the material on the surface of the ceramic object initially forms a vitreous layer with components of the glaze composition. A dedicated layer boundary between the surface of the ceramic object and the finishing layer can hardly or not at all be discerned in the finished ceramic object. The active mixed crystals then grow out of this vitreous layer formed on the surface of the ceramic object and are enriched with the active metal during the crystallization process. The height at which the mixed crystals grow out of the vitreous layer is usually at most 100 μm, in particular at most 50 μm and predominantly not more than 25 μm, measured perpendicularly to the surface of the ceramic object.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand einiger Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Die Ausführungsbeispiele beziehen sich lediglich auf einige bevorzugte Ausführungsvarianten der Erfindung, ohne dass die Erfindung auf diese beschränkt wäre. Sämtliche Prozentangaben sind, sofern nicht ausdrücklich anders angegeben, Gewichtsprozent.The invention will be explained in more detail below with reference to some exemplary embodiments. The exemplary embodiments relate only to a few preferred exemplary embodiments of the invention, without the invention being restricted to these. Unless expressly stated otherwise, all percentages are percentages by weight.
Beispiel 1 - Calciumhaltige aktive GlasurzusammensetzungExample 1 - Calcium Containing Active Glaze Composition
Ausgehend von einer calciumhaltigen Glasurzusammensetzung (Protecta) der folgenden Zusammensetzung:
- a) Mit Zink, Titan und Magnesium modifizierte Glasurzusammensetzung
- a) Glaze composition modified with zinc, titanium and magnesium
Die Glasurzusammensetzung a) wird nach Aufschlämmen in Wasser zur Oberflächenveredelung eines keramischen Gegenstandes auf dessen Oberfläche aufgetragen und ergibt nach dem Brennen eine Vergütung mit basischem pH-Wert (pH > 8, gemessen mit wässriger Bromthymolblau-Lösung) sowie antimikrobiellen und photokatalytischen Eigenschaften.After being slurried in water, the glaze composition a) is applied to the surface of a ceramic object to finish it and, after firing, results in a finish with a basic pH value (pH > 8, measured with an aqueous bromothymol blue solution) and antimicrobial and photocatalytic properties.
Beispiel 2 - Calciumhaltige aktive GlasurzusammensetzungExample 2 - Calcium Containing Active Glaze Composition
In diesem Beispiel einer weiteren calciumhaltigen Glasurzusammensetzung wird die antimikrobielle Metallverbindung in Form von Zinkcarbonat zugesetzt:
Das Zinkcarbonat wandelt sich während des Brennens in Zinkoxid um. Es bilden sich Oberflächen mit antimikrobiellen und photokatalytischen Eigenschaften.The zinc carbonate converts to zinc oxide during firing. Surfaces with antimicrobial and photocatalytic properties are formed.
Beispiel 3 - Barium- und calciumhaltige aktive GlasurzusammensetzungExample 3 - Barium and calcium containing active glaze composition
Ausgehend von einer barium- und calciumhaltigen Glasurzusammensetzung, die ebenfalls Zink in Form einer zinkhaltigen Fritte enthält und welche die folgenden Bestandteile aufweist:
Eine mittels dieser Glasurzusammensetzung hergestellte Oberflächenveredelung weist eine hohe antimikrobielle und photokatalytische Aktivität auf.A surface finish made using this glaze composition exhibits high antimicrobial and photocatalytic activity.
Beispiel 4 - Barium- und calciumhaltige aktive GlasurzusammensetzungExample 4 - Barium and calcium containing active glaze composition
Ausgehend von einer barium- und calciumhaltigen Glasurzusammensetzung, die Zink in Form einer zinkhaltigen Fritte sowie zusätzlich Magnesiumoxid enthält und welche die folgenden Bestandteile aufweist:
Die in den vorstehenden Beispielen genannten Komponenten der Glasurzusammensetzungen müssen nicht zwingend in Form der genannten Oxide zugefügt werden. Titan wurde in allen Beispielen in Form von Titanisopropoxid in Isopropanol/Wasser zugesetzt. Die eingesetzten Mengen (ohne Lösemittel) wurden in den Beispielen in die entsprechenden Mengen Titandioxid umgerechnet. Zudem können einzelne, mehrere oder alle der übrigen genannten Komponenten in Form anderer Metallverbindungen zugesetzt werden, die sich während des Brennvorgangs in die entsprechenden Oxide umwandeln können. Beispiele geeigneter Metallverbindungen wurden in der vorhergehenden Beschreibung bereits genannt wie insbesondere Carbonate, Halogenide, Hydroxide, Nitrate, Phosphate, Sulfate usw. Ebenfalls möglich ist es, die Komponenten der Glasurzusammensetzung zumindest teilweise in Form von natürlich vorkommenden und zuvor zu Pulvern zermahlenen Gesteinen zuzusetzen. Geeignet sind beispielsweise Carbonat-Gesteine sowie Silicat-arme und/oder Aluminium-reiche, insbesondere magmatische Gesteine wie Bentonit, Calcit, Diabas, Dolomit, Foidsyenit, Kaolin, Melilith, Montmorillonit, Mullit, Nephelin, Oliven, Plagioklas, Pyroxen und Syenit. Diese werden in solchen Mengen eingesetzt, dass bei Umrechnung in die Oxide die in den Beispielen angegebenen Prozentangaben erhalten werden.The components of the glaze compositions mentioned in the above examples do not necessarily have to be added in the form of the oxides mentioned. Titanium was added in all examples in the form of titanium isopropoxide in isopropanol/water. The amounts used (without solvent) were converted into the corresponding amounts of titanium dioxide in the examples. In addition, one, several or all of the other components mentioned can be added in the form of other metal compounds, which can be converted into the corresponding oxides during the firing process. Examples of suitable metal compounds have already been mentioned in the previous description, in particular carbonates, halides, hydroxides, nitrates, phosphates, sulfates, etc. It is also possible to add the components of the glaze composition at least partially in the form of naturally occurring rocks that have previously been ground into powders. For example, carbonate rocks and silicate-poor and/or aluminum-rich rocks, in particular igneous rocks such as bentonite, calcite, diabase, dolomite, foidsyenite, kaolin, melilite, montmorillonite, mullite, nepheline, olive, plagioclase, pyroxene and syenite are suitable. These are used in amounts such that conversion into the oxides gives the percentages given in the examples.
Beispiel 5 - Auftrag und Brennen der GlasurzusammensetzungenExample 5 - Application and Firing of the Glaze Compositions
Vor dem Auftragen werden die Glasurzusammensetzungen in Wasser aufgeschlämmt. Dabei werden etwa 0,2 bis 5,0, bevorzugt 0,4 bis 3,0, insbesondere 0,5 bis 1,8 Volumenanteile Wasser pro Volumenanteil Glasurzusammensetzung hinzugefügt.Before application, the glaze compositions are slurried in water. About 0.2 to 5.0, preferably 0.4 to 3.0, in particular 0.5 to 1.8 parts by volume of water are added per part by volume of glaze composition.
Ein auf eine im Stand der Technik übliche Weise hergestellter roher und ungebrannter Fliesengrünling wird so lange getrocknet, bis sein Wasseranteil maximal 1 bis 8 % beträgt. Anschließend erfolgt gegebenenfalls eine Dekoration und der Auftrag der erfindungsgemäßen aufgeschlämmten Glasurzusammensetzung auf den Fliesengrünling. Die Auftragung erfolgt in einer einzigen Schicht. Ein Mehrschichtauftrag ist möglich, aber - abgesehen von Sanitärglasuren - nicht bevorzugt, um eine möglichst dünne Schicht zu erhalten. Die Temperatur des Fliesengrünlings beträgt während des Auftrags 15 bis 150 °C, bevorzugt 40 bis 80 °C. Der Auftrag der aufgeschlämmten Glasurzusammensetzung erfolgt durch Sprühen entsprechend den nachfolgenden Parametern:
- Sprühen: Sprühdruck 100 - 1000 kPa, bevorzugt 400 - 700 kPa Nadel variabel, Durchmesser 0,3 bis 2,5 mm, bevorzugt 0,5 bis 1,5 mm
- Spraying: Spray pressure 100-1000 kPa, preferably 400-700 kPa Variable needle, diameter 0.3 to 2.5 mm, preferably 0.5 to 1.5 mm
Die Menge der Zusammensetzung beträgt 10 bis 350 g/m2, bevorzugt 150 bis 250 g/m2.The amount of the composition is 10 to 350 g/m 2 , preferably 150 to 250 g/m 2 .
Nach dem Aufbringen der Glasurzusammensetzung wird der Grünling optional nochmals getrocknet, wobei er dann auf eine Temperatur im Bereich von Raumtemperatur (20 °C) bis 300 °C, bevorzugt 35 bis 150 °C, erwärmt wird. Eine Trocknung und Erwärmung des Grünlings ist vor allem in solchen Fällen nicht erforderlich, in denen der Ofen zu Beginn der Ofenstrecke in der Aufheizzone eine Trockenzone besitzt. Der Grünling wird in erwärmtem Zustand oder alternativ bei Raumtemperatur in einen Ofen transportiert, um gebrannt zu werden. Der Brennvorgang erfolgt in an sich im Stand der Technik üblicher Weise, beispielsweise entsprechend einer der nachfolgenden Alternativen:
- Kurzbrand: Temperatur: 1050 °C bis 1280 °C, bevorzugt 1120 °C bis 1250 °C Zeit (Einfahrt bis Ausfahrt): 0,5 h bis 5 h, bevorzugt 0,5 h bis 2 h
- Langbrand: Temperatur: 1000 °C bis 1300 °C, bevorzugt 1100 °C bis 1250 °C Zeit (Einfahrt bis Ausfahrt): 10 h bis 40 h, bevorzugt 12 h bis 24 h
- Short firing: Temperature: 1050° C. to 1280° C., preferably 1120° C. to 1250° C. Time (entrance to exit): 0.5 h to 5 h, preferably 0.5 h to 2 h
- Long firing: Temperature: 1000° C. to 1300° C., preferably 1100° C. to 1250° C. Time (entrance to exit): 10 h to 40 h, preferably 12 h to 24 h
Nach Verlassen des Ofens ist die Fliese fertig und kann, gegebenenfalls nach Abkühlenlassen auf Raumtemperatur, verpackt werden. In allen beschriebenen Beispielen liegt die Höhe, mit der die Mischkristalle über die benachbarte Oberfläche vorstehen, bei unter 25 µm. Die Veredelungsschicht ist mit bloßem Auge nicht erkennbar und führt im Vergleich zu einer nicht veredelten Fliese zu keiner optischen Beeinträchtigung.After leaving the oven, the tile is ready and can be packaged, optionally after allowing it to cool to room temperature. In all the examples described, the height at which the mixed crystals protrude over the adjacent surface is less than 25 μm. The finishing layer is with bare Not visible to the eye and does not lead to any visual impairment compared to an unfinished tile.
Für einige erfindungsgemäß hergestellte Oberflächenveredelungsschichten wurden Elementanalysen der kristallinen Oberfläche mittels energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDRS, EDX) durchgeführt. Die Ergebnisse für die Glasuren A, B und C sind in der nachfolgenden Tabelle 1 zusammengefasst. Alle Glasuren weisen eine antimikrobielle und ausgeprägt photokatalytische Wirkung auf. Tabelle 1
Von den Außenoberflächen erfindungsgemäß hergestellter Oberflächenveredelungsschichten wurden Elektronenmikroskop-Aufnahmen angefertigt, welche als
-
1 eine herkömmliche bariumhaltige Glasur; -
2 ein weiteres Beispiel einer herkömmlichen bariumhaltigen Glasur; -
3 eine herkömmliche calciumhaltige Glasur; -
4 eine herkömmliche Sanitärglasur; -
5 eine erfindungsgemäße Oberflächenveredelung aus einer calciumhaltigen Glasurzusammensetzung mit Titanisopropoxid und Zinkoxid; -
6 eine erfindungsgemäße Oberflächenveredelung aus einer bariumhaltigen Glasurzusammensetzung mit Titanisopropoxid und Zinkcarbonat; -
7 eine Sanitärglasur aus einer erfindungsgemäßen Glasurzusammensetzung mit Titanisopropoxid und Zinkoxid; -
8 eine erfindungsgemäße Oberflächenveredelung aus einer bariumhaltigen Glasurzusammensetzung mit Titanisopropoxid und Zinkoxid; -
9 eine weitere erfindungsgemäße Oberflächenveredelung aus einer bariumhaltigen Glasurzusammensetzung mit Titanisopropoxid und Zinkoxid; -
10 eine weitere erfindungsgemäße Oberflächenveredelung aus einer bariumhaltigen Glasurzusammensetzung mit Titanisopropoxid und Zinkoxid; -
11 eine weitere erfindungsgemäße Oberflächenveredelung aus einer bariumhaltigen Glasurzusammensetzung mit Titanisopropoxid und Zinkoxid; -
12 eine erfindungsgemäße Oberflächenveredelung aus einer bariumhaltigen Glasurzusammensetzung mit Titanisopropoxid, Zinkoxid und Strontiumcarbonat sowie -
13 eine erfindungsgemäße Oberflächenveredelung aus einer bariumhaltigen Glasurzusammensetzung mit Titanisopropoxid, Zinkoxid und Lithiumwolframat.
-
1 a conventional barium glaze; -
2 another example of a conventional barium-containing glaze; -
3 a conventional calcium-containing glaze; -
4 a conventional sanitary glaze; -
5 a surface finish according to the invention from a calcium-containing glaze composition with titanium isopropoxide and zinc oxide; -
6 a surface finish according to the invention from a barium-containing glaze composition with titanium isopropoxide and zinc carbonate; -
7 a sanitary glaze made from a glaze composition according to the invention with titanium isopropoxide and zinc oxide; -
8th a surface finish according to the invention of a barium-containing glaze composition with titanium isopropoxide and zinc oxide; -
9 a further surface finish according to the invention from a barium-containing glaze composition with titanium isopropoxide and zinc oxide; -
10 a further surface finish according to the invention from a barium-containing glaze composition with titanium isopropoxide and zinc oxide; -
11 a further surface finish according to the invention from a barium-containing glaze composition with titanium isopropoxide and zinc oxide; -
12 an inventive surface treatment of a barium-containing glaze composition with titanium isopropoxide, zinc oxide and strontium carbonate and -
13 a surface finish according to the invention from a barium-containing glaze composition with titanium isopropoxide, zinc oxide and lithium tungstate.
Bei den Aufnahmen fällt auf den ersten Blick auf, dass die Oberflächenstruktur der herkömmlichen Oberflächenvergütungen sehr glatt ist. Im Unterschied dazu zeigen die Aufnahmen der erfindungsgemäßen Oberflächenveredelungen eine starke Kristallisierung, die durch die erfindungsgemäß gebildeten Mischkristalle verursacht ist. Bei diesen Mischkristallen handelt es sich um Strukturen der Formel 2 ZnO · SiO2 sowie weitere sauerstoffhaltige Kristalle, die neben Silicium, Titan und Zink die weiteren in der Glasurzusammensetzung enthaltenden Metalle in das Kristallgitter inkorporiert enthalten. Insbesondere handelt es sich dabei um Zink-Titan-Silicium-Aluminiumoxid-Kristalle, Alkali/Erdalkali-Zink-Titan-Silicium-Aluminiumoxid-Kristalle, Zink-Titan-Silicium-Aluminiumhydroxid-Kristalle und/oder Alkali/Erdalkali-Zink-Titan-Silicium-Aluminiumhydroxid-Kristalle. Im Allgemeinen liegen Mischkristalle unterschiedlicher Zusammensetzungen über die veredelte Oberfläche verteilt nebeneinander vor. Diese strukturierten und ausdifferenzierten Oberflächen werden für die herausragenden antimikrobiellen und photokatalytischen Eigenschaften der Oberflächenveredelung erfindungsgemä-ßer keramischer Gegenstände verantwortlich gemacht.The first thing you notice when looking at the pictures is that the surface structure of conventional surface finishes is very smooth. In contrast to this, the photographs of the surface finishes according to the invention show a strong crystallization which is caused by the mixed crystals formed according to the invention. These mixed crystals are structures of the formula 2ZnO.SiO 2 and other oxygen-containing crystals which, in addition to silicon, titanium and zinc, contain the other metals contained in the glaze composition incorporated into the crystal lattice. In particular, these are zinc titanium silicon aluminum oxide crystals, alkali/alkaline earth zinc titanium silicon aluminum oxide crystals, zinc titanium silicon aluminum hydroxide crystals and/or alkali/alkaline earth zinc titanium Silicon Aluminum Hydroxide Crystals. In general, mixed crystals of different compositions are distributed side by side over the finished surface. These structured and differentiated surfaces are held responsible for the outstanding antimicrobial and photocatalytic properties of the surface finishing of ceramic objects according to the invention.
Im Einzelnen zeigt
Alle Oberflächenveredelungen weisen neben antimikrobiellen auch photokatalytische Eigenschaften auf. In allen Fällen sind die in den
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