WO2010112481A1 - Method for producing sol-gel anti-corrosion coatings for solar absorbers - Google Patents

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WO2010112481A1 PCT/EP2010/054150 EP2010054150W WO2010112481A1 WO 2010112481 A1 WO2010112481 A1 WO 2010112481A1 EP 2010054150 W EP2010054150 W EP 2010054150W WO 2010112481 A1 WO2010112481 A1 WO 2010112481A1
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Abstract

The invention relates to a method for producing sol-gel anti-corrosion coatings for solar absorbers, the surfaces of which are composed of thin layers of cermet materials, which are deposited on a metallic substrate. The method comprises mixing at least one mercaptosilane dissolved in an organic solvent with water and an acid catalyst and with an optionally present further silane, bringing a substrate into contact with the resulting sol mixture over a period of time that is sufficient for allowing a film of at least monomolecular thickness developing on the substrate to be formed on the substrate, removing the sol mixture from the substrate, and drying and finally heat-treating the substrate.

Description

ALANOD Aluminium-Veredlung GmbH & Co. KG, Egerstraße 12, D-58256 Ennepetal ALANOD Aluminium-Veredlung GmbH & Co. KG, Egerstr. 12, D-58256 Ennepetal
„Verfahren zur Herstellung von Sol-Gel-Korrosionsschutzbeschichtungen für Solarabsorber""Process for the preparation of sol-gel corrosion protection coatings for solar absorbers"
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Sol-Gel-Korrosionsschutz- beschichtungen für Solarabsorber. Derartige Solarabsorber-Oberflächen sind aus dünnen Schichten von Cermet-Materialien hergestellt, die auf ein metallisches Substrat abgeschieden werden.The invention relates to a process for the preparation of sol-gel corrosion protection coatings for solar absorbers. Such solar absorber surfaces are made of thin layers of cermet materials deposited on a metallic substrate.
Materialzerstörung durch Umwelteinflüsse, insbesondere bei metallischen oder metallisierten Vorrichtungen bzw. Geräten, verursacht hohe Kosten, die durch die Verwendung von geeigneten, mittels verschiedener Techniken aufbringbarer Schutz- beschichtungen vermieden werden können. Dies betrifft auch Sonnenkollektoren. So haben die zunehmenden Forderungen nach einem Ersatz für den Verbrauch von fossilen Brennstoffen zur Gebäudeheizung, die etwa 50 Prozent des Gesamtenergieverbrauchs in einem Haushalt darstellt, die Entwicklung von Fassaden-Sonnen- kollektorsystemen eingeleitet. Wenn solche Absorber ohne zusätzliche Verglasung eingesetzt werden, muss dem Witterungseinfluss, dem sie ausgesetzt sind, auf andere Weise Rechnung getragen werden. So sind zwar die zahlreichen kommerziellen Cermet-Beschichtungen, z. B. mit dunkelblauer Färbung, ein guter Kompro- miss, was ihre Farbe und spektrale Selektivität angeht, es muss jedoch, bevor eine solche Beschichtung verwendet werden kann, ihre Korrosionsstabilität verbessert werden.Material destruction by environmental influences, in particular in the case of metallic or metallized devices or devices, causes high costs, which can be avoided by the use of suitable protective coatings that can be applied by various techniques. This also applies to solar panels. For example, the growing demand for replacing fossil fuel for building heating, which accounts for approximately 50 percent of household energy consumption, has led to the development of façade solar collector systems. If such absorbers are used without additional glazing, the effect of the weather to which they are exposed must be taken into account in a different way. Thus, while the numerous commercial cermet coatings, z. Dark color, a good compromise in terms of color and spectral selectivity, but it must, before one such coating can be used, its corrosion resistance can be improved.
Bekannte Untersuchungen zur Korrosionsstabilität - wie beispielsweise: S. Brunold; U. Frei; B. Carlsson; K. Moller; M. Kohl, Solar Energy Materials and Solar CeIIs 2000, 61 , (3), 239-253 - beschäftigen sich dabei naturgemäß mit der Bedeutung der Langzeitstabilität von solaren Absorberbeschichtungen bis hin zur Effizienz der Umwandlung von Sonnenstrahlung zu Wärme. Derartige Problemstellungen sind insofern nicht einfach zu lösen, als sie neben einem Detailverständnis und der Bewertung von Möglichkeiten zur Verhinderung der Korrosion auch Kenntnisse zur Herstellung von Sperrschichten erfordern, welche den korrosiven Abbau von Beschich- tungen ohne eine Veränderung ihrer optischen Eigenschaften verhindern können.Known investigations on corrosion stability - such as: S. Brunold; U. Free; Carlsson; K. Moller; M. Kohl, Solar Energy Materials and Solar CeIIs 2000, 61, (3), 239-253 - are naturally concerned with the importance of the long-term stability of solar absorber coatings up to the efficiency of the conversion of solar radiation to heat. Such problems are not easy to solve in that, in addition to a detailed understanding and the evaluation of possibilities for preventing corrosion, they also require knowledge for the production of barrier layers, which can prevent the corrosive degradation of coatings without changing their optical properties.
Eine bekannte Möglichkeit, um einer unzureichenden Langzeitstabilität von Absorbern abzuhelfen, ist die Herstellung von Absorberoberflächen, die aus zahlreichen Schichten bestehen, welche u. a. die Korrosionsstabilität verbessern, wie dies z. B. in der EP 1 867 934 A1 beschrieben ist. Eine solche Mehrschichtenstruktur kann aber nur in vielen aufeinanderfolgenden Beschichtungsschritten hergestellt werden, was den Preis eines solchen Absorbers erheblich erhöht. Auch wenn eine befriedigende Korrosionshemmung durch die Aufbringung von dünnen Beschichtungen (unter 1000 nm) mit Hilfe einer chemischen Dampfabscheidung (CVD), einer physikalischen Dampfabscheidung (PVD) oder einer durch Sputtern und Plasma gestützten chemischen Dampfabscheidung (PECVD) erzielt werden kann, erfordert eine solche Abscheidung kostspielige Vakuumabscheidungs-Techniken, wie diese exemplarisch in der ES 2 061 399 A1 beschrieben sind.One known way to remedy insufficient long-term stability of absorbers is the production of absorber surfaces, which consist of numerous layers, which u. a. improve the corrosion stability, as z. As described in EP 1 867 934 A1. However, such a multilayer structure can only be produced in many successive coating steps, which considerably increases the price of such an absorber. Although satisfactory corrosion inhibition can be achieved by the application of thin coatings (below 1000 nm) by means of chemical vapor deposition (CVD), physical vapor deposition (PVD) or sputtering and plasma chemical vapor deposition (PECVD) Deposition costly vacuum deposition techniques, as described by way of example in the ES 2 061 399 A1.
Demgegenüber kann eine Sol-Gel-Behandlung mit relativ geringem apparativem Aufwand und bei milden Verarbeitungs- und Umgebungsbedingungen bewerkstelligt werden. Hier sind Silane mit der allgemeinen Formel (R-Si-(OR1)3, worin R ein Ami- noalkyl-, Acryloxypropyl-, Glycidoxypropyl, Isocyanatopropyl-, Alkylaryl- oder ein anderes ähnliches Radikal, und OR1 eine Ethoxy-, Methoxy-, Acetoxy- oder eine an- dere Oxygruppe sind, sowie auch ein bis-end-verkapptes (OR'-Polymer-OR')-Silan die am meisten verwendeten Precursoren für die Herstellung von Dünnfilmen für den Korrosionsschutz. Diese Beschichtungen fungieren als Korrosionssperrschicht, indem sie korrosive Medien von dem zu schützenden Metall fernhalten, wo ansonsten kathodische oder anodische Korrosionsreaktionen diffusionsgesteuert ablaufen. Da die antikorrosive Wirkung von der Schichtdicke abhängig ist, müssen zur Erzielung eines ausreichenden Schutzes dabei verhältnismäßig dicke Beschichtungen aufgebracht werden, wie dies in der US 3 935 349, US 4 754 012, US 5 814 137, US 6 261 638, US 7 141 306, WO 2007/085339 A1 sowie in: M. Fir; B. Orel; A.S. Vuk; A. Vilcnik; R. Jese; V. Francetic, Langmuir 2007, 23, (10), 5505-5514 beschrieben ist.In contrast, a sol-gel treatment can be accomplished with relatively little equipment and with mild processing and environmental conditions. Here, silanes having the general formula (R-Si (OR 1 ) 3 wherein R is an aminoalkyl, acryloxypropyl, glycidoxypropyl, isocyanatopropyl, alkylaryl, or other similar radical, and OR 1 is ethoxy, methoxy , Acetoxy or another As well as a bis-end-capped (OR'-polymer-OR ') silane are the most commonly used precursors for the production of thin films for corrosion protection. These coatings act as a corrosion barrier by keeping corrosive media away from the metal to be protected where otherwise cathodic or anodic corrosion reactions are diffusion controlled. Since the anticorrosive effect is dependent on the layer thickness, comparatively thick coatings must be applied in order to achieve adequate protection, as described in US Pat. Nos. 3,935,349, 4,754,012, 5,814,137, 6,261,638 and 7,141 306, WO 2007/085339 A1 and in: M. Fir; Orel; AS Vuk; A. Vilcnik; R. Jese; V. Francetic, Langmuir 2007, 23, (10), 5505-5514.
Wie in der WO 02/072283 A1 und der US 5 750 197 beschrieben, sind hauptsächlich auf Aluminiumlegierungen auch schon Mercaptosilane für die Herstellung von Schutzfilmen verwendet worden, jedoch wurden diese nicht als wirksamer Korrosionshemmer für spektral selektive Oberflächen erkannt.As described in WO 02/072283 A1 and US Pat. No. 5,750,197, mercaptosilanes have also been used mainly for the production of protective films on aluminum alloys, but they have not been recognized as effective corrosion inhibitors for spectrally selective surfaces.
In der Vergangenheit wurden auch ultradünne gleichmäßige Sol-Gel-Beschichtun- gen hergestellt, die für das menschliche Auge unsichtbar sind, bei denen jedoch die Antikorrosionsleistung durch Alterung stark abnahm. Auch leidet ein solches, beispielsweise aus der US 5 175 027 bekanntes Verfahren unter einer sehr kurzen möglichen Verarbeitungszeit von der Herstellung des SoIs bis zu dessen Aufbringung. Für Sonnenreflektoren, die für die Bündelung von Sonnenlicht in Hochtemperatur-Kollektoren eingesetzt werden, wurden relativ dicke Sol-Gel-Beschichtungen aufgebracht, jedoch bestand dabei keine Forderung nach einem niedrigen thermischen Emissionsgrad, wie diese z. B. in der WO 2007/059883 A1 erhoben wird. Für die Aufbringung von Schutzschichten auf einen Solarabsorber erweist sich ein solches Verfahren als unzureichend, da sowohl die Schichtdicke, als auch eine noch ungenügende Korrosionsstabilität einen zu großen Einfluss auf den thermischen Emissionsgrad und das solare Absorptionsvermögen zeigen. Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Entwicklung eines Verfahrens der eingangs genannten Art zur Herstellung von insbesondere ultradünnen, d. h. von 1 bis 500 nm dicken, Beschichtungen, welche einerseits einen ausreichenden Korrosionsschutz gewährleisten, andererseits aber die optischen Eigenschaften von solaren selektiven Oberflächen nicht verschlechtern. Insbesondere bedeutet das, dass das solare Absorptionsvermögen αs dabei nicht abnehmen und der thermische Emissionsgrad £τ unter 0,20 bleiben sollten.In the past, even ultrathin uniform sol-gel coatings have been made that are invisible to the human eye, but where the anticorrosive performance of aging has decreased significantly. Such a process, known for example from US Pat. No. 5,175,027, also suffers from a very short possible processing time from the production of the sol to its application. For solar reflectors, which are used for the bundling of sunlight in high-temperature collectors, relatively thick sol-gel coatings were applied, but there was no requirement for a low thermal emissivity, as this z. B. in WO 2007/059883 A1 is collected. For the application of protective layers on a solar absorber, such a method proves to be insufficient, since both the layer thickness, as well as a still insufficient corrosion stability too great an influence on the thermal emissivity and the solar absorbance show. The object of the present invention is the development of a method of the type mentioned for the production of ultra-thin, ie from 1 to 500 nm thick coatings, which on the one hand ensure adequate corrosion protection, but on the other hand, do not degrade the optical properties of solar selective surfaces. In particular, this means that the solar absorptivity α s should not decrease and the thermal emittance ετ should remain below 0.20.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst das Mischen von mindestens einem in einem organischen Lösungsmittel gelösten Mercaptosilan mit Wasser und einem Säurekatalysator, die Applikation der entstandenen Sol-Mischung auf ein Substrat über eine Einwirkzeit, die ausreichend ist, um einen mindestens monomolekularen Film auf dem Substrat zu bilden, die Trennung von SoI und befilmten Substrat sowie ein nachfolgendes Trocknen und eine abschließende Wärmebehandlung. Optional kann das anfängliche Mischen des Mercaptosilans dabei auch mit mindestens einem weiteren Silan erfolgen.The method according to the invention comprises mixing at least one mercaptosilane dissolved in an organic solvent with water and an acid catalyst, applying the resulting sol mixture to a substrate for an exposure time sufficient to form an at least monomolecular film on the substrate, the separation of sol and film-coated substrate and a subsequent drying and a final heat treatment. Optionally, the initial mixing of the mercaptosilane can also be carried out with at least one further silane.
Erfindungsgemäß können so nanodünne Sol-Gel-Korrosionsschutzfilme auf Mer- captosilanbasis, bevorzugt mit einer Dicke zwischen 0,5 und 500 nm, auf verschiedenartigen metallischen Substraten hergestellt werden - einschließlich metallischer Folien, die auf ihrer Oberfläche mit optisch wirksamen Schichtsystemen versehen sind, die hoch selektive Cermet-Schichten, wie aus Chromoxynitrid-, Titanoxynitrid- oder Titan-Aluminium-Oxynitrid enthalten und in Sonnenwärmeanwendungen zum Einsatz kommen. Am bemerkenswertesten ist dabei die Anwendung dieser Beschichtungen auf Sonnenwärme-Absorberoberflächen. Die erfindungsgemäßen Beschichtungen gewährleisten vorteilhafterweise einen sehr guten Korrosionsschutz und verschlechtern den thermischen Emissionsgrad dieser Oberflächen, der höchstens um wenige Prozentpunkte zunehmen kann, nicht, wobei sich das solare Absorptionsvermögen sogar erhöht. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungsmerkmale und Vorteile der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung und in den Unteransprüchen enthalten, wobei anhand von bevorzugten, in den beiliegenden Zeichnungsfiguren dargestellten Ausführungsbeispielen das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert wird. Dabei zeigen:In accordance with the invention, mercaptosilane-based sol-gel corrosion protection films, preferably having a thickness of between 0.5 and 500 nm, can be produced on various metallic substrates, including metallic films provided with optically effective layer systems on their surface selective cermet layers, such as chromoxynitride, titanium oxynitride or titanium-aluminum oxynitride, used in solar heat applications. Most notable is the application of these coatings to solar heat absorber surfaces. The coatings according to the invention advantageously ensure very good corrosion protection and do not impair the thermal emissivity of these surfaces, which can increase by at most a few percentage points, with the solar absorption capacity even increasing. Further advantageous design features and advantages of the invention are contained in the following description and in the dependent claims, wherein the method according to the invention is explained in more detail with reference to preferred embodiments illustrated in the accompanying drawings. Showing:
Fig. 1 Fotos von in Salzsprühkammern exponierten, unterschiedlich antikorrosiv behandelten, cermetbeschichteten Proben,1 photos of cermet-coated samples exposed in salt spray chambers, differently anticorrosive treated,
Fig. 2 im Vergleich, potentiodynamische Kurven eines erfindungsgemäß beschichteten und eines unbeschichteten Cermets,2 in comparison, potentiodynamic curves of a coated according to the invention and an uncoated cermet,
Fig. 3 im Vergleich, hemisphärische Reflexionsspektren eines erfindungsgemäß beschichteten und eines unbeschichteten Cermets,3 shows a comparison, hemispherical reflection spectra of a coated according to the invention and an uncoated cermet,
Fig. 4 Fotos von in Salzsprühkammern exponierten, unterschiedlich antikorrosiv behandelten, Aluminiumproben.Fig. 4 Photos of exposed in Salzsprühkammern, different anti-corrosive treated, aluminum samples.
Erfindungsgemäß kann die Herstellung von nanodünnen Antikorrosionsfilmen - insbesondere mit einer Dicke im Bereich von 0,5 bis 500 nm - auf solaren, spektral selektiven Oberflächen erfolgen, wie sie für die unter den Namen Sunselect, TiNOX und Eta plus kommerziell verfügbaren Solarbsorber typisch sind, welche aus Metallblech, wie aus Aluminium, Kupfer, Eisen oder deren Legierungen, hergestellt und mit einer, beispielsweise aus Chrom- und Titanoxynitrid bestehenden Cermet-Absorber- Schicht sowie gegebenenfalls weiteren, z. B. oberflächlich angeordneten Antireflex- und/oder Schutzschichten aus Zinn- oder Siliziumoxid überzogen sind.According to the invention, the production of nanodynic anti-corrosion films - in particular with a thickness in the range from 0.5 to 500 nm - can be carried out on solar, spectrally selective surfaces, as are typical of the solar absorbers commercially available under the names Sunselect, TiNOX and Eta plus, which made of sheet metal, such as aluminum, copper, iron or their alloys, and with a, for example, chromium and titanium oxynitride existing cermet absorber layer and optionally further, z. B. superficially arranged antireflection and / or protective layers of tin or silicon oxide are coated.
Durch Fig. 1 ist die erhöhte antikorrosive Wirkung der erfindungsgemäßen Beschich- tung auf kommerziell verfügbarem Sunselect-Material dargestellt. Dieses Material wird als Absorberbeschichtung für Sonnenkollektoren eingesetzt und unterscheidet sich durch einen extrem niedrigen Emissionsgrad und eine blaue Färbung von anderen selektiven Beschichtungen für die Solarindustrie. Sunselect ist ein Absorber- material, bei dem sich auf einem Kupferträger ein optisches Mehrschichtsystem befindet, dessen oberste Schicht eine aus Zinnoxid SnO2 bestehende Antireflexions- schicht ist. Eine unmittelbar darunter liegende Schicht ist eine absorbierend wirkende Schicht, die aus Chromoxynitrid CrNOx besteht. Unter dieser Schicht wiederum liegt eine metallische IR-Reflexionsschicht. Die verschiedenen Schichten sind großflächig auf das Metallsubstrat aufgesputtert.1 shows the increased anticorrosive effect of the coating according to the invention on commercially available Sunselect material. This material is used as an absorber coating for solar panels and differs from other selective coatings for the solar industry by its extremely low emissivity and blue coloration. Sunselect is an absorber material in which a multilayer optical system is located on a copper carrier, the uppermost layer of which is an antireflection coating made of tin oxide SnO 2. An immediately underlying layer is an absorbing layer consisting of chromium oxynitride CrNO x . Under this layer, in turn, lies a metallic IR reflection layer. The various layers are sputtered over a large area onto the metal substrate.
Fig. 1 zeigt Fotos von drei unterschiedlich geschützten Proben der Größe 5 cm * 5 cm, die in einer Kammer einem Salzsprühtest nach ASTM B 117-07a: („Standard Practice for Operating Salt Spray (Fog) Apparatus") ausgesetzt wurden.Fig. 1 shows photographs of three differently protected 5 cm x 5 cm samples exposed in a chamber to a salt spray test according to ASTM B 117-07a: ("Standard Practice for Operating Salt Spray (Fog) Apparatus").
Die linke Probe (a) besaß eine ungeschützte, bereits nach 24 Stunden Korrosionserscheinungen zeigende Cermetoberfläche, die mittlere Probe (b) hatte eine mit einer bekannten, nicht erfindungsgemäßen Beschichtung geschützte, nach 120 Stunden Korrosionserscheinungen zeigende Cermetoberfläche, welche auf der Basis von Polyphenylsilsesquioxan hergestellt war, und die rechte Probe (c) wies eine mit 3- Mercaptopropyltrimethoxysilan-Sol (MPTMS) geschützte Cermetoberfläche auf, die selbst nach 480 h noch keine Korrosionserscheinungen zeigte. Es ist zu sehen, dass der Schutz mit MPTMS die Korrosionsstabilität in einer Salzsprühkammer in signifikanter Weise verbessert.The left sample (a) had an unprotected cermet surface already showing corrosion after 24 hours, the middle sample (b) had a cermet surface protected by a known non-inventive coating and exhibiting corrosion after 120 hours of corrosion, which was prepared on the basis of polyphenylsilsesquioxane and the right sample (c) had a cermet surface protected with 3-mercaptopropyltrimethoxysilane sol (MPTMS), which showed no signs of corrosion even after 480 hours. It can be seen that protection with MPTMS significantly improves the corrosion stability in a salt spray chamber.
In Fig. 2 sind potentiodynamische Kurven von ungeschütztem (Kurve a) und mit MPTMS geschütztem Sunselect (Kurve b) zu sehen. Die potentiodynamischen Messungen wurden auf mit dem Potentiostat-Galvanostat-Gerät AUTOLAB PGSTAT30 durchgeführt, wobei eine Drei-Elektroden-Zelle K0235 der Fa. Princton Applied Research benutzt wurde. Die zu untersuchende Probe wurde als Arbeitselektrode geschaltet, während ein Platingitter als Gegenelektrode und Ag/AgCI als Referenzelektrode eingesetzt wurden. In einem Messbereich von - 0,5 V bis 0,9 V wurden mit einer Scangeschwindigkeit von 0,5 mV/s in einem 0,5-molaren NaCI-Elektrolyten Potentialdifferenz-Polarisationskurven aufgenommen. Wie der Vergleich der beiden Kurven a, b veranschaulicht, bewirkt die Beschichtung, dass es zu einer Abnahme des Korrosionsstroms und einer Verschiebung des Korrosionspotentials zu negativeren Werten kommt, was ein Indiz dafür ist, dass MPTMS als Mischinhibitor (Inhibitor mit anodischer und kathodischer Wirkung) mit einer jedoch ausgeprägteren kathodischen Effizienz agiert.FIG. 2 shows potentiodynamic curves of unprotected (curve a) and MPTMS-protected Sunselect (curve b). The potentiodynamic measurements were carried out with the potentiostat galvanostat device AUTOLAB PGSTAT30, using a three-electrode cell K0235 from Princton Applied Research. The sample to be examined was switched as a working electrode, while a platinum grid was used as the counter electrode and Ag / AgCl as the reference electrode. In a measuring range of -0.5 V to 0.9 V, potential difference polarization curves were recorded at a scanning speed of 0.5 mV / s in a 0.5 molar NaCl electrolyte. As the comparison of the two curves a, b illustrates, the coating causes it to decrease the corrosion current and a shift of the corrosion potential to more negative values, indicating that MPTMS acts as a mixed inhibitor (anodic and cathodic inhibitor) with a more pronounced cathodic efficiency.
In Fig. 3 ist das hemisphärische Reflexionsspektrum von geschütztem (Kurve a) und nicht geschütztem Sunselect (Kurve b) mit berechneten Werten des solaren Absorptionsvermögens αs und des thermischen Emissionsgrads εj dargestellt. Die optischen Eigenschaften der Proben wurden durch die Messung der IR-Absorptions- und Refexionsspektren an Proben mit einer Mindestgröße von 5 cm * 5 cm gemessen. Die Reflexionsspektren im sichtbaren Bereich (VIS) und im infrarot-nahen Bereich (NIR) wurden mit dem Gerät Perkin Eimer Lambda 950 UVA/is/NIR unter Einsatz einer integrierenden Kugel (Modul 150 mm) bestimmt, während die Spektren im mittleren IR-Bereich durch Einsatz eines Spektometers Bruker IFS 66/S bestimmt wurden, das mit einer integrierenden Kugel (OPTOSOL) ausgerüstet war. Als Standard für die diffuse Reflexion wurde eine Goldplatte benutzt. Die Werte des solaren Absorptionsvermögens αs und des thermischen Emissionsgrads εj wurden nach einem Standardverfahren berechnet, das in M. Kohl, G. Jorgensen, A. W. Czandera: Performance and Durability Assessment, Optical Materials for Solar Thermal Systems, Elsevier, The Netherlands, 2004 und von M. G. Hutchins: Spectrally selective matehals for efficient visible, solar and thermal radiation control, in: M. Santamouris (Hrsg.), Solar Thermal Technologies for Buildings, James & James, London, 2003 beschrieben ist.FIG. 3 shows the hemispherical reflection spectrum of protected (curve a) and unshielded Sunselect (curve b) with calculated values of the solar absorptivity α s and the thermal emissivity ε j. The optical properties of the samples were measured by measuring the IR absorption and reflection spectra on samples with a minimum size of 5 cm * 5 cm. Visible (VIS) and near-infrared (NIR) reflectance spectra were determined with the Perkin Elmer Lambda 950 UVA / is / NIR device using an integrating sphere (150 mm module), while the mid IR spectra were determined were determined using a Bruker IFS 66 / S spectrometer equipped with an integrating sphere (OPTOSOL). As standard for the diffuse reflection, a gold plate was used. The values of the solar absorptivity α s and the thermal emissivity εj were calculated according to a standard method described in M. Kohl, G. Jorgensen, AW Czandera: Performance and Durability Assessment, Optical Materials for Solar Thermal Systems, Elsevier, The Netherlands, 2004 and by MG Hutchins: Spectrally selective matehals for efficient visible, solar and thermal radiation control, described in: M. Santamouris (ed.), Solar Thermal Technologies for Buildings, James & James, London, 2003.
Der Kurvenvergleich weist auf keine signifikante Veränderung der Selektivität durch die Beschichtung hin. Die Zunahme des thermischen Emissionsgrads einer erfindungsgemäß geschützten Probe betrug weniger als 0,35, typischerweise weniger als 0,10. Eine Zunahme von weniger als 0,05 könnte erzielt werden, wenn man einer entsprechenden Herstellung der erfindungsgemäßen Beschichtung eine diesbezüglich noch höhere Aufmerksamkeit widmen würde. Die Erhaltung der Selektivität einerseits und die Erhöhung der Korrosionsstabilität andererseits sind die wichtigsten Effekte der vorliegenden Erfindung.The curve comparison indicates no significant change in selectivity through the coating. The increase in the thermal emissivity of a sample protected according to the invention was less than 0.35, typically less than 0.10. An increase of less than 0.05 could be achieved if one were to pay even more attention to a corresponding preparation of the coating according to the invention. The preservation of selectivity on the one hand, and the increase in corrosion stability, on the other hand, are the most important effects of the present invention.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Erhöhung des Korrosionsschutzes ist auch für blanke metallische Substrate, wie Kupfer, Aluminium, Eisen und deren Legierungen, geeignet. Dies wird durch Fig. 4 veranschaulicht, wo Fotos von AI 2024-T3-Proben der Größe 5 cm * 5 cm abgebildet sind, die ebenfalls in Salzsprühkammern einem Salzsprühtest nach dem o. g. Standard ASTM B 117-07a unterzogen wurden. Die Exposition der Proben erfolgte über verschiedene Zeiträume. In der oberen Reihe sind dabei nicht erfindungsgemäße, unzureichend mit einer Schicht auf der Basis von Isobutyltrimethoxysilan geschützte Proben gezeigt, während die Fotos in der unteren Reihe Proben darstellen, die erfindungsgemäß mit einem MPTMS enthaltenden SoI gemäß dem noch nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiel 3 geschützt waren. Es ist ersichtlich, dass die erfindungsgemäß geschützten Proben eine hervorragende Korrosionsstabilität in der Salzsprühkammer zeigen, wobei die Korrosion erst nach 13 Tagen einsetzte, während im Vergleich dazu die Proben mit der Beschichtung, die kein MPTMS enthielt, schon nach einem Tag völlig korrodiert waren.The inventive method for increasing the corrosion protection is also suitable for bare metallic substrates such as copper, aluminum, iron and their alloys. This is illustrated by Fig. 4, where photos of AI 2024-T3 samples of size 5 cm * 5 cm are shown, which are also in salt spray chambers a salt spray test after the o. Standard ASTM B 117-07a were subjected. The exposure of the samples took place over different periods. The upper row shows samples not adequately protected by a layer based on isobutyltrimethoxysilane according to the invention, while the photos in the lower row represent samples which were protected according to the invention with a sol containing MPTMS according to Embodiment 3 described below. It can be seen that the samples protected according to the invention show excellent corrosion stability in the salt spray chamber, corrosion only beginning after 13 days, whereas in comparison the samples with the coating containing no MPTMS were completely corroded after one day.
Der Schutz eines Substrates kann erfindungsgemäß insbesondere durch die Aufbringung einer Mischung aus folgenden Bestandteilen erreicht werden:The protection of a substrate can be achieved according to the invention in particular by the application of a mixture of the following constituents:
i) 30 Masseprozent bis 98 Masseprozent, vorzugsweise mehr als 60i) 30% by mass to 98% by mass, preferably more than 60%
Masseprozent, eines organischen Lösungsmittels, vorzugsweise eines aliphatischen Alkohols, wie insbesondere Ethanol, oder auch 3-Butoxy- 2-propanol oder Propylenglykolmonobutylether;Percent by mass, of an organic solvent, preferably an aliphatic alcohol, in particular ethanol, or else 3-butoxy-2-propanol or propylene glycol monobutyl ether;
ii) 0,01 Masseprozent bis 70 Masseprozent, vorzugsweise 0,02 Masseprozent bis 60 Masseprozent, mindestens eines Mercaptosilans der allgemeinen Formel:
Figure imgf000010_0001
ii) 0.01% by mass to 70% by mass, preferably 0.02% by mass to 60% by mass, of at least one mercaptosilane of the general formula:
Figure imgf000010_0001
worin R1, R2 unabhängig voneinander ausgewählt sind aus Alkyl- (1 - 14 C), Cycloalkyl- oder Arylgruppen, wobei jeweils n eine ganze Zahl von 0 bis 20, m eine ganze Zahl von 0 bis 2 ist und r eine ganze Zahl von 1 bis 3 ist, wobei gilt: m + r = 3;wherein R 1 , R 2 are independently selected from alkyl (1 - 14 C), cycloalkyl or aryl groups, wherein each n is an integer from 0 to 20, m is an integer from 0 to 2 and r is an integer from 1 to 3, where: m + r = 3;
iii) eines sauren Katalysators (jede Verbindung, deren wässrige Lösung einen pH-Wert zwischen 0 - 6,9 aufweist) aus der Gruppe, die aus HCl, HBr, Hl, HNO3, H2SO4, H3PO4, Ameisen-, Essig-, Propion-, Butter-, Salicyl-, Trifluoressig-, Trichloressig-, Trifluormethansulfon- und Me- thansulfonsäure besteht, so dass die Endkonzentration 1 μmol bis 1 mmol beträgt;iii) an acid catalyst (any compound whose aqueous solution has a pH between 0-6.9) selected from the group consisting of HCl, HBr, HI, HNO 3 , H 2 SO 4 , H 3 PO 4 , ants -, acetic, propionic, butyric, salicylic, trifluoroacetic, trichloroacetic, trifluoromethanesulfonic and methanesulfonic acid, so that the final concentration is 1 .mu.mol to 1 mmol;
iv) 0,001 Masseprozent bis 50 Masseprozent, vorzugsweise 0,01 Masseprozent bis 45 Masseprozent, Wasser;iv) 0.001% by mass to 50% by mass, preferably 0.01% by mass to 45% by mass, of water;
v) 0 Masseprozent bis 50 Masseprozent; vorzugsweise 0 Masseprozent bis 40 Masseprozent eines weiteren, einfach endverkappten hydro- lysierbaren Silans mit der allgemeinen Formel:v) 0% by mass to 50% by mass; preferably 0% by mass to 40% by mass of another, singly end-capped, hydrolyzable silane having the general formula:
Figure imgf000010_0002
worin - jedoch nicht darauf beschränkt - R1, R2 unabhängig voneinander ausgewählt sind aus Alkyl- (1 - 10 C-Atome), Cycloalkyl- (1 - 10 C- Atome) oder Arylgruppen, wobei jeweils m eine ganze Zahl von 0 bis 2, n eine ganze Zahl von 0 bis 3 und r eine ganze Zahl von 1 bis 4 ist, wobei gilt: m + n + r = 4, und worin - jedoch nicht darauf beschränkt - R3 unabhängig von R1 und R2 ausgewählt ist aus Alkyl-, Cycloalkyl-, substituierten Alkyl-, substituierten Cycloalkyl-, Arylgruppen, substituierten Arylgruppen, fluorierten Alkylgruppen, fluorierten Arylgruppen oder fluorierten Cyclo- alkylgruppen,
Figure imgf000010_0002
wherein R 1 , R 2 are independently selected from alkyl (1-10 C-atoms), cycloalkyl- (1-10 C-atoms) or aryl groups, wherein each m is an integer from 0 to 2, n is an integer from 0 to 3 and r is an integer from 1 to 4, where: m + n + r = 4, and wherein, but not limited to, R 3 is independently selected from R 1 and R 2 is selected from alkyl, cycloalkyl, substituted alkyl, substituted cycloalkyl, aryl groups, substituted aryl groups, fluorinated alkyl groups, fluorinated aryl groups or fluorinated cycloalkyl groups,
und/oder eines weiteren, doppelt endverkappten hydrolysierbaren Silans mit der allgemeinen Formel:and / or another double-end-capped hydrolyzable silane having the general formula:
Figure imgf000011_0001
Figure imgf000011_0001
worin R1, R2 unabhängig voneinander ausgewählt sind aus Alkyl- (1 - 10 C-Atome), Cycloalkyl- (1 - 10 C-Atome) oder Arylgruppen, wobei jeweils m eine ganze Zahl von 0 bis 2 ist und r eine ganze Zahl von 1 bis 3 ist, wobei gilt: m + r = 4, und worin - jedoch nicht darauf beschränkt - R4 unabhängig von R1 und R2ausgewählt ist aus verschieden terminierten oder substituierten Alkylketten, Polydialkylsiloxan, Polyetherketten oder perfluoralkylierten Ketten.wherein R 1 , R 2 are independently selected from alkyl (1-10 C-atoms), cycloalkyl- (1-10 C-atoms) or aryl groups, wherein each m is an integer from 0 to 2 and r is a whole Number from 1 to 3, where: m + r = 4, and wherein, but not limited to, R 4 is independently selected from R 1 and R 2 from differently terminated or substituted alkyl chains, polydialkylsiloxane, polyether chains or perfluoroalkylated chains.
Die Mischung wird so hergestellt, dass für die Auftragung nur monomere und oligo- mere Spezies im SoI -Gel -Verfahren gebildet werden; vorzugsweise besteht das SoI nur aus vollständig hydrolysierten Monomeren und Dimeren mit einer sehr geringen Menge an vollständig hydrolysierten linearen Thmeren. Die Regulierung des Hydrolyse/Kondensations-Verhältnisses wird mit einer zweckmäßigen Menge an zugesetztem Wasser erreicht. Daher ist es vorteilhaft, mehr als ein Äquivalent Wasser auf jede hydrolysierbare Alkoxygruppe zu verwenden. Die Mischzeit zur Herstellung der Sol-Mischung kann dabei im Bereich von einer Minute bis zu sieben Tagen liegen.The mixture is prepared in such a way that only monomeric and oligomeric species are formed by the SoI gel method; Preferably, the sol consists only of fully hydrolyzed monomers and dimers of very low Amount of fully hydrolyzed linear thmeres. The regulation of the hydrolysis / condensation ratio is achieved with an appropriate amount of added water. Therefore, it is advantageous to use more than one equivalent of water for each hydrolyzable alkoxy group. The mixing time for preparing the sol-mixture can be in the range of one minute to seven days.
Das Substrat wird insbesondere so lange in die Sol-Mischung eingetaucht, dass sie für den Fall, dass sie eine poröse Oberfläche besitzt, sich vollsaugen kann, wobei die Eintauchzeit ausreichend ist, dass aus dem SoI eine, vorzugsweise sich quasi selbst bildende, mindestens monomolekulare Gelschicht auf der Oberfläche des Substrats entsteht. Kommerzielle Solarabsorberoberflächen sind porös, so dass dieser Schritt von großer Bedeutung ist. Wenn das SoI tief in diese poröse Struktur eindringen kann, wird ein besserer Korrosionsschutz ermöglicht. Die Bildung einer, vorzugsweise derart sich selbst unter Ablauf einer Kondensationsreaktion zusammenfügenden Schicht und das Eindringen des SoIs kann sich dabei insbesondere innerhalb eines Zeitraums im Bereich von einer Sekunde bis zu fünf Stunden vollziehen, wobei die Eintauchzeit vorzugsweise mehr als fünf Sekunden und weniger als vier Stunden betragen sollte.In particular, the substrate is immersed in the sol mixture so long that it can soak up in the event that it has a porous surface, the immersion time being sufficient for the sol to be one, preferably virtually self-forming, at least monomolecular Gel layer formed on the surface of the substrate. Commercial solar absorber surfaces are porous, so this step is of great importance. If the SoI can penetrate deeply into this porous structure, better corrosion protection is possible. The formation of a layer that preferably bonds itself together so that the condensation reaction proceeds and the penetration of the sol can take place in particular within a period in the range of one second to five hours, wherein the immersion time is preferably more than five seconds and less than four hours should be.
Das Entfernen des SoIs kann auf verschiedenen Wegen geschehen, es sei jedoch darauf hingewiesen, dass die Geschwindigkeit, mit der die Entfernung des SoIs erfolgt, die Dicke und Antikorrosionswirkung der späteren Schutzschicht signifikant be- einflusst. Ein dadurch zu dicker Film kann die solare spektrale Selektivität der Probe verschlechtern. Daher sollte die Geschwindigkeit der Probenentfernung aus dem SoI zwischen 0,1 cm/s bis 100 cm/s betragen, wobei in einem diskontinuierlich ablaufenden Verfahren die Probe - insbesondere im Labormaßstab einfach von Hand - aus dem SoI herausgezogen werden kann.The removal of the sol can be done in a number of ways, but it should be understood that the rate at which the removal of the sol occurs significantly affects the thickness and anti-corrosive effect of the later protective layer. Too thick a film can degrade the solar spectral selectivity of the sample. Therefore, the speed of the sample removal from the sol should be between 0.1 cm / s and 100 cm / s, whereby in a discontinuous process the sample can be pulled out of the sol, especially on a laboratory scale by hand.
Die Probe wird dann nach der Entfernung des SoIs oder aus dem SoI über einen Zeitraum im Bereich zwischen einer Sekunde und zwei Tagen, vorzugsweise im Bereich zwischen einer Sekunde und 36 Stunden, luftgetrocknet, um die Lösungsmittel zu entfernen.The sample is then after removal of the sol or from the sol over a period in the range between one second and two days, preferably in Range between one second and 36 hours, air dried to remove the solvents.
Am Ende wird die Probe einer - auch als Einbrennen bezeichneten - Wärmebehandlung unterzogen, um die Kondensation abzuschließen und eine vollständige Vernetzung zu erreichen. In diesem Schritt entsteht aus dem luftgetrockneten Gel ein dichter gleichmäßiger wasserundurchlässiger Film. Die Wärmebehandlung kann bei verschiedenen Temperaturen erfolgen, wobei die Einbrennzeit mit ansteigender Temperatur verringert werden kann. Die Wärmebehandlung der Proben erfolgt im Temperaturbereich von 70 0C bis 300 0C über eine Zeit im Bereich von einer Sekunde bis zu 5 Stunden, vorzugsweise im Bereich von 85 0C bis 250 0C über eine Zeit im Bereich von einer Sekunde bis zu vier Stunden.At the end, the sample is subjected to a heat treatment, also referred to as baking, to complete the condensation and achieve complete crosslinking. In this step, the air-dried gel forms a dense uniform water impermeable film. The heat treatment can be carried out at various temperatures, whereby the burn-in time can be reduced with increasing temperature. The heat treatment of the samples is carried out in the temperature range from 70 0 C to 300 0 C for a time in the range of one second to 5 hours, preferably in the range of 85 0 C to 250 0 C over a period of time in the range of one second to four hours.
Das Beschichten von Proben kann unter Anwendung unterschiedlicher Techniken für das Aufbringen des SoIs auf das Substrat erfolgen. Wenn das Substrat blattförmig ausgebildet ist, kann es mittels des oben beschriebenen - auch als Batchpro- zess bezeichneten - Tauchbeschichtungsverfahrens beschichtet werden.The coating of samples may be accomplished using different techniques for applying the sol to the substrate. If the substrate is sheet-shaped, it can be coated by means of the above-described - also referred to as a batch process - dip coating process.
Es ist jedoch von besonderem Vorteil, wenn das Substrat in der Form eines Bandes, das in Rollenform - als sogenanntes Coil - gewickelt ist, vorliegt, weil dann ein kontinuierlicher Beschichtungsprozess Anwendung finden kann.However, it is of particular advantage if the substrate is in the form of a tape wound in roll form - a so-called coil - because then a continuous coating process can be used.
Hierzu wird bevorzugt von einem aus nicht beschichtetem Substrat bestehenden Coil das Substratband mittels einer Transportzylinder-Anordnung durch einen Behälter geführt, welcher die SoI -Mischung zur Herstellung der Beschichtung enthält, wobei die vorgesehene Eintauchzeit, die der des Batch-Prozesses entsprechen kann, eingehalten wird. Danach wird das Band aus dem Bad gezogen, durch Anblasen mit Luft getrocknet und anschließend durch einen Ofen geführt, wo es erwärmt wird, um die Kondensation abzuschließen. Schließlich wird es auf Raumtemperatur abgekühlt und zu einem Coil aus beschichtetem Substrat aufgerollt. Um eine optimale Beschichtung zu erreichen, ist eine Bewegungsgeschwindigkeit des Bandes unter Berücksichtigung der vorstehend genannten Bedingungen, insbesondere der Verweilzeiten und Temperaturen in jedem Abschnitt des Beschichtungsprozesses, auf die jeweiligen Abschnittslängen der gesamten Maschinenanordnung, wie insbesondere des Badbehälters und des Ofens, einzustellen.For this purpose, the substrate strip is preferably guided from a coil consisting of uncoated substrate by means of a transport cylinder arrangement through a container which contains the sol mixture for producing the coating, wherein the intended immersion time, which may correspond to that of the batch process, is maintained , Thereafter, the tape is pulled out of the bath, dried by blowing with air and then passed through an oven where it is heated to complete the condensation. Finally, it is cooled to room temperature and rolled up into a coil of coated substrate. To achieve an optimal coating, is a moving speed of the tape taking into account the above conditions, in particular the residence times and temperatures in each section of the coating process, to the respective section lengths of the entire machine assembly, in particular the bath container and the furnace set.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist dabei hinsichtlich der Art des Aufbringens des SoIs nicht auf Tauchverfahren beschränkt, sondern es können auch andere für die Realisierung von Sol-Gel-Verfahren bekannte Auftragungstechniken, wie beispielsweise ein Besprühen, ein Walzenauftrag oder ein Auftrag mittels einer Schlitzdüse, vorgesehen werden.The method according to the invention is not restricted to immersion methods with regard to the manner of application of the sol, but other application techniques known for the realization of sol-gel methods, such as spraying, roller application or application by means of a slot nozzle, may also be provided ,
Um verschiedene Herstellungsmöglichkeiten für die Beschichtung zu demonstrieren, werden die folgenden drei Beispiele angegeben.To demonstrate various ways of producing the coating, the following three examples are given.
Beispiel 1 : Dünne MPTMS-Beschichtung auf AbsorbermaterialExample 1: Thin MPTMS coating on absorber material
4 g 3-Mercaptopropyltrimethoxysilan (MPTMS) wurden in 25 g Ethanol gelöst. Die Lösung wurde mit 0,1 ml 0,1 -molarer Salzsäure angesäuert und vier Stunden lang gerührt. In dieser Zeit bildeten sich nur hydrolysierte Monomere und Dimere. Während der Hydrolyse wurde das SoI zusätzlich mit 75 ml Ethanol verdünnt. Das SoI wurde auf ein kommerziell erhältliches Sunselect-Material aufgebracht. In einer Einwirkzeit von 240 s wurde erreicht, dass die Probe SoI aufsaugen, sich vorzugsweise mit dem SoI vollsaugen, konnte, wobei die Monomere und Dimere in die poröse Struktur des Materials eindrangen. Danach wurden die Proben mit einer Geschwindigkeit von 10 cm/s aus dem SoI herausgezogen, 60 min lang luftgetrocknet und danach bei 1400C 60 min lang einer Wärmebehandlung unterzogen. Das auf diese Weise geschützte Sunselect zeigte hervorragende Antikorrosionseigenschaften. Es war für mehr als 20 Tage bei dem oben beschriebenen Test in einer Salzsprühkammer stabil, und es wurde auch keine signifikante Verschlechterung der optischen Eigenschaften beobachtet. Die Zunahme des solaren Absorptionsvermögens lag im Bereich von 0,00 - 0,05, und die Zunahme des thermischen Emissionsgrades betrug 0,00 - 0,10, vorzugsweise weniger als 0,05, was diese Beschichtung gegenüber anderen ähnlichen Beschichtungen überlegen macht. Trotzdem war Sunselect nach dem Schutz gegenüber Fingerabdrücken widerstandsfähig.4 g of 3-mercaptopropyltrimethoxysilane (MPTMS) were dissolved in 25 g of ethanol. The solution was acidified with 0.1 ml of 0.1 molar hydrochloric acid and stirred for four hours. During this time, only hydrolyzed monomers and dimers formed. During the hydrolysis, the sol was additionally diluted with 75 ml of ethanol. The SoI was applied to a commercially available Sunselect material. In a reaction time of 240 s it was achieved that the sample was able to absorb SoI, preferably to soak with the sol, with the monomers and dimers penetrating into the porous structure of the material. Thereafter, the samples at a rate of 10 cm / s from the SoI were extracted for 60 minutes and then air-dried at 140 subjected to 0 C for 60 minutes heat treatment. The Sunselect protected in this way showed excellent anti-corrosion properties. It was stable for more than 20 days in the salt spray chamber test described above, and no significant deterioration in optical properties was observed. The increase in solar absorptivity was in the range of 0.00-0.05, and the increase in the thermal emissivity was 0.00-0.10, preferably less than 0.05, which makes this coating superior to other similar coatings. Nevertheless, Sunselect was resistant to fingerprints.
Beispiel 2: Hydrophobe M PTMS-M isch beschichtung auf AbsorbermaterialExample 2: Hydrophobic M PTMS M isch coating on absorber material
3 g 3-Mercaptopropyltrimethoxysilan (MPTMS) wurden mit 1 g 1 H,1 H,2H,2H-Per- fluorooctylthethoxysilan gemischt und in 25 g Ethanol gelöst. Die Lösung wurde mit 0,1 ml 0,1 -molarer Salzsäure angesäuert und vier Stunden lang gerührt. In dieser Zeit bildeten sich nur hydrolysierte Monomere und Dimere. Während der Hydrolyse wurde das SoI zusätzlich mit 75 ml Ethanol verdünnt. Das SoI wurde auf ein kommerziell erhältliches Sunselect-Material aufgebracht. In einer Einwirkzeit von 240 s wurde erreicht, dass die Probe SoI aufsaugen, sich vorzugsweise mit dem SoI vollsaugen, konnte, wobei die Monomere und Dimere in die poröse Struktur des Materials eindrangen. Danach wurden die Proben mit einer Geschwindigkeit von 10 cm/s aus dem SoI herausgezogen, 60 min lang luftgetrocknet und bei 1400C 60 min lang einer Wärmebehandlung unterzogen. Das auf diese Weise geschützte Sun- select zeigte hervorragende Antikorrosionseigenschaften (Stabilität für mehr als 20 Tage in der Salzsprühkammer), und es wurde keine signifikante Verschlechterung der optischen Eigenschaften beobachtet. Die Zunahme des solaren Absorptionsvermögens lag im Bereich von 0,00 - 0,05, und die Zunahme des thermischen Emissionsgrades betrug 0,00 - 0,10, vorzugsweise weniger als 0,05, was diese Beschichtung gegenüber anderen ähnlichen Beschichtungen überlegen macht. Trotzdem war Sunselect nach dem Schutz gegenüber Fingerabdrücken widerstandsfähig. Mit Wasser bestimmte Kontaktwinkel dieser Beschichtung lagen im Vergleich mit der Beschichtung nach Beispiel 1 deutlich höher, nämlich bei 100 °, anstelle von 75°. Die Kontaktwinkel wurden mittels eines Krüss-Kontaktwinkelmessgeräts vom Typ G- 1 bestimmt, wobei eine statische Tropfenmesstechnik mit 20-μl-Tropfen aus MiIIi-Q- Wasser mit Ergebnisbildung aus drei Messwerten praktiziert wurde. Beispiel 3: Hydrophobe MPTMS-Mischbeschichtung auf Aluminiumlegierung3 g of 3-mercaptopropyltrimethoxysilane (MPTMS) were mixed with 1 g of 1H, 1H, 2H, 2H-perfluorooctylthethoxysilane and dissolved in 25 g of ethanol. The solution was acidified with 0.1 ml of 0.1 molar hydrochloric acid and stirred for four hours. During this time, only hydrolyzed monomers and dimers formed. During the hydrolysis, the sol was additionally diluted with 75 ml of ethanol. The SoI was applied to a commercially available Sunselect material. In a reaction time of 240 s it was achieved that the sample was able to absorb SoI, preferably to soak with the sol, with the monomers and dimers penetrating into the porous structure of the material. Thereafter, the samples at a rate of 10 cm / s from the SoI were extracted for 60 minutes, air dried and subjected at 140 0 C for 60 minutes heat treatment. The sunscreen thus protected showed excellent anticorrosive properties (stability for more than 20 days in the salt spray chamber) and no significant deterioration in optical properties was observed. The increase in solar absorbance was in the range of 0.00-0.05, and the increase in thermal emissivity was 0.00-0.10, preferably less than 0.05, making this coating superior to other similar coatings. Nevertheless, Sunselect was resistant to fingerprints. Contact angle determined with water of this coating were significantly higher in comparison with the coating according to Example 1, namely at 100 °, instead of 75 °. The contact angles were determined by means of a Krüss type G-1 contact angle measuring device using a static drop measurement technique with 20 μl drops of MiIIi-Q water with result formation from three measured values. Example 3: Hydrophobic MPTMS Mixed Coating on Aluminum Alloy
3 g 3-Mercaptopropyltrimethoxysilan (MPTMS) wurden mit 1 g Trimethoxysilylpropyl- ureido-terminiertem Polydimethylsiloxan 1000 (PDMSU 1000) gemischt und in 25 g Ethanol gelöst. Die Lösung wurde mit 0,1 ml 0,1 -molarer Salzsäure angesäuert und vier Stunden lang gerührt. In dieser Zeit bildeten sich nur hydrolysierte Monomere und Dimere. Während der Hydrolyse wurde das SoI zusätzlich mit 75 ml Ethanol verdünnt. Das SoI wurde auf Proben aus einer AI 2204-T3-Legierung aufgebracht. In einer Einwirkzeit von 240 s wurde eine Filmbildung auf der Probe erreicht. Danach wurden die Proben mit einer Geschwindigkeit von 10 cm/s aus dem SoI herausgezogen, 60 min lang luftgetrocknet und danach bei 1400C 60 min lang einer Wärmebehandlung unterzogen. Die auf diese Weise geschützte Aluminiumlegierung zeigte hervorragende Antikorrosionseigenschaften, d. h. sie war für mehr als 13 Tage in der Salzsprühkammer stabil. Die Kontaktwinkel für Wasser lagen bei 100 ° im Vergleich zu 75° bei der Beschichtung nach Beispiel 1.3 g of 3-mercaptopropyltrimethoxysilane (MPTMS) were mixed with 1 g of trimethoxysilylpropylureido-terminated polydimethylsiloxane 1000 (PDMSU 1000) and dissolved in 25 g of ethanol. The solution was acidified with 0.1 ml of 0.1 molar hydrochloric acid and stirred for four hours. During this time, only hydrolyzed monomers and dimers formed. During the hydrolysis, the sol was additionally diluted with 75 ml of ethanol. The sol was applied to samples of AI 2204-T3 alloy. In a contact time of 240 s, a film formation on the sample was achieved. Thereafter, the samples at a rate of 10 cm / s from the SoI were extracted for 60 minutes and then air-dried at 140 subjected to 0 C for 60 minutes heat treatment. The aluminum alloy thus protected showed excellent anticorrosive properties, ie it was stable in the salt spray chamber for more than 13 days. The contact angles for water were 100 ° compared to 75 ° for the coating according to Example 1.
Wie schon aus den vorstehenden Ausführungen hervorgeht, ist die vorliegende Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern umfasst alle im Sinne der Erfindung gleichwirkenden Mittel und Maßnahmen. Ferner ist die Erfindung auch nicht auf die im Anspruch 1 definierte Merkmalskombination beschränkt, sondern kann durch jede beliebige andere Kombination von bestimmten Merkmalen aller insgesamt offenbarten Einzelmerkmale definiert sein. Dies bedeutet, dass grundsätzlich praktisch jedes Einzelmerkmal des unabhängigen Anspruchs weggelassen bzw. durch mindestens ein an anderer Stelle der Anmeldung offenbartes Einzelmerkmal ersetzt werden kann. Insofern sind die Ansprüche lediglich als ein erster Formulierungsversuch für eine Erfindung zu verstehen. As already apparent from the foregoing, the present invention is not limited to the illustrated embodiments, but includes all the same means and measures in the context of the invention. Furthermore, the invention is not limited to the feature combination defined in claim 1, but may be defined by any other combination of certain features of all the individual features disclosed overall. This means that in principle virtually every individual feature of the independent claim can be omitted or replaced by at least one individual feature disclosed elsewhere in the application. In this respect, the claims are to be understood merely as a first formulation attempt for an invention.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zur Herstellung einer Sol-Gel-Korrosionsschutzbeschichtung für Solarabsorber mit einem nanodünnen Antikorrosionsfilm, umfassend die Auftragung einer aus mindestens einem Mercaptosilan, Lösungsmittel, saurem Katalysator und Wasser hergestellten Sol-Mischung auf ein Substrat, die Einwirkung dieser Sol-Mischung auf das Substrat über eine Einwirkzeit, die ausreicht, um aus der Sol-Mischung eine mindestens monomolekulare Schicht auf der Oberfläche des Substrats zu bilden, eine Trennung des beschichteten Substrats von der Sol-Mischung sowie ein anschließendes Trocknen und eine abschließende Wärmebehandlung des beschichteten Substrats.A process for producing a sol-gel corrosion protection coating for solar absorbers with a nanodurant anti-corrosion film comprising applying a sol mixture prepared from at least one mercaptosilane, solvent, acid catalyst and water to a substrate, exposing said sol mixture to said substrate over an exposure time sufficient to form from the sol mixture an at least monomolecular layer on the surface of the substrate, a separation of the coated substrate from the sol mixture and a subsequent drying and a final heat treatment of the coated substrate.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1 , wobei das Mercaptosilan eine Verbindung mit der folgenden chemischen Struktur ist:2. The method according to claim 1, wherein the mercaptosilane is a compound having the following chemical structure:
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worin R1, R2 unabhängig voneinander ausgewählt sind aus Alkyl- (1 - 14 C), Arylgruppen, wobei jeweils n eine ganze Zahl von 0 bis 20, m eine ganze Zahl von 0 bis 2 ist und r eine ganze Zahl von 1 bis 3 ist, wobei gilt: m + r = 3.wherein R 1 , R 2 are independently selected from alkyl (1 - 14 C), aryl groups, wherein each n is an integer from 0 to 20, m is an integer from 0 to 2 and r is an integer from 1 to 3, where: m + r = 3.
3. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei in der Sol-Mischung eine Endkonzentration des Mercaptosilans im Bereich 0,01 Masseprozent bis 50 Masseprozent eingestellt wird. 3. The method according to any one of claims 1 to 2, wherein in the sol mixture, a final concentration of the mercaptosilane in the range 0.01 mass percent to 50 percent by mass is set.
4. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Sol-Mischung neben dem Mercaptosilan mindestens ein weiteres hydrolysierbares Silan zugemischt wird.4. The method according to any one of claims 1 to 3, wherein the sol mixture in addition to the mercaptosilane at least one further hydrolyzable silane is mixed.
5. Verfahren gemäß Anspruch 4, wobei in der Sol-Mischung eine Endkonzentration des weiteren hinzugefügten hydrolysierbaren Silans im Bereich 0 Masseprozent bis 70 Masseprozent eingestellt wird.5. A method according to claim 4, wherein in the sol mixture, a final concentration of the further hydrolyzable silane added is set in the range of 0% by mass to 70% by mass.
6. Verfahren gemäß Anspruch 4 oder 5, wobei als weiteres hydrolysierbares Silan eine Verbindung mit der folgenden chemischen Struktur eingesetzt wird:6. The method according to claim 4 or 5, wherein as a further hydrolyzable silane, a compound having the following chemical structure is used:
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worin R1, R2 unabhängig voneinander ausgewählt sind aus Alkyl- (1 - 10 C- Atome), Cycloalkyl- (1 - 10 C-Atome) oder Arylgruppen, wobei jeweils m eine ganze Zahl von 0 bis 2, n eine ganze Zahl von 0 bis 3 und r eine ganze Zahl von 1 bis 4 ist, wobei gilt: m + n + r = 4, und worin R3 unabhängig von R1 und R2 ausgewählt ist aus Alkyl-, Cycloalkyl-, substituierten Alkyl-, substituierten Cycloalkyl-, Arylgruppen, substituierten Arylgruppen, fluorierten Alkylgruppen, fluorierten Arylgruppen oder fluorierten Cycloalkylgruppen.wherein R 1 , R 2 are independently selected from alkyl (1-10 C-atoms), cycloalkyl (1-10 C-atoms) or aryl groups, wherein each m is an integer from 0 to 2, n is an integer from 0 to 3 and r is an integer from 1 to 4, where: m + n + r = 4, and wherein R 3 is independently of R 1 and R 2 selected from alkyl, cycloalkyl, substituted alkyl, substituted cycloalkyl, aryl groups, substituted aryl groups, fluorinated alkyl groups, fluorinated aryl groups or fluorinated cycloalkyl groups.
7. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei als weiteres hydrolysierbares, insbesondere doppelt endverkapptes, Silan eine Verbindung mit der folgenden chemischen Struktur eingesetzt wird:
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7. The method according to any one of claims 4 to 6, wherein is used as a further hydrolyzable, in particular doubly endcapped, silane, a compound having the following chemical structure:
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worin R1, R2 unabhängig voneinander ausgewählt sind aus Alkyl- (1 - I O C- Atome), Cycloalkyl- (1 - 10 C-Atome) oder Arylgruppen, wobei jeweils m eine ganze Zahl von 0 bis 2 ist und r eine ganze Zahl von 1 bis 3 ist, wobei gilt: m + r = 4, und worin R4 unabhängig von R1 und R2 ausgewählt ist aus verschieden terminierten oder substituierten Alkylketten, Polydialkylsiloxan, Polyetherketten oder perfluoralkylierten Ketten.wherein R 1 , R 2 are independently selected from alkyl (1 - 10 C atoms), cycloalkyl (1 - 10 C atoms) or aryl groups, wherein each m is an integer from 0 to 2 and r is a whole Number from 1 to 3, where: m + r = 4, and wherein R 4 is independently selected from R 1 and R 2 selected from differently terminated or substituted alkyl chains, polydialkylsiloxane, polyether chains or perfluoroalkylated chains.
8. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Lösungsmittel ein aliphatischer Alkohol, insbesondere Ethanol, oder 3-Butoxy-2-propanol oder Propylenglykolmonobutylether ist.8. The method according to any one of claims 1 to 7, wherein the solvent is an aliphatic alcohol, in particular ethanol, or 3-butoxy-2-propanol or propylene glycol monobutyl ether.
9. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der saure Katalysator ausgewählt wird aus der Gruppe HCl, HBr, Hl, HNO3, H2SO4, H3PO4, Ameisen-, Essig-, Propion-, Butter-, Salicyl-, Trifluoressig-, Trichloressig-, Trifluormethansulfon- und Methansulfonsäure und die Konzentration an zugesetztem Katalysator 1 μmol bis 1 mmol in der gesamten Zusammensetzung beträgt.9. The method according to any one of claims 1 to 8, wherein the acidic catalyst is selected from the group HCl, HBr, Hl, HNO 3 , H 2 SO 4 , H 3 PO 4 , formic, acetic, propionic, butyric , Salicylic, trifluoroacetic, trichloroacetic, trifluoromethanesulfonic and methanesulfonic acid, and the concentration of added catalyst is 1 μmol to 1 mmol throughout the composition.
10. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Menge an verwendetem Wasser zwischen 0,001 Masseprozent bis 80 Masseprozent der SoI- Mischung beträgt.A process according to any one of claims 1 to 9, wherein the amount of water used is between 0.001% by mass to 80% by mass of the sol mixture.
11. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei eine Mischzeit zur Herstellung der Sol-Mischung im Bereich von 1 min bis 7 Tagen liegt. A process according to any one of claims 1 to 10, wherein a mixing time for preparing the sol mixture is in the range of 1 minute to 7 days.
12. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 , wobei das Substrat ein spektral selektives solares Cermet, vorzugsweise eine Chromoxynitrid-, Titanoxyni- trid- oder Titan-Aluminium-Oxynitrid-Absorberbeschichtung, umfasst, die auf einem metallischen Träger, wie Kupfer, Aluminium, Eisen oder ihren Legierungen, abgeschieden ist.12. The method according to any one of claims 1 to 11, wherein the substrate comprises a spectrally selective solar cermet, preferably a Chromoxynitrid-, Titanoxyni- trid- or titanium-aluminum oxynitride absorber coating, which on a metallic support such as copper, aluminum , Iron or their alloys, is deposited.
13. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei das Substrat eine blanke metallische Oberfläche aufweist, die insbesondere aus Kupfer, Aluminium, Eisen oder ihren Legierungen besteht.13. The method according to any one of claims 1 to 12, wherein the substrate has a bare metallic surface, which consists in particular of copper, aluminum, iron or their alloys.
14. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Einwirkzeit der SoI- Mischung auf das Substrat im Bereich von 0,1 s bis 5 h liegt.14. The method according to any one of claims 1 to 13, wherein the contact time of the sol mixture on the substrate in the range of 0.1 s to 5 h.
15. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die Trennung des beschichteten Substrats von der SoI -Mischung mit einer Geschwindigkeit im Bereich von 0,1 cm/s bis 100 cm/s erfolgt.15. A method according to any of claims 1 to 14, wherein the separation of the coated substrate from the SoI mixture occurs at a rate in the range of 0.1 cm / s to 100 cm / s.
16. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei das Trocknen des beschichteten Substrats bei Raumtemperatur erfolgt, wobei eine Trocknungszeit im Bereich von 1 s bis 36 h beträgt.16. The method according to any one of claims 1 to 15, wherein the drying of the coated substrate is carried out at room temperature, wherein a drying time in the range of 1 s to 36 h.
17. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei die Wärmebehandlung im Temperaturbereich von 70 0C bis 300 0C, insbesondere über eine Zeit im Bereich von 1 s bis 5 h, vorzugsweise im Bereich von 85 0C bis 250 0C, insbesondere über eine Zeit im Bereich von 1 Sekunde bis 4 h, erfolgt.17. The method according to any one of claims 1 to 16, wherein the heat treatment in the temperature range from 70 0 C to 300 0 C, in particular over a time in the range of 1 s to 5 h, preferably in the range of 85 0 C to 250 0 C, especially over a period of time in the range of 1 second to 4 hours.
18. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei eine Dicke des Schutzfilms von weniger als 1000 nm, vorzugsweise im Bereich von 5 nm bis 500 nm eingestellt wird. 18. The method according to any one of claims 1 to 17, wherein a thickness of the protective film of less than 1000 nm, preferably in the range of 5 nm to 500 nm is set.
19. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 18, wobei sich während der Beschichtung für den thermische Emissionskoeffizienten des beschichteten Substrats ein Wert einstellt, der gegenüber dem thermischen Emissionskoeffizienten des Substrats nicht größer ist als 0,35.19. The method according to any one of claims 1 to 18, wherein during the coating for the thermal emission coefficient of the coated substrate sets a value which is not greater than 0.35 to the thermal emission coefficient of the substrate.
20. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 19, wobei die Auftragung der SoI- Mischung auf das Substrat durch Eintauchen des Substrats in die SoI-Mi- schung, Besprühen des Substrats, Walzenauftrag der Sol-Mischung oder Auftrag mittels einer Schlitzdüse erfolgt.20. The method according to any one of claims 1 to 19, wherein the application of the sol mixture to the substrate by immersing the substrate in the SoI mixture, spraying the substrate, roller application of the sol mixture or application by means of a slot nozzle.
21. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 20, wobei die Beschichtung diskontinuierlich oder kontinuierlich, insbesondere von Coil zu Coil, erfolgt. 21. The method according to any one of claims 1 to 20, wherein the coating is carried out batchwise or continuously, in particular from coil to coil.
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