Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Antihaftbeschichtung auf einem Substrat, eine Antihaftbeschichtung auf einem Substrat und die verwendung einer Antihaftbeschichtung.
Antihaftbeschichtungen werden in verschiedenen Zusammensetzungen und einem großen Spektrum von Verwendungen vorgeschlagen. Die
Die Verwendung von Antihaftbeschichtungen im Bereich der medizinaltechnischen Prothesen offenbart die
PTFE-basierende Antihaftbeschichtungen sind auch aus der
Die
In der
Die
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer Antihaftbeschichtung und eine Antihaftbeschichtung sowie deren Verwendung vorzusehen, wobei die Antihaftbeschichtung hochwirksam auch gegen ein Anhaften besonders klebfähiger Klebstoffe geeignet ist, die insbesondere auf ein breites Spektrum von Substratmaterialien applizierbar ist.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1, 10, 24 bzw. 25 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Gemäß Anspruch 1 wird ein Verfahren zur Herstellung einer hochwirksamen Antihaftbeschichtung auf einem Substrat bereitgestellt, bei dem zunächst auf das Substrat eine Primerschicht aufgebracht wird, die Einlagerungen in Pulver- bzw. Kornform aufweist. Die Korngröße der Einlagerungen liegt vorzugsweise in einem Bereich von 5 bis 70 µm, vorzugsweise von 10 bis 50 µm oder 10 bis 40 µm. Vorzugsweise erstreckt sich die Korngrößenverteilung innerhalb dieser Bereiche mit einer Halbwertsbreite von ≤ 15 µm, vorzugsweise von ≤ 5 µm. Die engere Verteilung der Korngröße begünstigt dann die Antihafteigenschaften in Abhängigkeit von dem Medium, das mit der beschichteten Oberfläche in Kontakt kommt. Durch diese Primerschicht wird eine Strukturierung der späteren Oberfläche aufgeprägt, die die Antihaftwirkung der mit dem Medium in direkten Kontakt stehenden Oberfläche besonders verstärkt. Die Haupteigenschaft der Primerschicht kann sich dabei auf die Funktion konzentrieren, die Pulver- bzw. Korneinlagerungen in einer vernetzten Matrix mechanisch zu stabilisieren und eine gute Haftwirkung gegenüber dem Substrat zu erzielen.
Die maximal verwendete Temperatur für alle bei der Beschichtung verwendeten thermischen Behandlungen liegt unter den angegebenen Temperaturen bzw. Temperaturbereichen. Beispielsweise ist die maximale Behandlungstemperatur maximal 300°C, vorzugsweise maximal 250°C oder 230°C.
Auf die zumindest eine Primerschicht wird anschließend eine Deckschicht aufgebracht, die als Funktionsschicht wirkt. Diese verleiht der Gesamtbeschichtung die für die Berührung mit dem kontaktierenden Medium notwendige Eigenschaft. Neben der Antihafteigenschaft der Deckschicht als Funktionsschicht sind dies Eigenschaften wie kratzfest, abriebfest, chemisch resistent, temperaturbeständig und/oder ätzfest. Es ist daher nicht notwendig, dass die Primerschicht bereits diese Eigenschaft selbst aufweist.
Zumindest nach dem Aufbringen der zumindest einen Deckschicht wird eine thermische Behandlung zur Stabilisierung der Antihaftbeschichtung bzw. der Deckschicht durchgeführt.
Versuche mit der Beschichtung haben ergeben, dass diese einen hochwirksamen Antihafteffekt hat, der die Beschichtung besonders für die Verarbeitung von Heißkleber, Powerkleberetiketten und -Bänder einsetzbar macht.
Die thermische Behandlung der zumindest einen Deckschicht erfolgt vorzugsweise in einem Temperaturbereich von 120 bis 300°C vorzugsweise im engeren Temperaturbereich von 200 bis 230°C. Als besonders geeignet hat sich ein Temperaturbereich von 230 bis 250°C erwiesen. Eine thermische Behandlung bzw. ein Sintern in diesem Temperaturbereich ermöglicht auch die Beschichtung von ansonsten temperaturempfindlichen Kunststoffsubstraten, so dass sich ein erheblich erweiterter Einsatzbereich der Beschichtung ergibt, indem beispielsweise Formwerkzeuge, Walzen, Etikettierwalzen, Umlenkwalzen, Rollen, Zufuhrrinnen und andere Maschinenbauteile damit beschichtbar sind. Natürlich ist die Beschichtung für entsprechende Teile aus anderen Materialien wie Metall möglich. Im Vergleich dazu lassen sich Teflon oder andere fluorhaltige Beschichtungen nur auf metallischen Substraten in einem Temperaturbereich von 400°C bis 450°C sintern. Die angegebenen Temperaturbereiche werden z.B. auch bei metallischen oder keramischen Substraten verwendet, da dies auf die Schichtqualität keinen Einfluss hat. Vorteil ist auch bei solchen Substraten aufgrund der vergleichsweise geringen Temperaturen ein schnelleres Aufheizen und Abkühlen sowie ein geringerer Energieverbrauch.
Das vorgeschlagene Verfahren hat sich in Vorversuchen bereits bewährt und die Beschichtung bzw. das Verfahren eignen sich überraschend auch für faserverstärkte Kunststoffsubstrate, wie glasfaser- oder kohlefaserverstärkte Verbundwerkstoffe, insbesondere auf Kunststoffbasis. Diese Eigenschaft bzw. Eignung erlaubt es beispielsweise antihaftbeschichtete Spritzgussformen vorzusehen, insbesondere Spritzgussformen auf faserverstärkter Basis wie z.B. CFK-Basis. Besonders unerwartet hat sich die Eignung bei elastischen Substraten oder Substraten mit bereits vorhandener, elastischer Oberflächenschicht erwiesen. Beispielsweise eine Antihaftbeschichtung auf Elastomeren wie Gummi.
Durch die Beschichtung mit der Antihaftschicht werden beispielsweise auch "billige" Metallsubstrate (Bleche, Gußformen etc.) aufgewertet. Diese Substrate sind korrosions- und/oder chemisch-beständig, wenn die Stellen des Substrats die mit den aggressiven Medien in Berührung kommen, mit der Antihaftschicht überzogen sind. Es eröffnen sich dadurch neue Anwendungen für Materialen, die in diesen Bereichen ausgeschlossen sind, beispielsweise für den Einsatz von Baustahl-, Messing- oder Messinglegierung-Substraten.
Ganz besonders vorteilhaft umfasst das Aufbringen der zumindest einen Primerschicht das Aufbringen von zumindest zwei Primerschichten. Dadurch bietet sich eine funktionelle Aufteilung der zumindest zwei Primerschichten, wobei vorteilhaft die zuerst auf dem Substrat aufgetragene Primerschicht (erste Primerschicht) eine Haftvermittlerfunktion hat, so dass die gesamte aufgetragene Schicht gut auf dem Substrat haftet. Hierdurch ist ebenfalls gewährleistet, dass eine weitgehende Unabhängigkeit der Funktion der Antihaftbeschichtung vom Substratmaterial besteht. In vorteilhafter Ausgestaltung enthält dann lediglich die zweite Primerschicht bzw. enthalten die darauf folgenden Primerschichten die Einlagerungen in Korn- bzw. Pulverform. Da somit die erste Primerschicht frei von Einlagerungen ist, wird eine gleichmäßige, flächendeckende Beschichtung der Substratoberfläche und somit eine Hafterhöhung erreicht. Abgesehen von den Einlagerungen können die erste Primerschicht und die zweite bzw. die weiteren Primerschichten eine identische Materialzusammensetzung aufweisen, so dass auch eine Vernetzung zwischen der ersten und den weiteren Primerschichten besonders begünstigt ist.
Vorteilhaft weist die erste Primerschicht neben der Haftvermittlereigenschaft auch eine Ausgleichseigenschaft auf, wobei eine möglicherweise vorhandene Oberflächenstruktur eines Substrats (beispielsweise Kratzspuren nach dem Sandstrahlen) nivelliert bzw. geglättet werden. Beispielsweise wird die erste Primerschicht (Vorprimer) dazu verwendet, Lunker, die in Gussbauteilen vorhanden sein können, zu verschließen, so dass sich die Fehlstelle nicht durch die Schichtfolge hindurch fortsetzt und so auf der Schichtoberfläche der Antihaftbeschichtung eine Fehlstelle hervorruft. Durch die Ausgleichsfunktion wird eine ebene Oberflächenstruktur zum Aufbringen der zweiten bzw. weiteren Primerschicht geschaffen, so dass eine Oberflächenstruktur nahezu ausschließlich durch die Beschaffenheit der zweiten bzw. weiteren Primerschicht und deren Einlagerungen bestimmt ist.
Beim Aufbringen der Schichten wird vorteilhaft nach dem Aufbringen der Primerschicht, nach dem Aufbringen der ersten Primerschicht und so weiter eine Zwischenbehandlung ausgeführt, die insbesondere das Tempern und/oder Trocknen zum Entfernen von Lösungsmitteln und/oder dem Stabilisieren der bereits aufgebrachten Schicht dient. Entsprechend kann bei einer zusammengesetzten Deckschicht eine solche Zwischenbehandlung nach dem Aufbringen jeder der Einzelschichten oder eines Teils der Einzelschichten erfolgen. Auch hier wird die Zwischenbehandlung, soweit eine erhöhte Temperatur notwendig ist, unterhalb von 300°C durchgeführt, vorzugsweise in einem Temperaturbereich von 180°C bis maximal 250°C. Neben dem Tempern oder Trocknen kann die Zwischenbehandlung auch eine fotoaktivierte oder infrarotaktivierte Behandlung sein, die im Falle der Verwendung von Kunststoffschichten das Vernetzen der Kunststoffverbindungen begünstigt.
Vorzugsweise werden nach dem Aufbringen der Primerschicht mit deren Einlagerungen die folgenden Temper- bzw. Trocknungsprozesse bei Temperaturen und Einwirkzeiten durchgeführt, die ein Zerfließen der weiteren Primerschichten bzw. der darauf abgeschiedenen Deckschicht(en) vermeidet. So wird bis zur Oberfläche der Antihaftbeschichtung die Strukturierung durch die Primerschicht mit den Einlagerungen aufrechterhalten.
Ganz besonders vorteilhaft umfasst die Deckschicht zumindest eine erste und eine zweite Deckschicht, so dass eine funktionelle Aufteilung der Deckschichteigenschaften ermöglicht wird. Wie oben beschrieben, ist durch die Struktur der Primerschicht der Anti-Hafteffekt der Deckschicht verstärkt und zusätzlich weist die oberste Deckschicht bevorzugt eine kratz-, chemie- und/oder abriebbeständige Eigenschaft auf. Wobei die unmittelbar auf die oberste Primerschicht aufgebrachte Deckschicht als Haftvermittler und Stabilisator zwischen der äußersten Deckschicht und der letzten Primerschicht wirkt.
Vorzugsweise sind die Deckschichten keine PTFE-Schichten, noch vorteilhafter enthalten alle Schichten kein PTFE. Vorteilhaft sind die oberen (d.h. die Deckschichten) oder alle Schichten der Antihaftbeschichtung aus Fluor-freien Ausgangsstoffen hergestellt, so dass einerseits eine Umweltbelastung bei der Herstellung der Antihaftbeschichtung vermindert bzw. nicht vorhanden ist und andererseits der Einsatz der Antihaftbeschichtung im Lebensmittelbereich sowie im medizinischen Bereich ermöglicht wird. Weiterhin begünstigt der Verzicht auf fluorhaltige Verbindungen die Notwendigkeit des Sinterns bei hoher Temperatur, so dass die oben beschriebenen Sinter- und Tempervorgänge im beschriebenen niedrigen Temperaturbereich ausführbar sind.
Ganz besonders vorteilhaft bedeckt oder bedecken die Deckschichten (zumindest die oberste) die Einlagerung vollständig oder zumindest zu mehr als 80%, vorzugsweise zu mehr als 90% oder 95%. Einerseits ergibt sich dadurch eine (möglichst) geschlossene Deckschicht mit homogener Oberflächeneigenschaft und andererseits wird die Einbindung der Einlagerungen in die Primerschicht zusätzlich mechanisch unterstützt und stabilisiert.
Vorteilhaft weisen die Primerschicht, die erste Primerschicht und/oder die zweite Primerschicht einen Harzbildner und einen Härter auf, insbesondere eine, zwei oder mehr Komponenten auf Silikon-, Silikat- und/oder Epoxidbasis. In weiterer Ausgestaltung wird vorzugsweise als Basis der Komponente(n) nicht Epoxid verwendet, so dass die Primerschicht(en) Epoxid-frei sind. Dies gilt in alternativer oder kombinierter Ausgestaltung auch für die Deckschicht(en), so dass die Deckschicht(en) Epoxid-frei sind.
Liegen eine, mehrere oder alle der Einzelschichten der Antihaftbeschichtung als vorgefertigtes Gemisch zum Auftragen vor, so erhöht sich die Gleichmäßigkeit der Zusammensetzung. Zusätzlich werden Bedienungsfehler beim Auftragen weitgehend ausgeschlossen, da die Zusammensetzung der Mischung wesentlich einfacher und reproduzierbarer zu kontrollieren ist als ein Mischungsvorgang während des Auftragens einer einzelnen Schicht.
Ganz besonders vorteilhaft ist die Zusammensetzung der Deckschicht bzw. der Deckschichten und der anschließenden Behandlung (Temperatur/Zeit) so gewählt, dass die durch die Einlagerung in der Primerschicht hervorgerufene Oberflächenstruktur beibehalten wird. Beispielsweise wird dies über die Zusammensetzung und Größe der Ausgangssubstanzen sowie das Beimischen von Lösungsmitteln gewährleistet, wobei einerseits eine gleichmäßig dicke Benetzung der zuvor ausgebildeten Schicht erreicht wird und andererseits ein Zerfließen der aufgetragenen Schicht beim Tempern bzw. Trocknen nicht stattfindet.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen, die für das Verfahren und ggf. für die Beschichtung, ein Ausgangsgemisch (Anspruch 25 ; Stoffe für die Schicht sind entsprechend Gemischbestandteile) oder ein Werkzeug als solche in allen Ausgestaltungen entsprechend zutreffen, sind:
Bezüglich der Antihaftbeschichtung, der Beschichtung von Werkzeugen oder Substraten mit der Antihaftbeschichtung und der Bereitstellung von Ausgangsgemischen zur Herstellung der Bestandteile der Antihaftbeschichtung trifft das oben Gesagte entsprechend zu.
Anhand von Figuren werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
Wie in
Auf dem Vorprimer 22 ist dann der Hauptprimer 24 abgeschieden, der in eine Matrix 26 eingebettete Partikel 28 aufweist. Beim Aufbringen sind die Partikel 28 in Pulverform in das Ausgangsmaterial der Matrix 26 eingemischt. Die Partikelgröße variiert innerhalb eines vorgegebenen Bereichs statistisch und das Material der Partikel 28 kann aus einer Ausgangssubstanz, zwei Ausgangssubstanzen oder einem Gemisch von mehreren Ausgangssubstanzen bestehen. Durch die eingelagerten Partikel 28 wird der Oberfläche des Hauptprimers 24 eine Oberflächenstruktur aufgeprägt, die die Antihaftwirkung extrem begünstigt. Die Funktion des Matrixmaterials 26 ist die Herstellung der Haftung zum Vorprimer 22 (oder zum Substrat 10, falls der Vorprimer 22 nicht notwendig ist) und das mechanische Stabilisieren und Festhalten der eingelagerten Partikel 28.
Dauer und Temperatur von ggf. durchgeführten thermischen Behandlungen (siehe unten) des Hauptprimers 24 und anschließend abgeschiedener Schichten sind so gewählt, dass ein Aufweichen und Zerfließen der bereits abgeschiedenen Schichtmaterialien vermieden wird. So bleibt die Oberflächenstruktur des Hauptprimers 24 bei nachfolgend abgeschiedenen Schichten im wesentlichen erhalten.
In weiterer, nicht dargestellter Ausführung kann die Vorprimerschicht 22 mehrere Schichtlagen umfassen und/oder die Hauptprimerschicht aus mehreren Lagen gebildet sein und/oder weitere Primerschichten auf der Hauptprimerschicht 24 abgeschieden werden.
In dem in
In weiterer, nicht dargestellter Ausführung kann die Zwischendeckschicht 32 aus mehreren Lagen ausgebildet sein und/oder die Hauptdeckschicht 34 mehrere Lagen umfassen, die beispielsweise nacheinander verschiedene Oberflächenfunktionen einbringen. Beispielsweise eine untere, abriebfeste Hauptdeckschicht und eine obere (z.B. auch chemieresistente) Antihaft-Hauptdeckschicht.
Beim Grundverfahren der
Anschließend wird auf den Hauptprimer 24 die Hauptdeckschicht 34 aufgebracht, die in einem anschließenden Sinterprozess stabilisiert wird. Dabei ist die Sintertemperatur und -dauer so gewählt, dass der Hauptprimer 24 bzw. die stabilisierende Matrix 26 auch weiter ausgehärtet und stabilisiert werden, während die Temperatur und Dauer jedoch so niedrig gehalten sind, dass ein Aufweichen und Zerfließen der Matrix 26 und der Hauptdeckschicht 34 verhindert werden.
Auf der rechten Seite der
Die einzelnen Temperschritte liegen unterhalb von 300°C, vorteilhaft unterhalb 250 bzw. 230°C, so dass die Beschichtung neben Metall-, Keramik- und Glassubstraten auch für Kunststoffsubstrate geeignet ist. Die Sinter- bzw. Trocknungsdauer kann im Zeitbereich zwischen 20 und 40 Minuten liegen. Das Einsintern erfolgt beispielsweise bei 220°C für 25 Minuten. Das Zwischensintern/Trocknen kann ebenfalls bei 220°C für 25 Minuten erfolgen.
Das Auftragen der Ausgangsgemische der einzelnen Schichten erfolgt beispielsweise mittels Sprühen. Auftragungsbedingt erfolgt die Verteilung der Partikel 28 statistisch verteilt, jedoch mit einer gleichmäßigen mittleren Rauhigkeit über die gesamte beschichtete Oberfläche.
Die obige Tabelle zeigt ein Beispiel für die Zusammensetzung der einzelnen Schichten, wobei der Vorprimer und/oder die Zwischendeckschicht 32 optional sind. Die angegebenen Beispiele für die einzelnen Komponenten können einzeln, mehrere davon oder insgesamt als Gemisch verwendet werden. Beispielsweise kann eine Keramik (wie Silziumcarbid, Bornitrid, Silizium, Aluminiumoxid und/oder diamantartiger Kohlenstoff), Metall, Silikat oder Glas einzeln verwendet oder ausgewählte davon zusammengemischt werden. Besonders vorteilhafte Resultate haben sich bei Verwendung von keramischen Einlagerungen ergeben. Vorzugsweise ist die oder sind die Deckschichten eine Mischung aus Silikon und Epoxidharz.
Der Anwendungsbereich der Antihaftschicht sind Werkzeuge, wie Walzen, Etikettierwalzen, Umlenkwalzen, Rollen, Trichter und Zufuhrrinnen, und andere Maschinenbauteile.
Auch wurde die Beschichtung erfolgreich als Innenbeschichtung von Absaugrohren eingesetzt. Durch die so beschichteten Rohre wurden selbstklebende Papierschnipsel abgesaugt und es war nur durch den Einsatz dieser Beschichtung möglich, dass die Schnipsel nicht anhafteten. Alle anderen Beschichtungen funktionierten nicht.
Weiterhin wurde die Beschichtung erfolgreich auf Trennmesser eingesetzt. Dabei wurden die Trennmesser für die Herstellung von Gummidichtungen zunächst mit WolframCarbid beschichtet. Anschließend erfolgte die Beschichtung mit der oben ausführlich beschriebenen AntihaftBeschichtung. Es wurde gezeigt, dass die relativ klebrigen Gummidichtungen leichter vom Messer abfallen. Andere Beschichtungs-Typen versagten hier.
Weitere geeignete Anwendungen und Verwendungen der Beschichtung sind: Aluminiumplatte, Aluminiumrolle, Alu-Werkstückträger für Dichtungen, Antriebsrolle, Drahtgurtmuster, Druckwalze aus EPDM, Fassklemmung, Fixierleistensatz, Flachmesser, Gießform für Wachsmalstifte, Laminierleiste, Leimbehälter, Leimschale, Messersatz, Presswerkzeug, Prisma, Rakel für Rückspinnerwalze, Ringe, Schabermesser/Frankenklinge, Schieberleistensatz, Schweißbalken, Schweißspiegel, Stahl-Vulkanisationsdorne, Stahlwalze, Tankwanne, Wärmetauscher, Welle oder Walzensegmente.
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