Кроющий материал

Кроющий материал

Реферат

Изобретение относится к кроющему материалу со связующим и с наполнителем, содержащим частицы размером менее 10 мкм и/или шероховатостью поверхности менее 10 мкм или меньше, а также к применению такого кроющего материала для покрытия фасадов и других частей сооружений.

Кроющие материалы предшествующего уровня техники применяют для покрытия фасадов и других деталей построек из соображений оптики или строительной физики. При этом, правда, оказалось проблемой, что чистка поверхностей, покрытых такими кроющими материалами, часто является сложной и дорогостоящей. Поэтому уже давно ищут возможность сделать поверхности покрытых такими кроющими материалами площадей самоочищающимися.

В связи с получением самоочищающихся поверхностей уже давно известны кроющие материалы на основе минеральных красок, которые испытывают на поверхности постоянное разрушение. Путем этого процесса, называемого также "выветриванием", поверхности постоянно обновляются, и приставшая грязь удаляется вместе с разрушающимся покрытием. Правда, эти поверхности имеют тот недостаток, что неравномерное и в отдельных случаях полное разрушение открытых мест ведет к пятнистым поверхностям и что выветривание вызывает не только быстрое разрушение покрытия и, тем самым, более короткие интервалы между ремонтами, но и то, что при контакте с покрытой поверхностью происходит загрязнение вещества, которого касаются (например, мела), продуктами разложения покрытия.

Помимо самоочищающихся кроющих материалов на основе минеральных красок стали известны также самоочищающиеся кроющие материалы в виде красок на основе силиконовых смол. Краски на основе силиконовых смол образуют гидрофобную поверхность, которая плохо смачивается дождевой водой. Частицы грязи смываются с поверхности стекающей водой. Правда, для таких кроющих материалов проблемой оказалось то, что гидрофобность, необходимая для получения способности к самоочищению, полностью формируется только после многомесячного атмосферного воздействия, так как только тогда содержащиеся в кроющем материале водорастворимые компоненты полностью смоются дождем. Но это ведет к тому, что в первые месяцы после проведения покрытия может произойти сильное загрязнение. Такая склонность к загрязнению наблюдается, в частности, после длительных периодов засухи, после которых в атмосфере находится большое количество частиц грязи и вредных веществ, которые впитываются дождевой водой. Частицы грязи откладываются на смачиваемых поверхностях, что приводит к ущербу для внешнего вида фасадов и других загрязненных площадей, на которые они осели.

В документе WO 00/39049 описано получение самоочищающихся поверхностей с применением кроющих материалов описанного в начале типа. Описанные в этой работе кроющие материалы содержат наполнители с по меньшей мере бимодальным распределением частиц по размерам, причем используются, с одной стороны, частицы с размером по меньшей мере 5 мкм, а, с другой стороны, частицы с размером самое большее 3 мкм. С такими кроющими материалами достигается то, что загрязненная дождевая вода стекает с поверхности объекта, и частицы пыли, осевшие на поверхности, уносятся скатывающимися каплями воды. Кроме того, при использовании описанных в указанной работе кроющих материалов при стекании дождевой воды, достигаемом путем применения особых наполнителей, получают фасад, остающийся сухим длительное время. Этим можно предотвратить повреждения от влаги, в частности, на наветренных сторонах фасада. Далее, благодаря полученной сухости фасадов микроорганизмы лишены жизненно важных элементов, а именно воды, так что поверхности фасадов, полученные с применением известных кроющих материалов, могут быть защищены от поражения грибками, водорослями, лишаями и т.д. естественным образом, без добавления биоцидов. Кроющий материал, сравнимый с известными из документа WO 00/39049 кроющими материалами, описан также в документе EP 0 772 514 B1. Для указанного в этой публикации кроющего материала самоочищающаяся поверхность достигается тем, что получают поверхностную структуру с выпуклостями с интервалами от 5 до 200 мкм при применении гидрофобных полимеров или материалов, сохраняющих гидрофобность долгое время, причем обращается внимание, что выпуклости не разрушаются водой или водой с моющими средствами. С помощью этой микроструктуры поверхности поддерживается способность к самоочищению, которая объясняется так называемой супергидрофобностью, вызванной особыми микроструктурами. Это свойство стало известным как "эффект лотоса". Согласно указанной работе, желаемой структуры поверхности можно достичь путем дополнительной обработки поверхности, как, например, тиснением, травлением, фрезерованием или также путем напыления на поверхность, причем в каждом случае следует обеспечивать, чтобы получающиеся таким образом выпуклости не удалялись водой или водой с моющими средствами. Описанную в указанных работах самоочищающуюся структуру поверхности можно получить также на ровных поверхностях путем применения специальных аэрозолей.

В документе WO 00/06633 описаны кроющие материалы для пластмасс на основе неорганического связующего и наполнителей. При этом указанные в данной работе кроющие материалы могут дополнительно содержать фотокаталитически действующее средство для самоочищения путем разложения органических загрязнений и супергидрофильности. При этом связующие, применяющиеся для получения указанных материалов, являются устойчивыми к фотокаталитическому действию фотокаталитически действующего средства.

В документе EP 0 916 411 A1 указан имеющий покрытие продукт с первым покрывным слоем и вторым покрывным слоем, содержащим фотокаталитически действующее средство. Благодаря описанной в указанной работе комбинации двух слоев получается фотокаталитически самоочищающаяся поверхность, которая сама не разрушается под фотокаталитическим действием.

Однако при применении кроющих материалов, известных из документов EP 0 772 514 B1 и WO 00/39049, как, например, описанных аэрозолей для ровных поверхностей, обнаружилось, что наблюдаемая вначале отличная способность к самоочищению в этом случае также не может сохраняться в течение длительного времени, если, как особо отмечено в документе EP 0 772 514 B1, не следить тщательно за тем, чтобы микроструктура не могла быть удалена водой или водой с моющими средствами.

Ввиду этих проблем уровня техники в основе изобретения стоит задача создать кроющие материалы описанного в начале типа, способность к самоочищению у которых сохраняется длительное время, если они время от времени подвергаются действию дождя, текущей воды или механической нагрузке, как, например, ветру.

Согласно изобретению эта задача решена посредством модификации известных кроющих материалов, которая существенно отличается тем, что связующее является по меньшей мере частично каталитически разложимым, и тем, что кроющий материал содержит по меньшей мере одно действующее каталитически средство. При этом состав кроющего материала, чтобы избежать нежелательного выветривания, встречающегося у известных кроющих материалов на основе минеральных красок, целенаправленно подбирают, чтобы фотокаталитическое разложение связующего соответствовало уровню выветривания 1 согласно стандарту DIN EN ISO 4628-6 или было меньшим. Получение желаемой длительной способности к самоочищению в рамках изобретения может быть обеспечено тем, что при использовании кроющего материала согласно изобретению в качестве наружного покрытия уменьшение толщины слоя кроющего материала, определяемое при испытаниях на атмосферную коррозию согласно EN ISO 2810 (климатические условия Da, образцы вертикальны и повернуты к экватору), из-за фотокаталитического разложения связующего составляло в год около 0,1 мкм или более, предпочтительно 1 мкм или более.

Настоящее изобретение основывается на накопленных знаниях о том, что наблюдаемая у известных кроющих материалов потеря способности к самоочищению объясняется в основном тем, что помимо рассмотренного в EP 0 773 514 B1 ухудшения структуры поверхности при удалении частиц поверхности при контакте с водой и/или моющими средствами, изменение структуры поверхности может произойти также из-за механических нагрузок. Из-за этих нагрузок, вызванных, например, уносимыми воздухом частицами, дело может дойти до повреждения микроструктуры поверхности фасадов, что влечет за собой потерю способности к самоочищению.

При применении кроющих материалов согласно изобретению автоматическая регенерация поврежденных таким образом поверхностей происходит за счет того, что при каталитическом разложении слоев связующего между частицами наполнителя постоянно возникают новые микроструктуры. Из-за применения наполнителя с частицами размером и/или шероховатостью поверхности в области менее 100 мкм эти вновь образованные структуры поверхности проявляют желаемую супергидрофобность, так что могут образоваться поверхности, которые надолго сохраняют способность к самоочищению. При этом информация, изложенная в EP 0 772 514 B1, где указано, что следует избегать растворения поверхностных слоев для получения желаемых свойств, может как раз с выгодой использоваться в том случае, если кроющий материал содержит частицы с желаемой структурой поверхности или размером частиц.

При этом каталитическое разложение связующего, происходящее при применении кроющих материалов согласно изобретению, также не приводит к проблемам, возникающим при использовании описанных вначале минеральных красок, так как скорость каталитического разложения связующего можно устанавливать посредством применения подходящего каталитически действующего средства таким образом, чтобы не происходило видимого загрязнения, вызванного оседанием продуктов разложения, так как эти продукты разложения смываются в достаточной степени дождевой водой, и/или в ходе каталитического разложения образуются летучие материалы, которые вовсе не откладываются на самоочищающихся поверхностях. При этом скорость, необходимая для получения желаемой регенерации поверхности, может в соответствии с выбранным размером частиц и/или шероховатостью поверхности устанавливаться таким образом, что каталитическое разложение связующего не приводит также к сокращению периода между ремонтами.

Итак, благодаря применению кроющих материалов согласно изобретению несмотря на автоматическую регенерацию поверхности, достигается достаточная устойчивость к атмосферным воздействиям. Под устойчивостью к атмосферным воздействиям кроющих материалов, как, например, красок, понимается их свойство выдерживать разрушающее покрытие, идущее извне влияние атмосферы, например, света, УФ-излучения, температуры, кислорода, влажности и/или воды. У обычных кроющих материалов устойчивость против атмосферных воздействий достигается тем, что компоненты покрытия, которым приписывается фотокаталитическое действие, как, например, пигменты на диоксиде титана, подвергают поверхностной обработке для уменьшения фотокаталитической активности. Таким способом у обычных покрытий получают высоко стабилизированные пигменты с исключительным защитным действием для кроющих материалов. Из-за все еще остающейся фотокаталитической активности этих известных материалов толщина слоя уменьшается настолько медленно, что только через много лет внешнего атмосферного воздействия наблюдается уменьшение толщины слоя на несколько микрон.

От этих известных материалов кроющий материал согласно изобретению отличается тем, что путем добавления высокоэффективного в отношении фотокатализа средства достигается желаемое разложение связующего, причем скорость разложения устанавливается выбором связующего и фотокаталитически действующего средства таким образом, что она выше, чем скорость разложения традиционных материалов с подвергшимися поверхностной обработке фотокаталитически действующими средствами, но остается настолько незначительной, что предотвращается нежелательное выветривание.

Применительно к желаемой возможности регулирования скорости разложения и/или свойств продуктов разложения особенно благоприятным оказалось, когда связующее является по меньшей мере частично фотокаталитически разложимым, а каталитически действующее средство содержит по меньшей мере один действующий фотокаталитически оксид металла.

Фотокаталитически разложимое связующее может содержать водную полимерную дисперсию, полимерную дисперсию, способную к редиспергированию в воде, гидрофобную смолу и/или полупродукты смолы.

Фотокаталитически действующее средство может находиться в виде фотокаталитически действующего оксида металла. Имея в виду желаемые характеристики разложения, фотокаталитически действующее средство может содержать оксид титана, цинка, железа, марганца, молибдена и/или вольфрама, предпочтительно в содержании по меньшей мере 60 вес.%, особенно предпочтительно по меньшей мере 80 вес.%, в частности, по меньшей мере 90 вес.%, в расчете на полное количество каталитически действующего средства. Дополнительная возможность регулирования каталитических свойств и образующихся продуктов разложения может быть достигнута, когда каталитически действующее средство содержит по меньшей мере одну добавку, в частности, ион, выбранный из C, N, S и/или группы, состоящей из Pt, Rh, Mn, Cr, Ru, Ni, Pd, Fe, Co, Ir, Cu, Mo, Zr, Re, Ag и Au, в виде их оксидов и/или галогенидов, предпочтительно в содержании 40 вес.% или меньше, особенно предпочтительно 20 вес.% или меньше, в частности, 10 вес.% или меньше, и более 1 вес.%, предпочтительно более 2,5 вес.%, в частности, 5 вес.% или больше, в расчете на полный вес каталитически действующего средства. Вследствие этого каталитические свойства могут возбуждаться также, например, длинами волн видимой области солнечного спектра, благодаря чему функция покрытия обеспечивается также, например, на противоположной солнцу северной стороне здания. Пригодные для разложения органических материалов фотокатализаторы описаны в документе DE 197 57 496 A1. Тем самым раскрываемая суть этой работы в отношении синтеза и состава фотокатализаторов введена настоящим в данное описание путем явной ссылки.

При применении фотокаталитически разложимого связующего в соединении с фотокаталитически действующими оксидами металлов особенно выгодным оказалось то, что может быть получена самообновляющаяся поверхность со свойствами лотос-эффекта, причем самоочищению способствует происходящее дополнительно фотокаталитическое разложение органических загрязнений.

Применительно к получению особенно хорошей способности к самоочищению выгодным оказалось, если каталитически действующее средство содержит сульфид цинка, оксид цинка или диоксид титана, предпочтительно в частично кристаллической или анатазной форме.

При применении кроющих материалов согласно изобретению особенно хорошие характеристики самоочищения достигаются, когда наполнитель содержит частицы с размером и/или шероховатостью поверхности 10 мкм или меньше, в частности, 1 мкм или меньше, особенно предпочтительно нано-наполнители в виде высокодисперсной кремневой кислоты, так как таким образом достигается исключительная супергидрофобность. Кроющий материал целесообразно содержит менее 60 вес.%, предпочтительно менее 40 вес.%, особенно предпочтительно менее 30 вес.% наполнителей с желаемым размером частиц или шероховатостью поверхности.

Применительно к получению желаемой способности к самоочищению оказалось, кроме того, целесообразным, если в состав кроющего материала связующее входит в избытке. Таким образом, покрытия по изобретению состоят из докритических или критических составов, которые отличаются тем, что содержащийся наполнитель по меньшей мере частично состоит из наночастиц, как например, высокодисперсная кремневая кислота. Под критическим или докритическим составом специалисты понимают при этом рецептуру, при которой присутствующие в известных случаях необходимости пигменты, наполнители и, при необходимости, промежутки полностью окружены или заполнены связующим. Поверхность кроющего материала или поверхность пленки, полученной с применением соответствующих кроющих материалов, в сухом и затвердевшем состоянии сплошного слоя будет образована из связующего и наполнителей/пигментов. Выполненная так поверхность покрытия не имеет способности к самоочищению. Из-за добавления действующих фотокаталитически оксидов металлов, как, например, описанных в документе DE 197 57 496 высокопористых фотокатализаторов для использования видимого света, или, в простейшей форме, также из-за добавления сульфида цинка, оксида цинка или диоксида титана, предпочтительно в частично кристаллической или анатазной форме, происходит разложение органических компонентов пленки связующего, каталитически индуцированное действием дневного света или УФ-излучения, начиная с внешнего слоя наружной поверхности. Из-за этого разложения связующего нано-наполнители, применяемые предпочтительно, высвобождаются и образуют микроструктуру поверхности с гидрофобными свойствами. Благоприятно могут также применяться комбинации полимерных дисперсий и наночастиц, как, например, высокодисперсные силикагели, так называемые нанокомпозиты. В случае нанокомпозитов наночастицы откладываются уже у поверхности частиц полимерной дисперсии. Благодаря фотокаталитическому разложению не только связующего, но также и органических частиц грязи, возможно находящихся на поверхности, будет достигнуто заметно более эффективное и длительное по сравнению с уровнем техники самоочищающее действие. При этом из-за постоянно происходящего разложения связующего поверхность непрерывно обновляется, и ухудшение способности к самоочищению из-за потери микроструктуры надежно предотвращается.

Однако по сравнению с уже описанными выветривающимися поверхностями фотокаталитически индуцируемое разложение сильно понижено, так что недостатков, имеющихся у выветривающихся поверхностей, можно избежать.

Кроющий материал согласно изобретению может содержать другой, чем в предложенном в документе WO 00/39049 кроющем материале, наполнитель с мономодальным распределением частиц по размерам со средним диаметром частиц 10 мкм или меньше, в частности 1 мкм или меньше, особенно предпочтительно 0,1 мкм или меньше.

Согласно одной особенно предпочтительной форме реализации изобретения кроющий материал содержит от 10 до 30 вес.%, в частности примерно 20 вес.% фотокаталитически разложимого связующего, от 2 до 30 вес.%, в частности от 5 до 15 вес.%, особенно предпочтительно примерно 10 вес.% наполнителя со средним размером частиц 1 мкм или меньше, в частности 0,1 мкм или меньше, как, например, кремневая кислота с частицами наноразмерного диапазона, от 2 до 15 вес.%, в частности от 3 до 8 вес.%, особенно предпочтительно примерно 5 вес.% фотокаталитически действующего пигмента, как, например, TiO₂, при необходимости легированного C, N и/или S, а также, возможно, от 0,01 до 0,1 вес.%, в частности 0,05 вес.% распределителя пигмента, от 0,1 до 1 вес.%, в частности, примерно 0,3 вес.% загустителя, от 5 до 3 вес.%, в частности, от 10 до 20 вес.% другого наполнителя, как, например, тонкий кварцевый наполнитель, от 10 до 20 вес.%, в частности, примерно 15 вес.% пигмента, от 2 до 8 вес.%, в частности, примерно 6 вес.% гидрофобизатора, до 4 вес.% растворителя, до 0,8 вес.% консерванта и/или до 35 вес.% воды. Далее указана предпочтительная примерная рецептура кроющего материала согласно изобретению.

	% вес
Вода	26,6
Распределитель пигмента	0,05
Сгуститель	0,3
Связующее	20
Кварцевый наполнитель мелкий	15
Кремневая кислота с наночастицами	10
Пигмент TiO2	15
Фотокаталитический пигмент	5
Гидрофобизатор	6
Растворитель	2
Консервант	0,05
	100,00

Подводя итог, следует констатировать, что в рамках изобретения недостаток всех применений самоочищающихся поверхностей, использующих эффект лотоса, преодолен благодаря комбинированию вызывающей эффект лотоса нанотехнологии и фотокатализа. Благодаря эффекту лотоса для поверхности с микро/наноструктурой получено, что поверхность контакта с водой крайне мала, и энергетическое взаимодействие между водой и поверхностью падает до менее 1%. Долговечность такого покрытия согласно изобретению улучшается тем, что в кроющий материал, использующийся для получения такой структуры покрытия, добавляются частицы наноразмера, как, например, наногели на основе кремневой кислоты, которые при продолжающемся выветривании поверхности все время обновляют эффективную структуру поверхности. Кроме того, в рамках изобретения специфически используется фотокатализ. При этом используются накопленные знания о том, что при толщине слоя краски уже всего примерно 150 мкм из-за примешивания наноразмерного наполнителя имеются бесчисленные виртуальные поверхностные слои наноразмеров, так что при выветривании наружного поверхностного слоя в действие автоматически приходит следующий поверхностный слой. При этом согласно изобретению связующее, окружающее наноразмерный наполнитель, разлагается, благодаря чему у поверхности порождаются (новые) наноструктуры.

1. Кроющий материал с по меньшей мере одним наполнителем для покрытия фасадов и других частей сооружений, отличающийся тем, что содержитa) от 10 до 30 вес.%, в частности примерно 20 вес.%, фотокаталитически разложимого связующего,b) от 2 до 18 вес.%, предпочтительно примерно 10 вес.% частиц размером и/или шероховатостью поверхности 10 мкм или меньше, в частности 0,1 мкм или меньше, указанного наполнителя иc) от 2 до 15 вес.%, в частности от 3 до 8 вес.%, особенно предпочтительно примерно 5 вес.% фотокаталитически действующего средства в виде оксидов титана, цинка, железа, марганца, молибдена и/или вольфрама, и фотокаталитически разложимое связующее, по меньшей мере, частично разлагается под фотокаталитическим действием фотокаталитически действующего средства таким образом, что фотокаталитическое разложение соответствует уровню выветривания по стандарту DIN EN ISO 4628-6, равному 1 или меньше, и микроструктурированная самоочищающаяся поверхность образуется благодаря тому, что, согласно испытаниям на атмосферную коррозию по EN ISO 2810 (климатические условия Da, образцы вертикальны и повернуты к экватору), толщина слоя наружного покрытия, выполненного из кроющего материала, уменьшается в результате фотокатализа за год на 0,1 мкм или более, предпочтительно на 1 мкм или более.

2. Кроющий материал по п.1, отличающийся тем, что связующее содержит водную полимерную дисперсию, полимерную дисперсию, способную к редиспергированию в воде, гидрофобную смолу, и/или полупродукт смолы, или так называемые нанокомпозиты.

3. Кроющий материал по п.1 или 2, отличающийся тем, что связующее содержит силикон или силикат.

4. Кроющий материал по п.1 или 2, отличающийся тем, что фотокаталитически действующее средство в виде оксидов титана, цинка, железа, марганца, молибдена и/или вольфрама содержится в количестве 60 вес.% или более, предпочтительно 80 вес.% или более, в частности 90 вес.% или более, в расчете на полный вес фотокаталитически действующего средства.

5. Кроющий материал по п.1 или 2, отличающийся тем, что фотокаталитически действующее средство в виде оксидов титана, цинка, железа, марганца, молибдена и/или вольфрама содержит, по меньшей мере, одну добавку, в частности ион, выбранный из С, N, S и/или из группы, состоящей из Pt, Rh, Mn, Cr, Ru, Ni, Pd, Fe, Co, Ir, Cu, Mo, Zr, Re, Ag и Au, в виде их оксидов и/или галогенидов, предпочтительно в количестве 40 вес.% или меньше, особенно предпочтительно 20 вес.% или меньше, в частности, 10 вес.% или меньше и более 1 вес.%, предпочтительно более 2,5 вес.%, в частности, 5 вес.% или больше, в расчете на полный вес фотокаталитически действующего средства.

6. Кроющий материал по п.1 или 2, отличающийся тем, что фотокаталитически действующее средство состоит из диоксида титана, в частности из TiO₂, легированного С, N и/или S, в аморфной, частично кристаллической или анатазной форме.

7. Кроющий материал по п.1 или 2, отличающийся тем, что наполнитель является нанонаполнителем в форме высокодисперсной кремневой кислоты и содержит частицы размером и/или шероховатостью поверхности 10 мкм или меньше, предпочтительно 1 мкм или меньше, в частности 0,1 мкм или меньше, особенно предпочтительны нанонаполнители в форме высокодисперсной кремневой кислоты.

8. Кроющий материал по п.1 или 2, отличающийся тем, что под нанонаполнителями в виде высокодисперсной кремневой кислоты подразумеваются силикагели, которые получены предпочтительно путем осаждения в золь-гель-процессе.

9. Кроющий материал по п.1 или 2, отличающийся тем, что по меньшей мере один наполнитель имеет одномодальное распределение частиц по размерам со средним диаметром частиц 10 мкм или меньше, в частности, 1 мкм или меньше, особенно предпочтительно 0,1 мкм или меньше.

10. Кроющий материал по п.1 или 2, отличающийся тем, что связующее в состав материала для покрытия входит в избытке.

11. Кроющий материал по п.1 или 2, отличающийся тем, что он дополнительно содержит пигменты и/или стандартные добавки, в частности ускоритель и/или замедлитель схватывания.

12. Кроющий материал по п.1 или 2, отличающийся тем, что дополнительно содержит от 0,01 до 0,1 вес.%, в частности 0,05 вес.% распределителя пигмента, от 0,1 до 1 вес.%, в частности примерно 0,3 вес.% загустителя, от 5 до 30 вес.%, в частности от 10 до 20 вес.% другого наполнителя, как, например, мелкого кварцевого наполнителя, от 10 до 20 вес.%, в частности примерно 15 вес.% пигмента, от 2 до 8 вес.%, в частности примерно 6 вес.% гидрофобизатора, до 4 вес.% растворителя, до 0,8 вес.% консерванта и/или до 35 вес.% воды.

13. Применение кроющего материала по одному из предыдущих пунктов для покрытия фасадов, в частности наружных фасадов, и/или других частей сооружений.