DE102010022265A1 - Hydrophobic coating and application - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft Beschichtungen für alle Arten von Oberflächen, insbesondere von Isolationskunststoffen im Außeneinsatz, insbesondere für Trafoklötze aus Polyamid zur Verbesserung der Wetterresistenz, des Korrosionsschutzes und der Kriechstromfestigkeit. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Beschichtung derartiger Trafoklötze. Nach der Erfindung werden hydrophobe Partikel vor allem im Oberflächenbereich der Beschichtung eingebaut.The invention relates to coatings for all types of surfaces, in particular for insulating plastics in outdoor use, in particular for transformer blocks made of polyamide to improve weather resistance, corrosion protection and tracking resistance. The invention also relates to a method for coating such transformer blocks. According to the invention, hydrophobic particles are installed primarily in the surface area of the coating.
Description
Die Erfindung betrifft Beschichtungen für Epoxidharzbauteile im Außeneinsatz, insbesondere für Trafoklötze aus Epoxidharz zur Verbesserung der Wetterresistenz, des Korrosionsschutzes und der Kriechstromfestigkeit. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Beschichtung derartiger Trafoklötze.The invention relates to coatings for epoxy resin components in outdoor use, in particular for transformer blocks of epoxy resin to improve the weather resistance, corrosion protection and tracking resistance. Moreover, the invention relates to a method for coating such transformer blocks.
Hydrophobe Oberflächen finden heute ein breites Anwendungsgebiet. So können Autoscheiben, Badewannen oder Folien beschichtet werden, um einen wasserabweisenden und selbstreinigenden Effekt zu erzielen. Auch können beispielsweise Gehäuse von wasserempfindlichen Bauteilen, wie z. B. elektrische Baugruppen, mit einer wasserabweisenden Schicht versehen werden, um ein schnelleres Abfließen von Wasser zu gewährleisten. Auf diese Weise können z. B. Korrosionsvorgänge vermieden oder verlangsamt bzw. elektrische Überschläge oder Kurzschlüsse verhindert werden. Hierbei gilt: Je höher der Kontaktwinkel (Maß für Hydrophobizität) des Beschichtungssystems, desto besser ist der Schutz gegenüber Wasseranhaften und somit auch gegen elektrische Kurzschlüsse oder Überschläge.Hydrophobic surfaces are now widely used. Thus, car windows, baths or films can be coated to achieve a water-repellent and self-cleaning effect. Also, for example, housing of water-sensitive components, such. As electrical assemblies are provided with a water-repellent layer to ensure a faster flow of water. In this way, for. As corrosion processes avoided or slowed down or electrical flashovers or short circuits can be prevented. Here, the higher the contact angle (measure of hydrophobicity) of the coating system, the better the protection against water sticking and thus also against electrical short circuits or flashovers.
Viele Komponenten elektrischer Anlagen werden zu Isolationszwecken mit Epoxidharz vergossen. Andere Kunststoffe, wie Polyamid werden beispielsweise eingesetzt, um die Transformatoren für Mittelspannung auf speziellen Blöcken zu lagern und diese damit elektrisch zu entkoppeln (Trafoklötze). Die Isolationswirkung dieser Bauteile kann jedoch stark durch Witterungseinflüsse beeinflusst werden. Durch Feuchte oder Nässe können sich leitfähige Pfade auf deren Oberfläche ausbilden, die im schlimmsten Fall einen elektrischen Überschlag zur Folge haben. Grund hierfür ist, dass die Dauerbeständigkeit gegen Umwelteinflüsse sowie wasserabweisende Wirkung von Epoxidharzbauteilen nicht ausreichend ist. So eignen sich anhydridisch bzw. aminisch gehärtete Bisphenol-A- bzw. -F-diglycidyletherharze aufgrund Ihres hydrophilen Charakters nicht bzw. nur sehr bedingt für den Außeneinsatz als elektrische Isolationsstoffe, da Luftfeuchtigkeit bzw. verschmutztes Kondensationswasser auf der Oberfläche gut oder sogar vollständig benetzt.Many components of electrical systems are encapsulated with epoxy resin for insulation purposes. Other plastics such as polyamide are used, for example, to store the transformers for medium voltage on special blocks and thus electrically decouple them (transformer blocks). However, the insulation effect of these components can be greatly influenced by weather conditions. Moisture or moisture can form conductive paths on their surface, which in the worst case result in electrical flashover. The reason for this is that the durability against environmental influences and water-repellent effect of epoxy resin components is not sufficient. For example, anhydrous or amine-hardened bisphenol A or F-diglycidyl ether resins are not suitable or only conditionally suitable for outdoor use as electrical insulation materials because of their hydrophilic character, since atmospheric moisture or polluted condensation water wets well or even completely on the surface.
Um diese Benetzung mit Wasser zu reduzieren, stehen zwei grundlegende Möglichkeiten zur Verfügung.
- a) Einerseits können die verwendeten Materialien als Bulk-Material chemisch modifiziert werden. Chemisch modifizierte Epoxidharze weisen zwar eine gesteigerte Hydrophobizität auf, können aber einen Kontaktwinkel von 100° nicht mehr übertreffen. Oftmals sind aber deutlich höhere Wasserkontaktwinkel erforderlich um ein leichtes Ablaufen von Regen oder kondensiertem Wasser zu ermöglichen. Daher können aktuell verfügbare Lösungen zwar eine leichte Verringerung des Problems bewirken, sie beseitigen es aber in keinem Falle.
- b) Die zweite Möglichkeit der Verringerung der Benetzbarkeit der Bauteile ist die Aufbringung einer hydrophoben Beschichtung. In diesem Fall können Oberflächen zum Einsatz kommen die zu großen Teilen aus Siloxanen mit fluorierten Alkylketten bestehen. Die Dauer-Haftung dieser Schichten ist aber auf vielen Kunststoffen, insbesondere wenn diese Umwelteinflüssen ausgesetzt sind, unzureichend. Des Weiteren sind oftmals Härtungstemperaturen nach der Aufbringung der Beschichtung erforderlich, die dem Kunststoff schaden oder diesen sogar zerstören können.
- a) On the one hand, the materials used can be chemically modified as a bulk material. Although chemically modified epoxy resins have increased hydrophobicity, but can no longer exceed a contact angle of 100 °. Often, however, significantly higher water contact angles are required to allow easy drainage of rain or condensed water. Therefore, although currently available solutions may cause a slight reduction in the problem, they will never eliminate it.
- b) The second possibility of reducing the wettability of the components is the application of a hydrophobic coating. In this case surfaces can be used which consist to a large extent of siloxanes with fluorinated alkyl chains. However, the permanent adhesion of these layers is inadequate on many plastics, especially when exposed to environmental influences. Furthermore, curing temperatures after application of the coating are often required, which can damage the plastic or even destroy it.
Kommerzielle Beschichtungssysteme erreichen hierbei Kontaktwinkel von ca. 105°. Damit ist ein Maximalwert (theoretisch 117°) für eine oberflächlich glatte Beschichtung erreicht.Commercial coating systems achieve contact angles of approx. 105 °. This achieves a maximum value (theoretically 117 °) for a superficially smooth coating.
Höhere Werte können durch eine rein chemische Modifikation der Oberfläche nicht erreicht werden. Hierfür ist nach Wenzel (
Leider ist für die Erzeugung von superhydrophoben Oberflächen die Substratstrukturierung nur in Ausnahmefällen ein sinnvoller Weg. Oft ist das Substrat zu hart oder rissempfindlich (vgl. Stähle oder Glas), als dass eine Strukturierung wirtschaftlich oder großtechnisch umsetzbar wäre.Unfortunately, substrate structuring is only a reasonable way to produce superhydrophobic surfaces in exceptional cases. Often, the substrate is too hard or crack-sensitive (see Steels or glass), as a structuring would be economically or industrially feasible.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Beschichtung und ein Verfahren zur Erzeugung der Beschichtung zu schaffen, bei der Werte des Kontaktwinkels größer 105° ohne Substratstrukturierung erreicht werden.It is therefore an object of the present invention to provide a coating and a method for producing the coating in which values of the contact angle greater than 105 ° are achieved without substrate structuring.
Die Lösung der Aufgabe und Gegenstand der Erfindung werden in der Beschreibung, den Ansprüchen und den Figuren offenbart. The solution of the object and the subject of the invention are disclosed in the description, the claims and the figures.
Demgemäß ist es allgemeine Erkenntnis der Erfindung, dass eine superhydrophobe Beschichtung erzeugt werden kann, indem in eine Rinderschicht, die beispielsweise auch hydrophob sein kann, hydrophobe Partikel eingebracht werden.Accordingly, it is a general recognition of the invention that a superhydrophobic coating can be produced by incorporating hydrophobic particles into a bovine layer which, for example, may also be hydrophobic.
Dementsprechend ist Gegenstand der Erfindung eine hydrophobe Beschichtung mit einem Kontaktwinkel größer 105°, die zwei Komponenten, eine Rinderkomponente als Beschichtungsmaterial 1 und eine Partikelkomponente als Beschichtungsmaterial 2 umfasst. Außerdem ist Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zum Beschichten eines Substrates, wobei zunächst eine Binderkomponente auf das zu beschichtende Substrat aufgetragen wird und dann auf die bevorzugt noch nicht durchvernetzte Binderschicht die Partikel gebracht werden, die dann teilweise in diese einsinken, grundsätzlich aber an deren Oberfläche bleiben.Accordingly, the subject matter of the invention is a hydrophobic coating having a contact angle greater than 105 °, which comprises two components, a bovine component as
Die Hydrophobie der Beschichtung wird entsprechend durch die Hydrophobie der Oberfläche der Partikel bestimmt, wohingegen sich die mechanischen Eigenschaften der Beschichtung im Wesentlichen nach der Rinderschicht richten.The hydrophobicity of the coating is correspondingly determined by the hydrophobicity of the surface of the particles, whereas the mechanical properties of the coating are essentially based on the bovine layer.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Partikel innerhalb der Schicht inhomogen verteilt, indem sie an oder direkt unter der Oberfläche des Binders in höherer Konzentration als sonst in der Schicht vorliegen.According to a preferred embodiment of the invention, the particles are distributed inhomogeneously within the layer by being present at or directly below the surface of the binder in higher concentration than otherwise in the layer.
Als Rinderkomponente oder Vergussmasse der Beschichtung können beliebige polymer oder über einen Sol-Gel-Prozess vernetzende Verbindungen eingesetzt werden.As bovine component or casting compound of the coating, it is possible to use any polymer or compounds which crosslink via a sol-gel process.
Der Binder besitzt bevorzugt folgende Eigenschaften:
- – hydrophober Grundcharakter aufgrund der Materialchemie, bevorzugt WKW > 70°, gegebenenfalls durch Additive einstellbar,
- – verdünn- und/oder sprühbar, beispielsweise mit gängigen Lösungsmitteln wie z. B. Iso-butylacetat,
- – besondere Trocknungseigenschaften, insbesondere schnelles Antrocknen an Luft sowie Ausbildung einer klebrigen Oberfläche vor der späteren Durchhärtung,
- – gute mechanische Eigenschaften im Bezug auf Kratzfestigkeit, Elastizität sowie Hydrolysebeständigkeit,
- – auftragbar bevorzugt über übliche Beschichtungsmethoden, beispielsweise durch Lackieren, Tauchverfahren, Streichprozessen oder Sprühen.
- Hydrophobic basic character due to the material chemistry, preferably HPC> 70 °, optionally adjustable by additives,
- - Dilutable and / or sprayable, for example, with common solvents such. For example iso-butyl acetate,
- Special drying properties, in particular rapid drying in air and formation of a sticky surface before the subsequent hardening,
- Good mechanical properties with regard to scratch resistance, elasticity and hydrolysis resistance,
- - Applicable preferably via conventional coating methods, for example by painting, dipping, brushing or spraying.
Aufgrund der genannten Eigenschaften wird als Beschichtungskomponente 1 bevorzugt ein zweikomponentiges PU-Lacksystem (ggf. unter Verwendung von Additiven) verwendet.Due to the properties mentioned, a two-component PU lacquer system (if appropriate using additives) is preferably used as the
Beispielhaft genannt seien Folgende Verbindungen als Beschichtungsmaterial 1:
Eine Mischung aus epoxycyclohexyl-terminierten, polyhedralen oligomeren Silsesquioxan (flüssige Picopartikel, HybridplasticsTM, ein hydrophobes, Trisilanol- oder triaminisooctyl-POSS® d50 = 0,5–0,8 nm) sowie Methylhexahydrophthalsäureanhydrid (Anhydridhärter, bevorzugt vollhydriertes Alkylphthalsäureanhydrid, HexionTM, EPC® 868).The following compounds may be mentioned by way of example as coating material 1:
A mixture of epoxycyclohexyl-terminated, polyhedral oligomeric silsesquioxane (liquid Picopartikel, Hybrid Plastics ™, a hydrophobic, or Trisilanol- triaminisooctyl-POSS ® d 50 = 0.5-0.8 nm) and methylhexahydrophthalic anhydride (anhydride, preferably fully hydrogenated Alkylphthalsäureanhydrid, Hexion TM , EPC® 868).
Eine Mischung aus EpoxycyclohexylPOSS (A) + Anhydridhärter (bevorzugt vollhydriertes Alkylphthalsäureanhydrid) (B) + Reaktionsbeschleiniger (E) + mitvernetzendes, hydrophobes Trisilanol- oder triamin-isooctyl-POSS (F) liegt beispielsweise in einem Verhältnis der Komponenten A, B, E, F mit folgenden bevorzugten Gewichtsanteilen vor: A: 40–60%, B: 35–55%, E: 0,1–5% , F = 0,1–10%, Summe zu 100%.A mixture of epoxycyclohexyl POSS (A) + anhydride curing agent (preferably fully hydrogenated alkylphthalic anhydride) (B) + reaction accelerator (E) + crosslinking, hydrophobic trisilanol or triamine isooctyl-POSS (F) is, for example, in a ratio of the components A, B, E, F with the following preferred proportions by weight: A: 40-60%, B: 35-55%, E: 0.1-5%, F = 0.1-10%, total 100%.
Diese Mischung kann zur weiteren Kontaktwinkelsteigerung der gehärteten Harzschicht eine geringe Zugabe von Trisilanolisooctylsubstituiertem, polyhedralem Silsesquioxan (flüssiger Picopartikel, SigmaAldrichTM) zur Precursormischung enthalten. Des Weiteren kann die Mischung eine geringe Zugabe eines tertiären Amins (etwa Dimethylbenzylamin) als Beschleunigersubstanz enthalten.This mixture may contain a small addition of trisilanol isooctyl substituted, polyhedral silsesquioxane (liquid picoparticle, Sigma Aldrich ™ ) to the precursor mixture to further increase the contact angle of the cured resin layer. Furthermore, the mixture may contain a small addition of a tertiary amine (such as dimethylbenzylamine) as an accelerator substance.
Die Mischung ist bevorzugt in organischen Lösemitteln (z. B. Tetrahydrofuran) löslich und damit langzeitstabil über Wochen oder Monate. Die Applikation kann durch verschiedene industriell etablierte Verfahren erfolgen; dazu zählen u. a. Sprühen, Tauchen, Schleudern, Rakeln, Jetten, Dispensen. Die applizierte erfindungsgemäß bereitete Mischung wird nach dem Auftragen auf den jeweiligen Substraten mittels Erhitzen vom Lösemittel befreit und anschließend ausgehärtet (z. B. thermisch).The mixture is preferably soluble in organic solvents (eg tetrahydrofuran) and thus stable over a period of weeks or months. The application can be carried out by various industrially established methods; this includes u. a. Spraying, dipping, spinning, squeegeeing, jetting, dispensing. After being applied to the respective substrates, the applied mixture prepared according to the invention is freed from the solvent by means of heating and then cured (for example thermally).
Beispielsweise ist die verwendete Mischung ein epoxycyclohexyl-terminierte POSS® (Nr. 1), also eine bei Raumtemperatur flüssige Komponente, die sich in ausgehärtetem Zustand als besonders kratzstabil erwiesen hat. Durch die radial angeordneten Oxiranendeinheiten verhält es sich wie ein herkömmliches Epoxidharz, das z. B. anhydridisch (Nr. 2) oder auch aminisch gehärtet werden kann. Durch die Verwendung von Partikelmischungen der Größenbereiche Mikrometer und Nanometer (Nr. 3, 4) resultiert eine sich selbst organisierende Oberflächenrauhigkeit, indem Nanopartikel die Oberfläche der Mikropartikel belegen. Durch Aushärtung der in der Reaktionsmischung enthaltenen Harz- und Härterkomponenten (Nr. 1, 2) werden die Mikro-/Nanopartikel dauerhaft durch kovalente Bindung zwischen den Epoxideinheiten an der Oberfläche der Mikropartikel und der Härtermatrix fixiert. Das verwendete Reaktionsharz (Nr. 1, 2) zeigt aufgrund der hohen Dichte an (SiO)-Einheiten beträchtliche Kratzfestigkeit und verleiht der Einbettschicht hohe Stabilität. For example, the mixture used (1 no.) Is an epoxycyclohexyl-terminated POSS ®, which is a liquid at room temperature component that has proved to be particularly scratch stable in the cured state. Due to the radially arranged Oxiranendeinheiten it behaves like a conventional epoxy resin, the z. B. anhydridisch (No.2) or aminic can be cured. The use of particle mixtures of the size ranges micrometer and nanometer (Nos. 3, 4) results in a self-organizing surface roughness, as nanoparticles occupy the surface of the microparticles. By curing the resin and hardener components contained in the reaction mixture (Nos. 1, 2), the micro / nanoparticles are permanently fixed by covalent bonding between the epoxide units on the surface of the microparticles and the hardener matrix. The reaction resin used (Nos. 1, 2) shows considerable scratch resistance due to the high density of (SiO) units and imparts high stability to the potting layer.
Durch geringe Zumischung eines zusätzlichen kratzresistiven und wasserabweisenden Additivs – idealerweise ein POSS®-Derivat der Art Nr. 5 – kann eine weitere Hydrophobisierung bis zu Kontaktwinkeln von 150° und mehr erreicht werden, da aufgrund der guten Mischbarkeit mit der flüssigen Phase (Nr. 1, 2) eine Art Dotierung der Einbettmatrix als auch eine Absättigung verbliebener, nicht gecoateter Si–OH-Gruppen der Füllstoffoberflächen (Nr. 3, 4) stattfinden kann. Um eine thermische Härtungsreaktion in Bereichen um 80°C zu initiieren, ist die Verwendung von z. B. aminischen Beschleunigern (Nr. 6) zweckmäßig.By slight admixture of an additional kratzresistiven and water-repellent additive - ideally a POSS ® derivative of the type no. 5 - can be up to contact angles of 150 ° or more to achieve a more hydrophobization, since due to the good miscibility with the liquid phase (# 1. , 2) a kind of doping of the embedding matrix as well as a saturation of remaining, uncoated Si-OH groups of the filler surfaces (Nos. 3, 4) can take place. To initiate a thermal curing reaction in areas around 80 ° C, the use of e.g. B. aminic accelerators (No. 6) appropriate.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird als Binder- oder Vergusskomponente ein zweikomponentiges PU-Lacksystem, gegebenenfalls unter Verwendung von Additiven, eingesetzt.According to a preferred embodiment of the invention, a two-component PU lacquer system, optionally with the use of additives, is used as the binder or casting component.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Beschichtungsmaterial 1, der Binder oder die Vergussmasse, kalthärtend.According to a further preferred embodiment, the
Nach einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist die Binder- oder Vergusskomponente, also die Beschichtungskomponente 1, beispielsweise unter Zugabe von geeigneten Lösungsmitteln so eingestellt, dass etwa 4 Minuten nach dem Auftrag die Schichtverfestigung bereits begonnen hat.According to a preferred embodiment of the method, the binder or casting component, ie the
Bevorzugt wird eine Beschichtungskomponente 1 so gewählt, dass vor der Aushärtung sich zunächst eine klebrige Oberfläche ausbildet.Preferably, a
Bevorzugt wird das Verfahren so durchgeführt, dass die Parttikel (also das Beschichtungsmaterial 2) auf die angehärtete und klebrige Oberfläche aufgebracht wird.Preferably, the method is carried out so that the particles (that is, the coating material 2) is applied to the hardened and sticky surface.
Das Beschichtungsmaterial 2, also die Partikel können alle Arten von hydrophoben Materialien umfassen, beispielsweise genannt seien Metalloxide, epoxy-silanbehandeltem Mikro- und Nanopartikeln (z. B. Quarzwerke Frechen, Silbond® W12 EST, d50 = 20 μm und alkylsilanmodifiziertes, flammpyrolytisch hergestelltes Quarzgut AerosilTM, Aeroxide® LE1, d50 = 20 nm u. andere weitere anorganische Füllstoffe.The
Beispielsweise ist das Beschichtungsmaterial 2 ein Materialsystem aus Mikropartikel (bevorzugt epoxysilaniertes Quarzmehl/-gut) (C) und/oder Nanopartikel (Quarzgut oder Diamant, alkyliert- oder perfluoralkyliert beschichtet) (D).For example, the
Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass die Komponenten C und D in folgenden Mengen vorliegen: C: 50–99%; D: 0,1 Gew% bis 50%, insbesondere bevorzugt C: 80 bis 99% und D: 1.10%, alles in Gewichts-Prozent und jeweils bezogen auf das Trockengewicht der Gesamtbeschichtung.It is provided in particular that the components C and D are present in the following amounts: C: 50-99%; D: 0.1% by weight to 50%, particularly preferably C: 80 to 99% and D: 1.10%, all in percent by weight and in each case based on the dry weight of the total coating.
Die Menge an Beschichtungsmaterial 2 im Beschichtungsmaterial 1 beträgt (also Partikel im Binder) beispielsweise: 10 bis 90 Gew%, insbesondere 50 bis 80 Gew%. Dabei ist beispielsweise eine multimodale Verteilung der Partikel vorgesehen.The amount of
Das Beschichtungsmaterial 2 ist ein pulverförmiges Material, das an der Oberfläche hydrophobe Gruppen, beispielsweise Alkyl- und/oder fluorierte Alkylgruppen, besitzt. Die Oberfläche kann je nach Anwendung beliebig chemisch und/oder physikalisch funktionalisiert sein, auch optische Effekte oder Filter können so in die Beschichtung eingebaut werden.The
Die Korngröße des Pulvers ist in Abhängigkeit der gewünschten hydrophoben Eigenschaften zu wählen, wobei für geringe Hysterese der Beschichtung und weitgehende Unabhängigkeit der Benetzung von der Tropfengröße mittlere Partikelgröße des Pulvers von 5–500 nm, bevorzugt 70–250 nm gewählt werden. Der mittlere Agglomeratdurchmesser liegt beispielsweise im Bereich von 100 nm bis 2000 nm, bevorzugt 500 nm–1500 nm.The particle size of the powder is to be selected as a function of the desired hydrophobic properties, with a mean particle size of the powder of 5-500 nm, preferably 70-250 nm being selected for low hysteresis of the coating and substantial independence of the wetting from the drop size. Of the average agglomerate diameter is for example in the range of 100 nm to 2000 nm, preferably 500 nm-1500 nm.
Als besonders geeignet haben sich unterschiedlich oberflächenmodifizierte Siliziumoxide herausgestellt.Particularly suitable are different surface-modified silicon oxides have been found.
Der Auftrag des Beschichtungsmaterials 2 erfolgt aus der Pulverform. Dabei hat es sich für die hydrophobe Wirksamkeit der Beschichtung als unerheblich herausgestellt, ob der Auftrag durch Bestäuben mittels Sieb, mittels einer handelsüblichen Pulverlackierpistole oder über einen lösemittelfreien Sprühprozess erfolgt.The order of the
Die Schichtdicke kann im Bereich von 0,1 μ bis 100 μm, bevorzugt 1 μm bis 10 μm und noch bevorzugter im Bereich von 10 μm bis 20 μm liegen. Insbesondere sind auch Schichtdicken im Bereich weniger als 20 μm, beispielsweise auch mit dem Beschichtungsmaterial 1 POSS®, realisierbar.The layer thickness may be in the range from 0.1 .mu.m to 100 .mu.m, preferably 1 .mu.m to 10 .mu.m, and more preferably in the range from 10 .mu.m to 20 .mu.m. In particular, layer thicknesses in the range of less than 20 microns, for example, with the
Durch die erfindungsgemäße Kombination und Einarbeitung von Mikro-, Nano- sowie Sub-Nano(=Pico)-Partikeln lässt sich ein lösungsmittelverträgliches Precursorreagenz auf Epoxidharzbasis bereiten, welches durch einen Sprühprozess auf ein beliebiges Substrat aufgebracht werden kann. Eine anschließende Härtung (z. B. Heißhärtung) bildet sodann die besondere, erfindungsgemäße finale Topologie aus, die zum einen die gewünschte Hydrophobie einstellt und zum anderen eine bemerkenswerte Kratz- und Abriebstabilität aufweist.The inventive combination and incorporation of micro, nano and sub-nano (= Pico) particles can prepare a solvent-compatible precursor reagent based on epoxy resin, which can be applied to any substrate by a spray process. Subsequent curing (eg, heat curing) then forms the particular final topology according to the invention, which on the one hand sets the desired hydrophobicity and, on the other hand, has a remarkable scratch and abrasion stability.
Die Kombination der beschriebenen Materialien in der als bevorzugt dargestellten Ausführungsform, bei der die Verteilung der Partikel innerhalb der Schicht inhomogen ist, bewirkt, dass sich die hydrophoben Partikel einerseits mechanisch fest mit dem Bindersystem verbinden, andererseits dort konzentriert sind, wo sie wirken sollen, an der Oberfläche.The combination of the described materials in the embodiment presented as preferred, in which the distribution of the particles within the layer is inhomogeneous, causes the hydrophobic particles, on the one hand, to mechanically bond firmly to the binder system, and, on the other hand, be concentrated where they are to act the surface.
So sinkt ein Teil der Partikel ins Schichtsystem ein und gewährleistet auch nach Beschädigung der Schicht den Fortbestand der superhydrophoben Eigenschaften. Ein Großteil der aufgebrachten Partikel verbleit an der Binderoberfläche, bildet die gewünschte Oberflächenstruktur ist aber mechanisch im Binder verankert.Part of the particles sinks into the coating system and ensures the survival of the superhydrophobic properties even after the layer has been damaged. A large part of the applied particles lead to the binder surface, forming the desired surface structure but is anchored mechanically in the binder.
Die mechanischen Eigenschaften der Beschichtung entsprechen im Wesentlichen denen des Binders. Wird beispielsweise ein PU-Lacksystem verwendet, so können ausgezeichnete Wisch-, Kratz- und Scheuerbeständigkeiten erreicht werden.The mechanical properties of the coating essentially correspond to those of the binder. If, for example, a PU coating system is used, excellent wiping, scratching and abrasion resistance can be achieved.
Beispielhafte Mischungen setzen sich wie folgt zusammen: Tab. 1: Ausführungsbeispiel 1
Im Ausführungsbeispiel wurde ein Epoxidharzbauteil mit oben beschriebener Zusammensetzung beschichtet. Ein Vorteil in der Beschichtung von Substraten auf Epoxidharzbasis ist die Gleichheit beider Basismaterialien. So kann ein Epoxidharzsubstrat beim thermischen Aushärten der erfindungsgemäßen Epoxidharzbeschichtung zusätzlich mit dem Coating vernetzen und für eine sehr gute Haftung der Beschichtung sorgen. Dadurch kann Delamination bei starker mechanischer Belastung verhindert werden.In the exemplary embodiment, an epoxy resin component was coated with the composition described above. An advantage in the coating of epoxy-based substrates is the equality of both Base materials. Thus, an epoxy resin substrate can additionally crosslink during the thermal curing of the epoxy resin coating according to the invention with the coating and provide for a very good adhesion of the coating. This can prevent delamination under heavy mechanical load.
Oberflächen von elektrischen Isolatorbauteilen aus herkömmlichen aromatischen Bisphenol-A/F-Harzen können mit der erfindungsgemäßen Rezeptur leicht und kostengünstig hydrophobisiert werden. Damit besteht die Möglichkeit, die etablierten aromatischen Harze für den Outdoor-Bereich zu benutzen, die dabei gleichzeitig jedoch hydrophobe Eigenschaften aufweisen.Surfaces of electrical insulator components of conventional aromatic bisphenol A / F resins can be easily and inexpensively hydrophobized with the formulation according to the invention. This makes it possible to use the established aromatic resins for the outdoor area, which at the same time, however, have hydrophobic properties.
Durch das kratzwidrige Einbettharz auf POSS®-Basis kann diese Schicht bei hoher Resistenz und guter Flexibilität sehr dünn gehalten werden (typischerweise Schichtdicken weniger als 20 μm). Die zusätzliche Hydrophobisierung mittels wasserabweisenden POSS®-Derivaten (Nr. 5) führt zu weiterem Stabilitätsgewinn der Partikeloberflächen bei gleichzeitiger Kontaktwinkelzunahme. Derartig gecoatete Substrate können etwa bei Kriechstromfestigkeitsversuchen durch das rasche Abtropfen und der geringen Neigung zur Benetzung lange Lebenszeiten aufweisen. Ausführungsbeispiel 3
Im Ausführungsbeispiel 3 wurde ein ABS Kunststoffbauteil mit oben beschriebener Zusammensetzung beschichtet. Nach genau 240 s Antrocknungsphase wurde 1 g Aeroxide LE 1 (Degussa Evonik) durch ein Sieb auf die angetrocknete Beschichtung gestreut. Die Schicht wurde an Luft über Nacht getrocknet und ausgehärtet. Anschließend wurde der Wasserkontaktwinkel gemessen. Er betrug 155°.In
Im erfindungsgemäßen Falle handelt es sich beim Bindermaterial um ein Polyurethan bestehend aus einem Diol, einem Cyanat als Härter und Butylacetat als Verdünnung in einem Mischungsverhältnis 4:1:5. Als Feststoffkomponente wurde alkylsilanmodifiziertes, flammpyrolytisch hergestelltes Quarzgut AerosilTM, Aeroxide® LE1, d50 = 20 nm verwendet. Die Applikation des PU-Lacks kann durch verschiedene industriell etablierte Verfahren erfolgen; dazu zählen u. a. Sprühen, Tauchen, Schleudern, Rakeln, Jetten, Dispensen.In the case according to the invention, the binder material is a polyurethane consisting of a diol, a cyanate as hardener and butyl acetate as dilution in a mixing ratio of 4: 1: 5. As a solid component was alkylsilanmodifiziertes, fused silica produced by flame pyrolysis Aerosil TM, Aeroxide ® LE1, d50 = 20 nm used. The application of the PU lacquer can be carried out by various industrially established methods; These include spraying, dipping, spinning, doctoring, jetting, dispensing.
Die applizierte erfindungsgemäß bereitete Mischung wird nach dem Auftragen auf den jeweiligen Substraten für genau 240 s vom Lösemittel an Luft befreit bzw. angetrocknet und anschließend mit der Feststoffkomponente bestreut bis das Substrat vollständig mit der Feststoffkomponente bedeckt ist.After application to the respective substrates, the applied mixture prepared according to the invention is freed from air or air for exactly 240 s and then sprinkled with the solid component until the substrate is completely covered with the solid component.
Anschließend wird das Substrat 30 min an Luft getrocknet. Überstehender Feststoff wird abgeblasen und das Substrat weitere 12 Stunden an Luft getrocknet.Subsequently, the substrate is dried for 30 minutes in air. Supernatant solid is blown off and the substrate is dried for a further 12 hours in air.
Das beschriebene Schichtsystem wurde in einem Projekt zur Hydrophobierung von Trafoklötzen aus Polyamid erfolgreich getestet. Eine Anwendung, insbesondere in bereits bestehenden Anlagen als Nachrüstungslösung wird als vielversprechend eingeschätzt.The layer system described was successfully tested in a project for the hydrophobization of polyamide transformer blocks. An application, especially in existing systems as a retrofit solution is considered promising.
Beschichtete Bauteile versprechen somit neben einem Selbstreinigungseffekt hohe Resistenzen gegen wetterbedingte Schadbelastung. Des Weiteren sind die elektrischen Durchschlagfestigkeiten von Epoxidharzmatrices literaturbekannt hoch (>30 kV/mm). Aufgrund der gering benötigten Schichtdicken stellt dies ein enormes Kosteneinsparungspotential im Gegensatz zum herkömmlichen Kautschukcoating dar.Coated components thus promise, in addition to a self-cleaning effect, high resistances against weather-related damage. Furthermore, the electrical breakdown strengths of Epoxidharzmatrices known from the literature are high (> 30 kV / mm). Due to the low required layer thicknesses, this represents an enormous cost-saving potential in contrast to the conventional rubber coating.
Zur Untersuchung der Resistenz einer derartig gecoateten Oberfläche eines handelsüblichen Epoxidharzes auf Bisphenol-A-Diglycidylether/Säureanhydridbasis gegenüber witterungsähnlichen Außenbedingungen wurde ein zyklischer Salzsprühtest der Schärfestufe 2 nach
Wie
Zur Untersuchung der Resistenz eines beschichteten Epoxidharzbauteils zur Nutzung im Außenbereich gegenüber starker Sonneneinstrahlung wurde eine UV-Belastungsprüfung durchgeführt. Dazu wurden fünf Epoxidharzprobekörper beschichtet und sodann 100 Stunden in einem Suntest Prüfgerät starkem Sonnenlicht ausgesetzt. Ein Vergleich der Kontaktwinkel vor und nach der Belastung soll Auskunft über die UV Beständigkeit geben.To test the resistance of a coated epoxy resin component for outdoor use against strong sunlight, a UV stress test was performed. For this purpose, five Epoxidharzprüfbekörper were coated and then exposed for 100 hours in a Suntest tester strong sunlight. A comparison of the contact angles before and after the load should provide information about the UV resistance.
Als Ergebnis konnte festgestellt werden, dass im Mittel der Kontaktwinkel um 2 abgenommen hat. Diese minimalen Einbußen haben allerdings keinen Einfluss auf die Effektivität der erfindungsgemäßen Beschichtung und so kann diese als UV beständig angesehen werden.As a result, it was found that on average the contact angle decreased by 2. However, these minimal losses have no effect on the effectiveness of the coating according to the invention and thus it can be regarded as UV resistant.
Beide Prüfungen wurden mit Hinblick auf die Prüfungsnorm
Das Absinken der Partikel kann ebenfalls durch Materialauswahl und Prozessführung ausgeschlossen werden. Ein Einsinken in die Schicht bis zum Substrat ist durch das Antrocknen des Schichtmaterials nicht möglich. Die Partikel sinken nur geringfügig in das Schichtmaterial ein. Dadurch bleibt die Funktionalität der Modifizierung an der Oberfläche erhalten. Durch das kontrollierte Einbetten der Partikel auf bzw. in das Schichtmaterial bildet sich eine hohe mechanische Stabilität im Bezug auf die Beibehaltung der superhydrophoben Eigenschaften der Partikeloberfläche aus.The sinking of the particles can also be excluded by material selection and process control. A sinking in the layer to the substrate is not possible by the drying of the layer material. The particles sink only slightly into the layer material. This preserves the functionality of the surface modification. The controlled embedding of the particles on or in the layer material forms a high mechanical stability with respect to the maintenance of the superhydrophobic properties of the particle surface.
Durch die erfindungsgemäße Kombination und Aufbringung von hydrophob durch Oberflächenbeschichtung modifizierten Nanopartikel lässt sich ein lösungsmittel-verträgliches Precursorreagenz auf PU-Lack Basis bereiten, welches durch einen Sprühprozess auf ein beliebiges Substrat aufgebracht werden kann. Die anschließende Einarbeitung der Partikel bildet sodann die besondere Topologie aus, die zum einen die gewünschte Hydrophobie einstellt und zum anderen eine bemerkenswerte Kratz- und Abriebstabilität aufweist.The combination according to the invention and the application of nanoparticles hydrophobically modified by surface coating make it possible to prepare a solvent-compatible precursor reagent based on PU lacquer, which can be applied to any desired substrate by a spraying process. The subsequent incorporation of the particles then forms the particular topology, which on the one hand sets the desired hydrophobicity and on the other hand has a remarkable scratch and abrasion stability.
Die Erfindung betrifft Beschichtungen für alle Arten von Oberflächen, insbesondere von Isolationskunststoffen im Außeneinsatz, insbesondere für Trafoklötze aus Polyamid zur Verbesserung der Wetterresistenz, des Korrosionsschutzes und der Kriechstromfestigkeit. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Beschichtung derartiger Trafoklötze. Nach der Erfindung werden hydrophobe Partikel vor allem im Oberflächenbereich der Beschichtung eingebaut.The invention relates to coatings for all types of surfaces, in particular of insulating plastics in outdoor use, in particular for transformer blocks made of polyamide for improving the weather resistance, corrosion protection and tracking resistance. Moreover, the invention relates to a method for coating such transformer blocks. According to the invention, hydrophobic particles are mainly incorporated in the surface area of the coating.
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