DE20101170U1 - Anordnung zur Vor-Ort-Erzeugung einer Lotuseffekt-Beschichtung - Google Patents
Anordnung zur Vor-Ort-Erzeugung einer Lotuseffekt-BeschichtungInfo
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Description
Meissner, Bolte & Partner
Anwaltssozietät GbR
Postfach 860624
81633 München
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Advanced Photonics 23. Januar 2001
Technologies AG M/IND-068-DE/G
Bruckmühler Str. 27 MB/BO/HZ/hk
83052 Bruckmühl-Heufeld
Bundesrepublik Deutschland
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Anordnung zur Vor-Ort-Erzeugung einer Lotuseffekt-Beschichtung
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Vor-Ort-Erzeugung einer flüssigkeits- und ablagerungsabweisenden Lotuseffekt-Beschichtung auf einem montierten Bauteil.
Die Beschichtung der Oberflächen von Bauelementen, die die Außenhaut von Gebäuden, Fahrzeugen, Flugzeugen, Schiffen oder auch Maschinen und Anlagen bilden, dient in vielen Fällen primär dem Zweck, die entsprechenden Teile relativ unempfindlich gegen Umgebungseinflüsse zu machen. Insbesondere soll die korrodierende Wirkung von sich an den Oberflächen niederschlagender Flüssigkeit und von Luftverschmutzungen unterbunden oder zumindest reduziert werden.
Zu diesem Zweck versucht man auch seit langem, möglichst glatte, porenfreie Beschichtungen zu erzeugen, an denen Flüssigkeiten gut ablaufen und in die Verschmutzungen schlecht eindringen können. Die Unterbindung der Ablagerung ist nämlich bekanntermaßen eine der vorteilhaftesten Maßregeln zur Verhinderung schädlicher Wirkungen der genannten Stoffe. Hierin besteht eine der wesentlichen Ursachen für die große Verbreitung und wirtschaftliche Bedeutung von Chrom- oder Emailleüberzügen.
; I I ; rJ: \anraeldgm\indO68be.doc
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Seit einigen Jahren sind Beschichtungen mit einer speziellen MikroStruktur bekannt, durch die auch für Chrom- oder Emailleüberzüge oder ähnliche Beschichtungen ungeeignete Oberflächen beispielsweise die Oberflächen keramischer Bauteile, von Ziegeln oder Dachziegeln oder Putzflächen - in hohem Maße flüssigkeits- und ablagerungsabweisend gemacht werden können. Im Hinblick auf den als „Lotus-Effekt" bezeichneten Effekt derartiger lackartiger Beschichtungen spricht man hier auch von Lotuseffekt-Beschichtungen .
Es handelt sich hierbei- im wesentlichen um thermisch vernetzende polymere Systeme, die zur Vernetzung bzw. Aushärtung einer Wärmebehandlung von normalerweise oberhalb von ca. 2000C unterzogen werden müssen. (Spezielle Systeme mit diesem Effekt enthalten sogenannte "Nanoteilchen", d. h. kleinste Partikel mit Durchmessern im Nanometerbereich.) Der Einsatz von solchen Systemen ist daher bislang auf die Herstellung neuer Bauelemente beschränkt, in die das Aufbringen und die Aushärtung der Lotuseffekt-Beschichtung von vornherein in den Produktionsprozeß einbezogen wird.
Für die nachträgliche Beschichtung von Oberflächen, die aus nicht (oder nicht hinreichend) flüssigkeits- bzw. ablagerungsabweisenden Bauteilen aufgebaut sind und die beispielsweise gegen Luftverschmutzungen oder Schmierereien unempfindlicher gemacht werden sollen, stehen bislang nur weniger geeignete Systeme zur Verfügung, die keiner thermischen Vernetzung bei höheren Temperaturen bedürfen.
0 Der Erfindung liegt daher die Aufgabe der Bereitstellung einer Anordnung zur Vor-Ort-Erzeugung einer flüssigkeits- und ablagerungsabweisenden, thermisch vernetzten Lotuseffekt-Beschichtung auf einem montierten Bauteil, insbesondere eines Gebäudes, oder Land-, Wasser- oder Luftfahrzeuges, zugrunde, welche zu tragbaren Kosten im großem Umfang praktisch einsetzbar ist.
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Diese Aufgabe wird durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Die Erfindung schließt den grundlegenden Gedanken ein, zur thermischen Vernetzung eines Beschichtungs-Ausgangsmaterials die Oberfläche des entsprechenden Bauteils kurzzeitig einem Strahlungsfeld auszusetzen, dessen Strahlung einen wesentlichen Wirkanteil im Bereich des nahen Infrarot hat. Es handelt sich hierbei insbesondere um Strahlung im Wellenlängenbereich zwischen 0,8 &mgr;&pgr;&igr; und 1,5 pm, welche für an sich bekannte, thermisch vernetzende Lotuseffekt-Systeme als Anregungsstrahlung für die Polymerbildung bzw. -vernetzung hochwirksam ist und sehr geringe Behandlungszeiten erlaubt.
Die zu beschichtenden Bauteile werden hierdurch thermisch nur wenig beansprucht, so daß ihre Behandlung auch im eingebauten Zustand (in dem thermische Spannungen und andere Effekte einer hochgradigen und länger dauernden Erwärmung nur schwer vorherseh- und kontrollierbar sind) möglich ist.
In einer ersten praktisch bedeutsamen Anwendungsvariante der Erfindung handelt es sich bei den Bauteilen um in eine Gebäudekonstruktion fest eingefügte keramische Bauelemente, insbesondere Wand- oder Bodenfliesen. Es besteht ein dringender Bedarf, derartige Bauteile insbesondere im öffentlichen Bereich (beispielsweise als Wandverkleidungen von Gebäudefassaden oder Innenraum-Wandflächen oder Unterführungen oder im Sanitärbereich oder als Bodenbeläge) unempfindlicher gegen Verschmutzung und Schmierereien („Graffiti") zu machen. Zu diesem Anwendungsgebiet zählen auch Bauelemente aus gebranntem Ton, insbesondere in deren Einsatz als Bodenbelags- oder Wandverkleidungselemente, aber auch als Dachziegel.
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Ein Abbruch der aus unbehandelten Bauteilen hergestellten Oberflächen ist in all diesen Anwendungsfeldern meist wirtschaftlich unvertretbar. Die bei unbehandelten Bauteilen nötigen häufigen Reinigungsarbeiten stellen aber für die Eigentümer ebenfalls eine hohe wirtschaftliche Belastung dar.
Dies gilt in ähnlicher Weise auch für Verglasungen von Gebäuden oder Fahrzeugen und nicht-keramische (z. B. metallische oder aus Kunststoff gefertigte) Konstruktionselemente von Wand- bzw. Deckenaufbauten oder Fahrzeug-Außenhüllen. In diesem Zusammenhang ist insbesondere an den Schutz der Aufbauten und Verglasung von öffentlichen Verkehrsmitteln in den Großstädten vor schneller Verschmutzung und Schmierereien, aber auch an bebrauchswerterhöhende Beschichtungen von Flugzeug- oder Schiffsaußenhäuten zu denken.
Wand- bzw. Deckenverkleidungen oder Bodenbeläge aus Kunststoff oder Holz, die sich von aggressiven Verschmutzungen oder Sprühlacken nur sehr schwer und oftmals überhaupt nicht reinigen lassen, werden durch eine mit dem vorgeschlagenen Verfahren vor Ort aufgebrachte Beschichtung weitgehend unempfindlich gegen derartige Ablagerungen und behalten im normalen Einsatz wesentlich länger ein angenehmes Erscheinungsbild. Speziell bei solchen temperaturempfindlichen Materialien kommt zudem die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erreichte geringe thermische Belastung des Trägers höchst vorteilhaft zur Geltung.
Dies gilt in ähnlicher Weise für Sitzbezüge aus Kunststoff, Leder oder lederartigem Material oder - unter bestimmten Voraus-Setzungen - auch für textile Sitzbezüge, die im öffentlichen Bereich oder öffentlichen Verkehrsmitteln bevorzugtes Objekt von Schmierereien sind. Derartige Sitzbezüge sind thermisch relativ empfindlich, so daß ein Aufbringen thermisch vernetzender Beschichtungen bei Einsatz herkömmlicher thermischer Vernetzungsverfahren praktisch ausschiede, zum anderen sind sie aber
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ohne zusätzlichen Schutz vor Verschmutzung durch Sprühlacke nur schwer zu reinigen.
Die Aufbringung des Beschichtungs-Ausgangsmaterials auf die zu schützenden eingebauten Bauteile erfolgt in Abhängigkeit von der konkreten Einstellung des Beschichtungssystems einerseits und der Beschaffenheit und Anordnung des Beschichtungsträgers andererseits insbesondere als Flüssiglack, gegebenenfalls aber auch als pastöse Masse mit einem an sich bekannten Auftragverfahren1, insbesondere durch Aufsprühen, Aufstreichen oder Aufwalzen.
Die vorgeschlagene Anordnung umfaßt demnach eine Beschichtungs-Auftragvorrichtung, insbesondere mit einem Sprühbeschichter, Bürstenbeschichter oder Walzenbeschichter. Gegebenenfalls können aber auch andere zum Vor-Ort-Einsatz geeignete Beschichtungsmittel bzw. -einrichtungen zum Einsatz kommen - bis hin zu einfachen Pinseln oder Rakeln im Handwerksbereich.
Je nach Oberflächenbeschaffenheit und Verschmutzungsgrad der Bauteiloberfläche wird eine haftungsverbessernde Vorbehandlung, insbesondere durch Aufrauhen, Anschleifen, Anätzen oder Aufbringung eines Haftvermittlers (Primers), zweckmäßig sein. Eine entsprechend ausgebildete Vorrichtung umfaßt demnach ein entsprechendes Werkzeug. Zum Auftragen eines Ätzmittels oder Primers umfaßt die Anordnung wieder bevorzugt eine der im vorigen Absatz erwähnten Auftragvorrichtungen, ansonsten insbesondere eine Schleifscheibe oder -platte oder Drahtbürste, insbesondere mit einer elektrischen Antriebseinheit.
Es versteht sich aber, daß eine solche Vorbehandlung kostenerhöhend wirkt und daher nach Möglichkeit darauf verzichtet werden sollte. Dies erscheint insbesondere dann als möglich, wenn durch die nachfolgende thermische Behandlung eine gewisse Erwärmung der äußersten Oberflächenschicht des Bauteils bis zu
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einem Grade erreicht wird, das diese auch ohne haftungsverbessernde Vorbehandlung eine innige Verbindung mit der benachbarten Grenzschicht des Lotuseffekt-Systems eingeht.
Das Strahlungsfeld wird in bewährter und kostengünstiger Weise bevorzugt durch mindestens eine Halogenlampe - fallweise durch eine Anordnung mit einer Mehrzahl von Halogenlampen - mit einer Strahlertemperatur oberhalb von 2900 K, bevorzugt oberhalb von 3200 K, erzeugt. Die Anordnung umfaßt demnach eine derartige Halogenlampe (speziell auch mehrere Halogenlampen) mit einer Stromversorgungseinrichtung, welche durch Einstellung einer angemessenen Spannung die erwähnten Strahlertemperaturen der Lampe erzeugt.
Die Strahlung dieser Strahlungsquelle(n) wird zweckmäßigerweise auf das zu behandelnde Bauteil bzw. die Bauteilanordnung konzentriert bzw. fokussiert, um im Interesse einer möglichst kurzen Behandlungsdauer und einer geringen thermischen Gesamtbelastung des Trägers hohe Leistungsdichten zu erzielen.
Demgemäß ist der Halogenlampe bzw. den Halogenlampen zweckmäßigerweise ein hochwirksamer Reflektor zugeordnet. Dessen Querschnittsgeometrie ist für die meisten Anwendungen annähernd parabolisch oder für eine stabförmige Halogenlampe besser W-förmig, womit auf der dem Reflektor abgewandten Seite ein relativ großflächiges Strahlungsfeld mit hoher Leistungsdichte erzeugt wird. Für spezielle Anwendungen, bei denen die Behandlung kleiner oder langgestreckter Teile (beispielsweise bestimmter Armaturen) eine feinere Fokussierung der NIR-Strahlung erforderlich macht, ist ein teil-elliptischer Querschnitt des Reflektors jedoch bevorzugt.
Die Leistungsdichten liegen bevorzugt oberhalb von 100 kW/m2, besser oberhalb von 300 kW/m2 und für viele Fälle in vorteilhafter Weise sogar bei 500 kW/m2 oder mehr. Derartige Leis-
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tungsdichten sind durch eine Anordnung aus mehreren zusammenwirkenden, insbesondere parallel zueinander angeordneten, langgestreckten Halogenlampen mit zugeordneten hochwirksamen Reflektoren durchaus zu erreichen.
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Sie ermöglichen Bestrahlungsdauern von weniger als 10 s, bevorzugt von weniger als 5 s, und insbesondere für temperaturempfindliche Träger von 2 s oder weniger. Die konkrete Bestrahlungszeit wird dabei im Falle einer ganzflächigen Bestrahlung der zu1 behandelnden Fläche durch Ein- und Ausschalten der Strahlungsquelle(n) gesteuert, bei abtastender Bestrahlung einer größeren Fläche durch eine Steuereinrichtung zur Einstellung der Geschwindigkeit der Abtastbewegung oder eine entsprechende manuelle Handhabung.
Für viele Einsatzfälle wird das Verfahren mit einer mobilen Bestrahlungsanordnung auszuführen sein, die beispielsweise längs einer aus den zu behandelnden Bauteilen gebildeten Wand-, Boden- oder Deckenfläche entlanggeführt wird. Für andere Anwen-.
düngen, beispielsweise die Behandlung der Außenhaut von Verkehrsmitteln, sind stationäre Anordnungen realisierbar, durch die das entsprechende Fahrzeug mit angemessener Geschwindigkeit hindurchbewegt wird. Die Lotuseffekt-Behandlung kleinerer Objekte oder Flächen erfolgt bevorzugt mit einem handgeführten NIR-Strahler.
Für spezielle Beschichtungssysteme kann das Vorsehen eines weiteren Strahlungsfeldes in einem anderen Spektralbereich, insbesondere im Ultraviolett-Bereich, zur Förderung der Vernetzung bzw. Aushärtung der Beschichtungs-Ausgangskomponenten sinnvoll sein. Die Anordnung umfaßt demnach hierbei eine zweite Strahlungsquelle, insbesondere einen UV-Strahler, die ebenfalls auf die beschichtete Fläche ausgerichtet bzw. abtastend über diese geführt wird. Auch diese Strahlungsquelle hat zweckmäßigerweise
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einen Reflektor zur Konzentrierung der Strahlung auf den zu behandelnden Träger.
In einer hinsichtlich der Qualitätssicherung und Prozeßsicherheit bevorzugten Verfahrensführung wird mindestens ein Prozeßparameter, insbesondere der Abstand zwischen der Bestrahlungsanordnung und der Oberfläche des Bauteils oder die Temperatur auf dieser, gemessen und dem Bediener der Bestrahlungsanordnung angezeigt. Dieser kann dann den Abstand bzw. die Temperatur vorgegebenen Werten nachführen und gegebenenfalls die elektrische Leistung und damit die Strahlungsleistung der Bestrahlungsanordnung verändern.
Die entsprechend ausgeführte Anordnung umfaßt also eine, insbesondere berührungslos arbeitende, Abstands- und/oder Temperaturmeßeinrichtung (speziell einen Ultraschall-Abstandsfühler bzw. ein Pyrometer).
Für Routineabläufe ist auch eine geregelte Verfahrensführung vorteilhaft möglich, wobei auch hier die Oberflächentemperatur eine sinnvolle Führungsgröße darstellt. Eine hierfür ausgebildete Anordnung umfaßt eine Prozeßregelstufe, die eingangsseitig mit dem oder den Meßfühler(n) verbunden ist und die die Bestrahlung aufgrund vorgegebener Sollwerte selbsttätig steuert. 25
Mindestens für spezielle Anwendungen ist auch eine Kühlung und/ oder Abführung von flüchtigen Bestandteilen des Beschichtungs-Ausgangsmaterials von der zu beschichtenden Oberfläche des Bauteils durch einen an dieser entlanggeführten Gasstrom (insbesondere Luftstrom) sinnvoll. Alternativ hierzu oder in Kombination hiermit können speziell zu beschichtende Bauteile mit geringer Dicke auch von der Rückseite her durch einen Gasstrom gekühlt werden. Eine entsprechend ausgebildete Anordnung umfaßt also eine Gasstrom-Erzeugungseinrichtung, die einen (speziell
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unter einem kleinen Winkel) auf das Bauteil gerichteten und im Einwirkungsbereich möglichst homogenen Gasstrom erzeugt.
Für Standardanwendungen wird man aber mit Blick auf den deutlieh geringeren technischen Aufwand eine Verfahrensführung ohne Fluidkühlung bzw. aktive Abführung von Lösungsmittelkomponenten des Beschichtungssystems vorziehen.
Die Ausführung der Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Anwendungsbeispiele und Verfahrensaspekte beschränkt, sondern ebenso für eine Vielzahl anderer Einsatzfälle und Materialien sowie mit entsprechend modifizierten Verfahrensführungen möglich.
Claims (10)
1. Anordnung zur Vor-Ort-Erzeugung einer flüssigkeits- und ablagerungsabweisenden, thermisch vernetzten Lotuseffekt-Beschichtung auf einem montierten Bauteil, insbesondere eines Gebäudes oder Land-, Wasser- oder Luftfahrzeuges, gekennzeichnet durch eine einen wesentlichen Wirkanteil im Bereich des nahen Infrarot, insbesondere im Wellenlängenbereich zwischen 0,8 µm und 1,5 µm, aufweisende Bestrahlungsanordnung, deren Strahlungsfeld ein Beschichtungs-Ausgangsmaterial auf einer Oberfläche des Bauteils kurzzeitig ausgesetzt wird, wodurch das Beschichtungs-Ausgangsmaterial zur Lotuseffekt-Beschichtung vernetzt bzw. aushärtet.
2. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Beschichtungs-Auftragvorrichtung, insbesondere einen Sprühbeschichter, Bürstenbeschichter oder Walzenbeschichter, womit des Beschichtungs-Ausgangsmaterials in Form eines Flüssiglackes oder einer pastösen Masse auf die Oberfläche des Bauteils aufgetragen wird.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Vorbehandlungseinrichtung, insbesondere zum Aufrauhen, Anschleifen, Anätzen oder Primern, mittels derer die Oberfläche des Bauteils vor dem Auftragen des Beschichtungs-Ausgangsmaterials einer haftungsverbessernden Vorbehandlung unterzogen wird.
4. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestrahlungsanordnung mindestens eine Halogenlampe mit einer Strahlertemperatur oberhalb von 2900 K, bevorzugt oberhalb von 3200 K, aufweist und auf der Oberfläche des Beschichtungs-Ausgangsmaterials eine Leistungsdichte von mehr als 100 kW/m2, bevorzugt von mehr als 300 kW/m2 und insbesondere von 500 kW/m2 oder mehr, erzeugt.
5. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Mittel zur Einstellung einer Bestrahlungsdauer derart, daß das Beschichtungs-Ausgangsmaterial dem Strahlungsfeld für eine Zeitdauer von weniger als 10 s, bevorzugt weniger als 5 s und insbesondere 2 s oder weniger, ausgesetzt wird.
6. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere Bestrahlungsanordnung vorgesehen ist, mittels derer das Beschichtungs-Ausgangsmaterial in Verbindung mit der Bestrahlung im Bereich des nahen Infrarot einem weiteren Strahlungsfeld in einem anderen Spektralbereich, insbesondere im Ultraviolett-Bereich, zur Vernetzung bzw. Aushärtung ausgesetzt wird.
7. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens eine Meßeinrichtung mittels derer mindestens ein Prozeßparameter, insbesondere der Abstand der Bestrahlungsanordnung zur Oberfläche des Bauteils oder die Temperatur auf dieser, gemessen wird.
8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung ein Pyrometerelement zur berührungslosen Temperaturmessung aufweist.
9. Anordnung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung einen Ultraschallsensor zur berührungslosen Abstandsmessung aufweist.
10. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Gasstrom-Erzeugungseinrichtung zur Erzeugung eines auf die Oberfläche des Beschichtungs-Ausgangsmaterials und/oder die rückseitige Oberfläche des Bauteils gerichteten und diese überstreichenden Gasstromes, insbesondere Luftstromes, zur Kühlung und/oder Abführung von flüchtigen Bestandteiles des Beschichtungs-Ausgangsmaterials.
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