Die Erfindung betrifft einen Anstrichstoff, der ein niedriges Emissionsvermögen im Bereich der Wärmestrahlung hat

Bekannte Anstrichstoffe bestehen im wesentlichen aus Bindemitteln, Pigmenten, und ver¬ schiedenen Additiven. Bei normalen Anstrichstoffen haben die Bindemittel und die eingelager¬ ten Pigmente meist eine hohe Absorption im Bereich der Wärmestrahlung und weisen damit auch eine hohe Emission von Wärmestrahlung auf.

Als Beispiel sei hier ein Wandanstrich einer Haus-Außenwand auf Silikatbasis genannt Die eingelagerten Pigmente, die überwiegend aus Kalk bestehen, weisen wie auch schon das Bindemittel auf Silikatbasis hohe Absorptionsbaπden im Bereich der Wärmestrahlung des thermischen Infrarotbereiches von 3 bis 100 μm auf. Der Emissionsgrad der Hauswand im Be¬ reich der Wärmestrahlung ist damit über 90%. Das bedeutet neben den Wärmeverlusten über Konvektion, also dem Wärmeabtrag über die Luft, strahlt die Wand Wärmeenergie mit _s =e-σ- T ⁴ ab. Bei einer Wandtemperatur von 0°Ceisius also 273 Kelvin, bedeutet dies, daß bei einem ε von 0,9 Wärme mit 283 W-nrr ² abgestrahlt werden.

Es ist wichtig zu wissen, daß diese Wärmeverluste eines Hauses über Wärmeabstrahlung zu¬ sätzlich enstehen, also vollkommen unabhängig von den Wärmeverlusten über Konvektion sind. Dies ist dadurch zu erklären, daß Luft in weiten Bereichen für Wärmestrahlung transpa¬ rent ist und sich ein Temperaturgefälle für Wärmestrahlung also nicht nach der Lufttemperatur richtet, sondern nach den Strahlungstemperaturen der Umgebung und des Himmels. Bei kla¬ rem Himmel liegen diese Temperaturen deutlich unter der von Luft.

Neben der Vermeidung von Wärmeverlusten an der Außenwand eines Hauses lohnt es sich auch, die Wärmeübergänge durch Strahlung in die Innenseite der Außenwand eines Hauses zu verringern. Alle Objekte wie Möbel, Boden insbesondere auch die inπenliegenden Wände des Hauses geben Wanne in Form von Wärmestrahlung nach den beschriebenen Gesetzmä¬ ßigkeiten ab. Auch der Mensch selber gibt Wärme in Form von Strahlung an die Innenseite der Außenwand ab. Insbesondere geben natürlich Heizkörper Strahlungswärme ab und zwar in Richtung des Inneπraumes jedoch gleichermaßen auch an die Innenseite der Außenwand.

Hier wird die Wärmestrahlung entsprechend dem Emissionsgrad ε > 0,9 (Emissioπsgrad = Absorptionsgrad) zu über 90% absorbiert und durch Wärmeleitung zur Außenwand transpor¬ tiert.

Zur Vermeidung von direkten Wärmeübergängen über Strahlung vom Heizkörper in die Wand, sind sogenannte "Heizkörperreflexfolien im Handel erhältlich. Die metallische Oberfläche der Reflexfolien absorbiert nur ca. 10 bis 20% der Wärmestrahlung. Die Differenz zu 100% wird in . den Raum, in diesem Fall zum Heizkörper zurückreflektiert Leider finden diese Reflexfolien vermutlich aufgrund ihres metallischen Aussehens keine Akzeptanz und werden daher nur sel¬ ten eingesetzt Ohnehin wäre eine komplette Auskleidung einer Wohnung mit solchen Reflex¬ folien nicht sinnvoll, da sie keine oder eine zu geringe Dampfdrffusion aufweisen und anderer¬ seits aus dem Raum einen Farada schen Käfig machen würden, in dem keiner leben will. Auch entspricht es nicht unseren ästhetischen Vorstellungen von der Ausgestaltung einer Wohnung.

Bezüglich der Energieeinsparung würde es sich jedoch lohnen, einen Raum sozusagen nach innen zu verspiegeln, so daß die Wärmestrahlung in den Raum zurückreflektiert wird. Aller¬ dings muß es sich um eine dampfdurchlässige Schicht handeln, die aus dem Raum keinen Farada schen Käfig macht und die zudem den ästhetischen Anforderungen entspricht

Die zunehmende Luftverschmutzung, die zu einem großen Anteil auch durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe zur Beheizung von Häusern, bedingt ist aber auch das Wissen, daß die Vorräte an fossilen Brennstoffen irgendwann erschöpft sein werden, machen es erforderlich alle Möglichkeiten zur Minimieruπg des Energiebedarfs zu nutzen.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen verbesserten Anstrichstoff zu schaffen, mit dessen Hilfe man Energie einsparen kann. Fe er soll ein Verfahren zum Herstellen von Schichtpigmenteπ gefunden werden, die bei diesen Anstrichstoffen eingesetzt werden können.

Diese Aufgabe wird durch die in dem Patentanspruch 1 und in dem Patentanspruch 8 gegebe¬ nen Merkmale gelöst Vorteilhafte Weiterbildungen des Eπϊndungsgegenstandes sind in den Unteransprüchen angegeben. Femer 'wird die Aufgabe im Hinblick auf das Verfahren im An¬ spruch 11 gelöst

Überraschenderweise hat sich erfiπduπgsgemäß gezeigt daß durch Einlagerung von Teilchen, die im Bereich der Wärmestrahlung eine hohe Transparenz aufweisen und deren Brechungs¬ index im Bereich der Wärmestrahlung größer oder Weiner, auf alle Fälle von dem Brechuπgs- index des Bindemittels verschieden ist wobei das Bindemitte! im Bereich der Wärmestrahlung einen hohen Durchlaßgrad aufweißt ein Anstrichstoff mit niedrig emittierenden Eigenschaften im. Bereich der Wärmestrahlung hergestellt werden kann. Ein solcher Anstrichstoff weißt im sichtbaren Bereich keine nachteiligen Effekte aus.

Besonders gute Ergebnisse werden erzielt wenn das Produkt aus dem Brechungsindex des einzelnen Teilchens im thermischen Infrarotbereich und dem Durchmesser des Teilchens im wesentlichen gleich der halben mittleren Wellenlänge des Welleniängeπbereiches ist in dem die Anstrichstoff eine niedrig emittierende Wirkung haben soll. Geringe Verschiebungen erge¬ ben sich durch den Brechungsindex des Bindemittels in das die Teilchen eingebracht sind. Je größer der Brechungsindex des Bindemittels, umso mehr verschiebt sich die mittlere Wellen¬ länge zum längerwelligen Bereich. Vorzugsweise sollte der prozentuale Füllgrad der Teilchen im Bindemittel bezogen auf das Voiumeπ der Gesamtschicht bei 20 bis 70 Prozent insbeson¬ dere bei 30 bis 50 Prozent liegen.

Der Grad der Reflexion bzw. Emission wird durch den Unterschied zwischen dem Brechungs¬ index des Bindemittels und dem Brechungsindex der eingelagerten Teilchen bestimmt Je grö¬ ßer der Unterschied, umso höher stellt sich auch die gewünschte Reflexion ein. Die Bre- chungsindizes von Bindemitteln mit hoher Transparenz im Bereich der Wärmestrahlung liegen üblicherweise im Bereich 1 ,3 bis 1 ,7. Ein großer Unterschied im Brechungsiπdex läßt sich also vor allem dann realisieren, wenn der Brechungsiπdex des Teilchens größer ist als der des Bin¬ demittels. Vorzugsweise sollte er im Bereich 2 bis 4 liegen, aber auch höhere Brechungsiπdi- zes der Teilchen sind denkbar. Ist der Brechungsindex des Teilchens kleiner als der des Bin¬ ders, sollte möglichst im Bereich von Luft also 1 Hegen.

Auch die Bandbreite des Bereiches in dem die niedrige Emission bzw. höhere Reflexion erzielt werden soll, ist von der Größe des Unterschiedes zwischen dem Brechungsindex des Binde¬ mittels und dem des Teilchens abhängig. Je größer der Unterschied im Brechuπgsindex der beiden Materialien, desto größer ist auch die Bandbreite um die gewählte mittlere Wellen¬ länge. Bei einem Unterschied im Brechungsindex von 2 (no, _jn( - _jer ⁼ 1 ι-; ^π _T -ii_ _h _n ⁼ 3.5) ^er 9'bt sich eine Bandbreite für die erste Resonanz von ca. 6 μm. Damit kann der militärisch relevante Be¬ reich des atmosphärischen Fensters bei 8 - 14 μm niedrig emittierend bzw. reflektiv gestaltet werden. Damit kann der für 300 Kelvin Strahler relevante Bereich bei 8 - 14 μm, in dem die Atmosphäre eine hohe Transparenz aufweißt und somit Energie in den Weltraum durchläßt niedrig emittierend bzw. reflektiv gestaltet werden. Folgeresonaπzeπ ergeben sich im ebenfalls relevanten atmosphärischen Fenster bei 3 - 5 μm bis hin zum Bereich des sichtbaren Lichtes.

Als Material für die eingelagerten Teilchen kommen alle Materialien mit hoher Transparenz im Bereich der Wärmestrahlung in Betracht die einen größeren oder kleineren Brechungsindex als das- Bindemittel im Bereich der Wärmestrahlung haben.

Besonders vorteilhaft im Rahmen der Erfindung sind Materialien für die in dem Bindemittel dispergierten Teilchen, die insbesondere aus der Gruppe der folgenden ausgewählt werden können: Germanium, Silizium, Metallsulfide wie z.B. Bleisulfid, Metallselenide wie z.B. Zinkse- lenid, Metalltelluride oder auch Tellur selber, Chloride wie z.B. Natrium- und Kaiiumchlorid, Fiuoride wie z.B. Calciumfluorid, Lithiumfiuorid, Bariumfluorid und Natriumfluorid, Antimonide wie z.B. Indiumantimonid.

Die Auswahl an Materialien, die im Wellenlängenbereich der Wärmestrahlung transparent sind und dazu noch einen unterschiedlichen Brechungsindex zum Bindemittel haben, ist begrenzt Erfindungsgemäß können auch Teilchen mit künstlich erhöhtem und verringertem Brechungs¬ index für diese Anwendung benutzt werden.

Zur Darstellung von Teilchen mit künstlich erhöhtem Brechungsindex werden organische oder auch anorganische Bindemittel mit hoher Transparenz im Bereich der Wärmestrahlung mit kolloidalem Metallpuiver dessen Teilchengröße im Bereich 0,05 bis 1 μm liegt zu 10 bis 50 Volumenprozenten so beladen, daß die kolloidalen Teilchen gleichmäßig im Bindemittel ver¬ teilt sind. Das so beladene Bindemittel wird getrocknet und nach dem Trocknen auf die ge¬ wünschte Korngröße, die sich nach dem Brechungsindex des erhaltenen Materiales richtet vermählen. Durch die äußerst geringe Größe der kolloidalen Metallteilchen entstehen keine nachteiligen Reflexionserhöhungen in anderen Wellenlängenbereichen.

In Abhängigkeit von dem Beiaduπgsgrad mit kolloidalem Metallpulver und Brechungsindex des Bindemittels lassen sich so Teilchen herstellen, deren Brechungsiπdex deutlich über dem des Ausgangsmateriales liegt Bei einem Füllgrad von 30 Volumenprozenten mit kolloidalem Kup¬ fer dessen mittlerer Teilchendurchmesser unter 0,5 μm lag, ließ sich der Brechungsindex der als Bindemittel eingesetzten Polyäthylenschmeize von 1,5 auf 2,2 steigern. Das derart belade¬ ne Polyäthylen wurde anschließend mit flüssigem Stickstoff gekühlt und auf die gewünschte Teilchengrόße bei 2,5 μm heruntergemahlen.

Da die niedrige Emission bei des erfindungsgemäßen Anstrichstoffes vor allem dadurch er¬ reicht wird, daß die Brechungsindizes von eingelagerten Teilchen und Bindemittel unterschied¬ lich sind, kann erfindungsgemäß die niedrige Emission auch durch Einlagerung von Luft, also einer Füllung mit niedrigeren Brechungsindex, in ein Bindemittel erreicht werden. Grundsätz¬ lich gelten auch hier die gleichen Voraussetzungen wie im bereits beschriebenen Fall. Eine optimale Wirkung erhält man, wenn der Durchmesser der luftgefüllten Hohlräume im wesentli¬ chen so groß wie die halbe mittlere Wellenlänge des Bereiches ist in dem man eine niedrige . Emission bzw. hohe Reflexion wünscht Die Hohlräume können dabei auf mechanischen We¬ ge durch Sprühverfahren oder durch bekannte chemische Reaktionen in das Bindemittel ge¬ bracht werden.

Bei den bisher beschriebenen Methoden zur Darstellung eines niedrig emittierenden Anstrich¬ stoffes war es möglich insbesondere durch die Größe aber euch in Grenzen durch das Füllvo¬ lumen bzw. den Beiaduπgsgrad der in ein Bindemittel eingelagerten Teilchen die Wellenlän¬ gebereiche in denen die Farbe niedrig emittieren bzw. reflektieren soll, zu bestimmen. Will man jedoch eine möglichst breitbandig niedrig emittierende Farbe, so eignen sich hierfür an sich bekannte, vorgeformte Mikrohohlkugeln deren Wandungsmaterial im Bereich der Wärme¬ strahlung allerdings transparent sein muß und aus den oben bereits angegebenen Materialien bestehen kann. Auch hier ist es möglich, den Brechungsindex des Wandungsmateriales durch die Einlagerung von kolloidalen Metallteiichen künstlich zu erhöhen. Der Beladungsgradgrad eines Bindemittels mit den im Bereich der Wärmestrahlung transparenten Mikrohohlkugeln ist unkritisch, je höher der Beladungsgrad desto niedriger ist die Wärmeemission einer derart ausgeführten Anstrichstoff. Der Durchmesser der Mikrohohlkugeln sollte im Bereich 5 - 500 μm liegen inbesondere aber bei 10 bis 200 μm.

Ein weiterer Weg, einen niedrig emittierenden Anstrichstoff darzustellen, ist plättchenförmige, schichtförmige Pigmente einzulagern, die aus Materialien sind, die im Wellenlängenbereich der Wärmestrahlung transparent sind und aus der Reihe der bereits genannten Materialien stammen können oder aus an sich im Bereich der Wärmestrahlung transparenten Materialien deren Brechungsindex durch die Einlagerung von kolloidalen Metallteilchen künstlich einge¬ stellt wurde.

Aus dem Bereich der Effektlacke für die kosmetische Industrie oder auch für die Autoindustrie sind solche plättchenförmigen Interferenzpigmente bekannt In der DE OS 32 21 045 werden Perlglanzpigmente auf der Basis von beschichteten Glimmerschuppen beschrieben. Ihre Wirk¬ samkeit beschränkt sich allerdings auf den sichtbaren Bereich, da ihre interferenzerzeugenden Abmessungen speziell auf den Bereich des sichtbaren Lichtes dimensioniert sind und weil die eingesetzten Materialien im Bereich der Wärmestrahlung nicht transparent sind und absorbie¬ rend wirken. Es sind unterschiedliche Verfahren zur Herstellung solcher plättchenförmigen Pigmente bekannt In den meisten Fällen werden Substanzen chemisch auf Glimmerplättchen ausgefällt Es sind aber auch Herstellungsverfahren bekannt, bei denen Lackschichten auf ein laufendes Trocknerband z.B. mit einem Rakel aufgetragen werden um anschließend zu Pig¬ menten zerkleinert zu werden.

Mit den letztgenannten Verfahren lassen sich besonders kostengünstig Interfereπzpigmente mit guter Wirksamkeit im Bereich der Wärmestrahlung in der folgenden Weise herstellen. Es werden vorzugsweise drei Schichten aus insbesondere organischen im Bereich der Wärme¬ strahlung transparenten Materialien aufgetragen bei denen durch die unterschiedlichen Beia- dungsgrade mit kolloidalen Metallteilchen ein unterschiedlicher Brechungsindex eingestellt wurde. Zunächst wird hierbei eine Schicht mit möglichst hohem Brechungsindex aufgetragen, dann folgt eine Schicht mit möglichst geringem Brechungsindex, die letzte Schicht hat dann wiederum einen hohen Brechungsiπdex, wobei jede Schicht vor Auftragen der nächsten Schicht vorgetrocknet werden muß damit die Schichten nicht ineinander verfließen. Die Be- zeichnug möglichst hoher bzw. niedriger Brechungsindex des Materials für die jeweilige Schicht ist in Beziehung zu dem Brechungsindex des verwendetem Bindemittels zu sehen.

Nach Abtrocknung und Zermahlung erhält man Interferenzpigmente mit hoher Reflexion bzw. niedriger Emission im Bereich der Wärmestrahlung, die in ein für Wärmestrahlung durchlässi¬ ges Bindemittel eingebracht werden und zusammen einen Anstrichstoff mit Wirksamkeit im Be-zeich der Wärmestrahlung darstellen.

Als Bindemittel werden im Rahmen der Erfindung solche bevorzugt die im Bereich der Wär¬ mestrahlung eine hohe Transparenz aufweisen, wie z.B. Zyklo- oder Chlor-Kautschuk und Bit¬ umenbinder. Soll auch eine gute Beständigkeit gegen Öl, Benzin und Chemikalien vorliegen, so werden im Rahmen der Erfindung Binder bevorzugt die aus der Gruppe der Polyurethane, Acrylate, PVC-Mischpolymerisate, Poliäthylen/Vinylacetat-Mischpolimerisate, Butyl-Kautschuk und Silicon-Alkyd-Harze umfassenden Gruppe ausgewählt werden. In Abhängigkeit von den Anforderungen können auch modifizierte wässrige Bindemittel auf Polyäthylen basis wie Poli¬ gen PE und Poligen WE1 der BASF Ludwigshafen eingesetzt werden. Mischungen der wäss- rigen Polyäthylenbindemittel mitwässrigen Acrylatbindemitteln.

Es werden einige Beispiele zur Herstellung des erfindungsgemäßen Anstrichstoffes nachfol¬ gend angegeben.

Beispie! 1

In ein handelsübliches Lackbindemittel auf der Basis von Chlor-Kautschuk dessen Brechungs¬ index im Bereich der Wärmestrahlung bei ca. 1,6 liegt wurden 40 Volumenprozente bezogen auf den Festkörpergehalt des Bindemittels eines Siiiziumpuiver mit einer mittleren Korngröße von 1 ,7 μm und einem Brechungsindex von ca. 3,5 im Bereich der Wärmestrahlung einge¬ bracht Um ein Absetzen der Teilchen im Bindemittel weitgehend zu verhindern, wurde der Lackfilm einer Schnelltrocknung bei 80 Grad Celsius im Ofen unterzogen. Bei der anschlie¬ ßenden Vermessung der Reflexions- bzw. Emissionseigenschaften des dunkeigrauen Lackes wurde ein mittlerer Emissionsgrad von 20% (Reflexion 80%) im Wellenlängenbereich 4,5 bis 6 μm und 8 bis 13 μm festgestellt

Beispiel 2

Mit einer druckluftbetriebenen Spritzpistole für Heißkleber wurde Polyäthylen mit dosierter Luftzufuhr mehrlagig zu einer Gesamtdicke von 0,5 mm auf eine grundierte Metallplatte ge¬ spritzt Durch die dosierte Luftzufuhr enstanden im Polyäthylen Mikrohohlräume deren Durch¬ messer im Bereich von 5 bis 10 μm lagen. Durch Wiegen wurde ein Verhältnis von Luft zu Binder ermittelt das bei 50 Volumenprozenten lag. Bei der anschließenden Vermessung der Reflexions- bzw. Emissionseigenschaften der Schicht wurde ein mittlerer Emissionsgrad von 65% (Reflexion 35%) im Wellenlängenbereich 4,5 bis 5 μm und 8 bis 12 μm festgestellt

Beispiel 3

In eine Polyäthylenschmelze wurden 30 Volumenprozente Kupferteilchen mit einer mittleren Korngröße von 0,5 μm eingebracht und mit einem üblichen Arbeitsverfahren in der Schmelze verteilt Das dermaßen beladene Polyäthylen wurde anschließend mit flüssigem Stickstoff ge¬ kühlt und auf eine mittlere Teilchengröße von 3,5 μm gemahlen. Die so erhaltenen Teilchen wurden in einen handelsüblichen Binder auf der Basis von Zyklo-Kautschuk zu 35 Volumen¬ prozenten eingebracht Die Mischung wurde mit handelsüblichen transparenten Farbstoffen grün eingefärbt und auf eine grundierte Metallplatte gestrichen. Bei der anschließenden Ver¬ messung der Reflexions- bzw. Emissionseigenschaften des Anstriches wurde ein breitbaniger Emissionsgrad von 75% (Reflexion 25%) im gesamten Wellenlängenbereich der Wärmestrah¬ lung festgestellt mit Abweichungen in den Bereichen 4,5 bis 5 μm und 8 bis 12 μm. In diesen Bereichen lag der Emissionsgrad bei 35% (Reflexion 65%).

Beispiel 4

In eine wässrige Dispersion Poiigen WE1, ein Polyäthylenoxidat der Firma BASF wurden Mi¬ krohohlkugeln aus einem im Bereich der Wärmestrahlung transparenten Material auf der Basis von Silizium und Kalziumfluorid sowie diversen Oxiden zur Schmelzpunktherabsetzung zu 50 Volumenprozenten eingebracht Der Durchmesser der Mikrohohlkugeln lag im Bereich 30 bis 80 μm mit Wandungsstärken im Bereich 1 bis 3 μm. Die Mischung wurde mit ultrafeinen (Durchmesser kleiner 1 μm) Weißpigmenten aus Zinksulfid weiß abgetönt und anschließend bezüglich ihrer Emissionseigenschaften im Bereich der Wärmestrahlung vermessen. Es wurde ein Emissionsgrad von 30% (Reflexion 70%) über den gesamten Bereich der Wärmestrahlung festgestellt Lediglich im Bereich 4 bis 6 μm lag der Emissionsgrad bei 65% (Ref!exion35%).

Beispiel 5

In ein handelsübliches Bindemittel auf der Basis von Zyklo-Kautschuk, der im Bereich der Wärmestrahlung eine hohe Transparenz hat wurden Kupferteilchen deren mittlerer Durch¬ messer unter 0,5 μm lag zu 30 Volumenprozenten eingebracht Die Mischung wurde über Lö¬ sungsmittel so verdünnt daß sich nach Austrocknen des auf eine Teflonplatte aufgspritzten Lackes eine Filmdicke von 1 bis 1,5 μm ergab. Auf den ausgehärteten Film wurde eine weite¬ rer Film eines Zyklo-Kautschuk-Lackes ohne die Kupferteilchen gespritzt dessen Schichtdicke nach Austrocknung und Aushärtung bei 2 bis 3 μm lag. Danach wurde auf diese zweite Schicht wiederum die Schicht mit den Kupferteilchen aufgetragen. Die so erhaltene Schicht wurde von der Teflonplatte abgeschabt und im Mörser zerkleinert Nach Absieben von zu fein gemahlenen Staubpartikeln wurden die plättchenförmigen, im Bereich der Wärmestrahlung transparenten Schichtpigmente unter einem Mikroskop gesichtet Ihre Flächenabmessungen lagen bei 10 bis 20 μm und ihre Schichtdicke bei 4 bis 6 μna. Durch den Schichtaufbau mit un¬ terschiedlichen Brechungsiπdizes hatten die Schichtpigmente eine hohe Reflexion im Bereich der Wärmestrahlung. Die Schichtpigmente wurden zu 25 Volumenprozenten in eine modifi¬ zierte Dispersion Poligen WE1 der BASF eingebracht und nach farblicher Abtönung mit ultra¬ feinen (Durchmesser kleiner 1 μm) Weißpigmenten weiß eingefärbt im Wellenlängenbereich der Wärmestrahlung vermessen. Die Emission im Weilenlängenbereich 6 bis 14 μm lag bei 35% (Reflexion 65%) und im Wellenlängenbereich 2 bis 5 μm bei 70% (Reflexion 30%).