Die Erfindung betrifft Oberflächenbeschichtungen für Trägermaterialien wie Holz, Textilien, Papier, Leder, Kunststoffen, Glas, Porzellan aber auch beliebige Metalloberflächen zur Erzeugung von Hydrophobierungs-, Oleophobierungs- und Selbstreini- gungs- sowie Gleit- und Haftreibungseffekten auf den genannten Trägermaterialien.

Die heute in den verschiedenen Branchen angewendeten Verfahren enthalten sowohl Fluorcarbon als auch nicht Fluorcarbon haltige Hydro- bzw. Oleophobierungsmittel. Speziell zu erwähnen sind auch Silikon und Paraffin haltige Chemikalien, die in Kombination mit den genannten Fluorcarbon haltigen Hydrophobierungsmitteln zur Anwendung gelangen.

Allen Hydrophobierungsmitteln gemeinsam ist ihr mehr oder weniger unpolarer, nicht Wasser löslicher Charakter, weshalb sie vornehmlich in Form von Emulsionen bzw. Mikroemulsionen verwendet werden.

In neuesten Beschichtungsverfahren werden zusätzlich zu den hydrophobierend wirkenden Chemikalien auch Nanopartikel eingesetzt [1].

[1] W. Marte et al., Ausrüstung von textilen Fasern, Geweben und Flächengebilden,

WO 01/75216 (11.10.2001 ). [2] H.G. Edelmann, C. Neinhuis, M. Jarvis, B. Evans, E. Fischer, W. Barthlott,

'Ultrastucture and chemistry of the cell wall of the moss Rhacocarpus purpurascens: a puzzling architecture among plants', Planta (1998) 206, 315-321. [3] W. Barthlott, Self-cleaning surfaces of objects and process for producing same,

WO 96/04123 (15.02.1006). [4] W. Barthlott, C. Neinhuis, 'Nur was rauh ist, wird von selbst sauber',

Technische Rundschau Nr 10 (1999), 56-57.

Durch die meistens heterogene Verteilung der Partikelaggregate wird eine mehr oder weniger stark ausgebildete Mikrorauhigkeit der Beschichtung erzielt, die vornehmlich für Selbstreinigungs-, Gleit- und Haftreibungseffekte der damit beschichteten Oberflächen verantwortlich ist. Dieses Prinzip ("Lotus"-Effekt genannt) ist aus der Natur bekannt und beschrieben [2], [3] und findet bereits in vielen Beschichtungen seine Anwendung. Der natürliche "Lotus"-Effekt basiert auf einer dreidimensionalen, durch Selbstorganisation auf Blättern entstandenen Oberflächenstruktur. Die kolumnaren Strukturen (säulenförmig) bestehen aus Wachskristallen, die eine Mikrorauhigkeit erzeugen, um der Pflanze eine Selbstreinigung zu erleichtern [4].

Wesentliche Nachteile der heute praktizierten Verfahren zur Erzielung von Hydro- phobierungs-, Oleophobierungs- und Selbstreinigungseffekten in Verbindung mit Nano- partikeln sind die mehr oder weniger ausgeprägte Zufälligkeit der Mikrorauhigkeit der Beschichtung und der damit in vielen Fällen nur mangelhaft ausgebildete Selbstreinigungseffekt. Selbst neueste Anstrengungen, die Mikrorauhigkeit kontrolliert mittels thermodynamisch instabilen Dispersionen (unter Ausnutzung von Oberflächenspannungsunterschieden der Beschichtungskomponenten) zu erzielen, führt nicht zu den gewünschten "Topeffekten" und der für die Produktion wichtigen Reproduzierbarkeit der Effekte [1].

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Beschichtungsverfahren insbesondere zur Erzielung von Hydrophobierungs-, Oleophobierungs- und Selbstreinigungs- sowie von Gleit- und Haftreibungseffekten auf festen Oberflächen zu realisieren.

Diese Aufgabe wird durch eine, dem Beschichtungsprozess folgende, physikalische Behandlung der Oberfläche durch Erzeugung des "Lotus"-Effektes gemäss Patentanspruch 1 gelöst. Die physikalische Behandlung der beschichteten Oberfläche, als wesentliches Merkmal der Erfindung, besteht darin, dass diese einem magnetischen oder elektrischen Feld ausgesetzt und dadurch eine ausgeprägte Mikrorauhigkeit der beschichteten Oberfläche entsprechend ihrer späteren Funktionalität erhalten wird. Dabei wird die beschichtete Oberfläche oder der beschichtete Gegenstand durch das örtlich fixierte Feld geführt oder umgekehrt.

Die Erfindung wird im Folgenden im Einzelnen erläutert.

Die Ausbildung von kolumnaren Strukturen mittels eines magnetischen Feldes bedingt den Einsatz magnetisierbarer Partikel (ferro-, antiferro- und ferrimagnetische Stoffe) in der Besehichtungsmasse wie z.B. isometrische oder anisometrische Fe ₂ O ₃ -Pigmeηte mit einer Partikelgrösse von 100 - 1 O00 nm, die ihrerseits z.B. auch mit Kobalt dotiert sein können. Die verwendeten magnetischen Nanopartikel weisen eine magnetische Suszeptibilität χ _m grösser als 10 ^~1 auf. Die eingesetzte Nanopartikelpopulation kann eine uni- oder multimodale Grössenverteilung aufweisen. Bei Verwendung von nicht- magnetisierbaren Materialien in der Besehichtungsmasse in Form von Nano- oder Mikropartikeln erfolgt die Mikrostrukturbildung der Beschichtung (Mikrorauhigkeit) durch ein elektrisches Feld. Als nicht-magnetisierbare Materialien (para- und diamagnetische Stoffe) werden typischerweise Nanopartikel oder Nanoröhrchen eingesetzt, die aufgrund ihrer chemischen und konstitutionellen Struktur auf der Oberfläche Dipole und eine positive oder negative Vorzugsladung aufweisen, die dann entsprechend der Stärke des angelegten, statischen elektrischen Feldes zu mehr oder weniger stark ausgeprägten kolumnaren Strukturen auf der Beschichtungsoberfläche führen. Die verwendeten nicht-magnetischen Nanopartikel weisen eine magnetische Suszeptibilität χ _m kleiner als 10 ^"1 auf. Die Dimensionen der in die Besehichtungsmasse eingearbeiteten Partikel (heterodisperses System) sind vorzugsweise nanoskalig, wobei die Partikel je nach Art und Weise der Dispergierung agglomerieren und in der Beschichtung eine a priori Mikrorauhigkeit erzeugen. Die durch die Partikelagglomeration vorgegebene Mikrorauhigkeit der Beschichtung führt zur Ausbildung von Punktladungen, die die Bildung von kolumnaren Strukturen im magnetischen oder elektrischen Feld begünstigen bzw. ermöglichen. Die Punktladungen können durch den Kontakt des beschichteten Gegenstandes, bzw. Trägermaterials mit einer gleichnamig geladenen Elektrode wie die der Partikeloberfläche verstärkt werden. Das zur Ausbildung der kolumnaren Strukturen angelegte magnetische Feld hat eine zur Partikeloberfläche entgegengesetzte Ladung.

In einer Nachbehandlung der kolumnaren Strukturen werden diese mit UV oder Blaulicht oder thermisch gehärtet. Dabei werden die gebildeten kolumnaren Strukturen fixiert und bleiben stabil, d.h. sie bilden ein stabiles Strukturgefüge. Die Nachbehandlung folgt in der Regel sequentiell an die Bildung der kolumnaren

Strukturen durch das magnetische oder elektrische Feld. Diese beiden Verfahrensschritte können aber auch ganz oder teilweise überlagert werden.

Als Mikrostruktur bildende Nano- und mikronisierte Körper kommen sowohl anorganische Pigmente wie z.B. Metalloxide und -carbide, Metallpulver, Metalllegierungen und nanoskalige Graphit- bzw. Russpigmente in gecoateter oder chemisch modifizierter Form als auch organische Pigmente wie z.B. Dendrimere, Polymere und Wachse zur Anwendung. Diese Pigmente werden einzeln oder in Kombination eingesetzt. Die Primärgrössen der einzusetzenden Partikel orientieren sich an der zu erzeugenden Funktionalität der Beschichtung und bewegen sich zwischen 10 nm und 50 μm. Der bei Anwendung von magnetischen Feldern zur Bildung der kolumnaren Strukturen notwendige Induktionsbereich beträgt 0,1 - 2 Tesla [V sec m ^"2 ]. Bei Anwendung von elektrischen Feldern beträgt die Feldstärke bis zu 10 ⁶ [V/m]. Der jeweilige Arbeitsbereich orientiert sich an den eingesetzten Pigmenten (magnetische oder elektrische Eigenschaften der Pigmentoberflächen) und der geforderten Mikrorauhigkeit. Die Bildung der kolumnaren Strukturen kann verstärkt werden, wenn eine zur Pigmentoberfläche gleichnamig geladenene Elektrode an das beschichtete Trägermaterial angelegt wird.

Zur Erzeugung der jeweils notwendigen Feldstärken werden einerseits Permanentmagnete und andererseits statische Hochspannungsfelder eingesetzt. Die Spaltabstände zwischen Beschichtung und Potentialquelle orientieren sich an der zur Magnetisierung bzw. zur Ausrichtung der Dipole notwendigen Energiedichte, Viskosität der Dispersion sowie an der vorherrschenden Feldstärke und betragen 1 - 500 mm.

An die Stabilität der magnetischen oder elektrischen stationären Felder werden keine allzu grossen Anforderungen gestellt. Es brauchen keine besonderen Vorkehrungen getroffen zu werden, um Drifterscheinungen zu vermeiden, die infolge von Temperatureffekten auftreten können.

Magnetische oder elektrisch stationäre Felder können in beliebiger Form mit weiteren Feldern moduliert werden (Sägezahn, Rechteck, Sinus). Es resultieren dadurch schwankende Feldstärken, die für die Ausrichtung der Partikelaggregate vorteilhaft sind.

Gelangen gepulste Felder zur Anwendung, so können etwa durch Pulssequenzen besondere Effekte erzielt werden, wobei deren finale kolumnare Struktur von derjenigen durch ein stationäres Feld erzielten Struktur unterschiedlich ist. Es ist ein Aufbau, bzw. eine Reorganisation der Partikelaggregate festzustellen, deren Werdegang durch eine Nachbehandlung, etwa ein nahezu gleichzeitig startender Härtungsprozess, quasi nach Belieben fixiert werden kann. Von einem 'begrenzt modulierten Feld' ist die Rede, wenn die damit erzeugten Feldstärken, die Ausrichtung der Nanopartikel mindestens mehrheitlich noch bewirken.

In der Regel werden im Wesentlichen homogene Felder verwendet. Keine allzu grossen Anforderungen sind an die Homogenität zu stellen. Inhomogenitäten bis zu 10 % am Ort der Nanopartikel sind im allgemeinen tolerierbar; es brauchen keine besonderen Vorkehrungen hierfür getroffen zu werden. Es ist denkbar, dass ebenfalls stark inhomogene Felder, sofern deren Feldstärken am Ort der Nanopartikel genügend gross sind, die kolumnaren Strukturen zu bilden im Stande sind, und diese Bildung sogar positiv beeinflussen.

Wesentlich ist, dass die erzeugten Feldstärken am Ort der Nanopartikel gross genug sind, um die Ausrichtung der Partikelaggregate zu gewährleisten, bzw. die Bildung der kolumnaren Strukturen zu ermöglichen.

Vorteilhaft ist, dass das Verfahren gleichzeitig erlaubt, die heute standardmässig in Dispersionen eingesetzten Chemikalien durch neue, bisher nicht gebräuchliche Verbindungen und Nanopartikel ganz oder teilweise zu ersetzen. Die zu verwendenden Beschichtungsdispersionen zeichnen sich dadurch aus, dass sie mindestens eine, in der fertigen Funktionsschicht, Wasserabweisende Komponente (Benetzungswinkel der fertigen Schicht mit Wasser grösser als 70°), anorganische oder organische Partikel von 10 nm bis 50 μm sowie einen Dispergator enthalten. Die erwähnten Grundbestandteile der Dispersion können durch weitere Zusätze ergänzt werden wie z.B. Emulgatoren bei der Verwendung von Emulsionen, Spreitungsmittel zur Verbesserung der Filmbildung, Kunstharze und reaktive Mono- und/oder Polymere zur Erfüllung weiterer Funktionalitäten.

Vielfach wird das Trägermaterial vor dem Aufbringen der Dispersion einer Vorbehandlung unterzogen. Dies kann etwa durch das Aufbringen einer Primerschicht

erfolgen, die sich auf die Haftung der weiteren Beschichtung vorteilhaft auswirkt. Im Weiteren dienen Tanninderivate, Ligninderivate, Formaldehyd kondensierte Naph- thalinsulfonsäurederivate, Melamin- und Harnstoffderivate und quatemäre reaktive Ammoniumverbindungen als geeignete Stoffe einer Vorbehandlung.

Beispiel 1 : Herstellung von gleitreibungsminimierten Skilaufflächen.

Als Trägermaterial dient der vorhandene Kunststoffbelag (mehrheitlich Polypropylen). Dieses wird mit einer auf dem Kunststoff sorbierenden Primerschicht (z.B. Tannin) vorbehandelt, bzw. überzogen. Die Tanninapplikation erfolgt aus wässriger Lösung durch sprayen oder pinseln. Anschliessend wird eine Beschichtungsflotte aufgebracht, bzw. mit einer Schichtdicke von 5 μm aufgerakelt. Die Beschichtungsflotte ist eine Dispersion, die als wesentliche Bestandteile ein Magnetpigment (Fe ₂ O ₃ -Pigmente) und ein thermisch härtbares Fluorcarbonharz enthält. Unmittelbar nach erfolgter Beschichtung der Skilauffläche wird über diese ein Elektromagnet mit einer Induktion von 0,7 Tesla, unter gleichzeitiger Warmluftzuführung in einem Abstand von 2 mm bewegt. Nach erfolgter Magnetisierung bzw. Ausbildung der kolumnaren Strukturen wird die Beschichtung bei 80 ⁰ C während 2 Min. vollständig ausgehärtet.

Beschichtungsflotte:

Oleophobol 7752 (Fluorcarbonharz, ERBA AG, CH) 400 g/kg

Hydrophobol XAN (Diisocyanat, ERBA AG, CH) 50 g/kg

Fe ₂ 0 ₃ -Nanogel (TEX-A-TEC AG, CH) 50 g/kg

Methanol 30 g/kg

Bermocoll (Modifiz. Cellulose, CSC Jäklechemie GmbH, D) 2 g/kg

Wasser 468 g/kg

Die mit der erwähnten Beschichtungsflotte erzeugte Coatingschicht zeigt nach deren "Magnetisierung" und Härtung Kontaktwinkel von 168° mit Wasser und 84° mit Heptan. Die praktischen Laufeigenschaften der so behandelten Ski zeigen in allen Testphasen bessere Ergebnisse als jene mit üblichen Skiwachsen behandelte Ski.

Beispiel 2: Erzeugung von "Super"-Hydrophobierungs- und Oleophobierungseigen- schaften auf Outdoor Bekleidungsartikeln.

Als Trägermaterial dient ein Polyamidgewebe (220 g/m2). Auf dieses wird eine Dispersion mittels einer Beschichtungsflotte aufgebracht, die im Wesentlichen aus einem Fluorcarbonharz und teilmethylierten Siliziumdioxyd-Nanopartikeln besteht, was einer Imprägnierung des Polyamidgewebes entspricht. Unmittelbar nach erfolgter Imprägnierung wird die Gewebebahn unter gleichzeitiger Belüftung mit entstaubter Luft mit einer Geschwindigkeit von 15 m/min durch ein Hochspannungsfeld von einer Länge von 700 mm und einer Feldstärke von 3-10 ⁵ V/m gezogen. Durch eine nachfolgende Kondensation (Nachbehandlung) des Fluorcarbonharzes während 2 Min. bei 150 ⁰ C wird die Beschichtung, die nun kolumnare Strukturen aufweist, waschfest fixiert.

Beschichtungsflotte:

Ruco-Guard AFX (Fluorcarbonharz, Rudolf GmbH/D) 60 g/kg

Ruco-Guard EPF (Polyisocyanat, Rudolf GmbH/D) 10 g/kg

Aerosol R 972 (methyliertes SiO ₂ , Degussa/D) 3 g/kg

Pluronic PE 6800 (Propylen-/Ethylenoxid Copolymerisat, BASF/D) 0,5 g/kg

Pluronic PE 4300 (Propylen-/Ethylenoxid Copolymerisat, BASF/D) 0,5 g/kg

Isopropanol 20 g/kg

Wasser 906 g/kg

Die mit der aufgeführten Imprägnierflotte erzeugte Coatingschicht zeigt nach deren Behandlung im elektrischen Feld und thermischer Härtung Kontaktwinkel von 165° mit Wasser und 86° mit Heptan. Die resultierende, von den kolumnaren Strukturen abhängige Ölabweisungsnote beträgt 8 im Unterschied zu konventionellen Ausrüstungen mit Fluorcarbonharzen, deren Ölabweisungsnote nur 6 beträgt.