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DE102012208653B4 - Process for the preparation of a surface coating with ice-repellent properties, surface coating and their use - Google Patents

Process for the preparation of a surface coating with ice-repellent properties, surface coating and their use Download PDF

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DE102012208653B4
DE102012208653B4 DE102012208653.6A DE102012208653A DE102012208653B4 DE 102012208653 B4 DE102012208653 B4 DE 102012208653B4 DE 102012208653 A DE102012208653 A DE 102012208653A DE 102012208653 B4 DE102012208653 B4 DE 102012208653B4
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Robert Schmid
Erik Mehner
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Technische Universitaet Dresden
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Abstract

Verfahren zur Herstellung eines eisabweisenden Überzugs aus einem pyroelektrischen Film durch die Verfahrensschritte:
a) Beschichten einer Oberfläche mit einer Beschichtungsflüssigkeit, aus PVDF (Polyvinylidenfluorid) in reiner Form, als Lösung bzw. Mischung oder Dispersion,
b) Trocknung der beschichteten Oberfläche
c) Phasenumwandlung des PVDF mittels einer Wärmebehandlung der beschichteten Oberfläche bei Temperaturen zwischen 135 °C und 150 °C
d) Einwirken eines elektrischen Feldes auf die beschichtete Oberfläche.

Figure DE102012208653B4_0000
Method for producing an ice-repellent coating from a pyroelectric film by the method steps:
a) coating a surface with a coating liquid, of PVDF (polyvinylidene fluoride) in pure form, as a solution or mixture or dispersion,
b) drying the coated surface
c) phase transformation of the PVDF by means of a heat treatment of the coated surface at temperatures between 135 ° C and 150 ° C.
d) acting on the coated surface of an electric field.
Figure DE102012208653B4_0000

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer Oberflächenbeschichtung mit eisabweisenden Eigenschaften, die Oberflächenbeschichtung und deren Verwendung.The invention relates to a method for producing a surface coating with ice-repellent properties, the surface coating and their use.

Unter eisabweisend wird verstanden, dass sich auf der beschichteten Oberfläche bei gleichen Bedingungen nicht so viel Eis absetzt, wie auf einer unbeschichteten Oberfläche und/oder das die Eisbildung später einsetzt und/oder dass sich das Eis leichter mechanisch entfernen lässt. Das Anhaften von Eis stellt für eine Reihe von Industrieanlagen ein großes Problem dar. Betroffen sind vor allem Bereiche der Energiewirtschaft, die Telekommunikationsbranche, elektrische Versorgungseinheiten, Transportwesen, insbesondere das Luftfahrtwesen usw. Eis- und Raureifbildung führen zur Senkung des Wirkungsgrades bis hin zur Funktionsunfähigkeit von technischen Anlagen. Große Vereisungsprobleme treten auch in der Kühltechnik auf. Ventilatoren, Rohrleitungssysteme, Wärmetauscher etc. müssen in regelmäßigen Abständen außer Betrieb genommen und aufwendig enteist werden.Ice-repelling is understood to mean that not so much ice is deposited on the coated surface under the same conditions as on an uncoated surface and / or that ice formation starts later and / or that the ice is easier to remove mechanically. The adhesion of ice is a major problem for a number of industrial plants. It affects primarily sectors of the energy industry, the telecommunications industry, electrical supply units, transport, in particular the aviation industry, etc. Ice and hoarfrost lead to the reduction of efficiency up to the inability of technical equipment. Great icing problems also occur in the cooling technology. Fans, piping systems, heat exchangers, etc. must be taken out of operation at regular intervals and lavishly de-iced.

Die bekannten Methoden zur Eisvermeidung setzen an verschiedenen Punkten an.The known methods of avoiding ice start at various points.

Zum einen wird versucht, mittels unterschiedlicher Beschichtungssysteme eine Reduzierung der Eisadhäsionskraft und die Schwächung zwischenmolekularer Kräfte an der Grenzfläche von Bauteilen zum anhaftenden Eis zu erreichen. Dieser Ansatz basiert im Wesentlichen auf Maßnahmen zur Ultrahydrophobierung der Oberflächen, die sich aus einer Minimierung der Oberflächenenergie und einer gezielten Oberflächenstrukturierung zusammensetzen ( JP2000044863A ). Insgesamt können Schichtsysteme mit hydrophobierenden Eigenschaften die Adhäsion des anhaftenden Eises vermindern und damit mechanische Prozesse des Eisentfernens erleichtern. Sie können gefrierverzögernd wirken, es jedoch nicht verhindern.On the one hand, it is attempted to achieve a reduction of the ice adhesion force and the weakening of intermolecular forces at the interface of components to the adherent ice by means of different coating systems. This approach is essentially based on measures for ultrahydrophobization of the surfaces, which consist of a minimization of the surface energy and a targeted surface structuring ( JP2000044863A ). Overall, coating systems with hydrophobizing properties can reduce the adhesion of adhering ice and thus facilitate mechanical processes of ice removal. They can have a freeze-delay effect, but they can not prevent it.

Zum anderen wurde versucht, die Adhäsionskraft des Eises über ihren Anteil an elektrostatischen Anziehungskräften zu minimieren. Über eine konstante elektrische Gleichspannung sind diese Kräfte beeinflussbar. Zwischen elektrisch isolierender Beschichtung und Eis wird ein feinmaschiges Netz aufgebracht, das den elektrischen Kontakt realisiert ( US20030024726A1 , V. F. Petrenko, Ryzhkin, I. A.; Surface states of Charge Carriers and Electrical Properties of the Surface Layer of Ice, J. Phys. Chem. B 1997, 101, pp. 6285-6289 ). Da dieser Mechanismus eine Leitfähigkeit des Eises voraussetzt, kann er nur für wässrige Lösungen zum Einsatz kommen (z. B. NaCl gelöst) und ist nicht für destilliertes Wasser anwendbar.On the other hand, attempts were made to minimize the adhesion of ice over its share of electrostatic forces of attraction. About a constant electrical DC voltage, these forces can be influenced. Between electrically insulating coating and ice, a fine-meshed network is applied, which realizes the electrical contact ( US20030024726A1 . VF Petrenko, Ryzhkin, IA; Surface states of Charge Carriers and Electrical Properties of the Surface Layer of Ice, J. Phys. Chem. B 1997, 101, pp. 6285-6289 ). As this mechanism presupposes a conductivity of the ice, it can only be used for aqueous solutions (eg NaCl dissolved) and is not applicable to distilled water.

Eine heterogene Oberflächenclusterung, wie sie von der hydrophil/hydrophob gestalteten Membranoberfläche eisnukleierender Bakterien bekannt ist, wurde in zwei Ansätzen mit Mitteln der Sol-Gel Chemie nachgestellt. Ziel war in beiden Fällen die Einstellung eines hydrophoben, antiadhäsiven und eisophoben Charakters der Beschichtung. Erstens wurde durch eine Partikelverstärkung von Sol-Gel Schichten, vorrangig mit Silikonpartikeln, aber auch anderen, nicht namentlich aufgeführten organischen sowie anorganischen Beimengungen eine Modifizierung des Hydrophil-Hydrophob-Verhaltens vorgenommen ( US 006153304A ). Zweitens wurde versucht, die heterogen gestaltete Membranoberfläche eisnukleierender Bakterien auf biomimetischem Wege zu adaptieren. Durch einige winzige hydrophile Moleküle in der Schicht wird die Eisbildung an diesen entsprechenden Stellen lokal zugelassen. Auf diese Weise wird in die Energiebilanz zur Bildung stabiler Eiskristallkeime eingegriffen. Spontanes Überfrieren der Oberflächen soll vermieden und der Gefriervorgang gesteuert werden, um so die eisabweisenden Schichteigenschaften zu unterstützen ( WO 2005/075112 A1 bzw. WO 02/09 04 59 A1 ). In der WO 2008/071752 A1 wurde berichtet, wie es mittels einer polymeren hydrophil/hydrophoben Schichtstrukturierung gelingt, einen Luft- oder Flüssigkeitsfilm zwischen Oberfläche und gefrierendem Eis zu erhalten. Auf diese Weise wird eine Eisanhaftung reduziert.Heterogeneous surface clustering, as known from the hydrophilic / hydrophobic membrane surface of ice-nucleating bacteria, was simulated in two runs with sol-gel chemistry. The aim in both cases was to establish a hydrophobic, anti-adhesive and ice-opaque character of the coating. First, a modification of the hydrophilic-hydrophobic behavior was carried out by a particle reinforcement of sol-gel layers, primarily with silicone particles, but also other organic and inorganic admixtures not mentioned by name. US 006153304A ). Second, an attempt was made to biomimetically adapt the heterogeneously designed membrane surface of ice nucleating bacteria. Some tiny hydrophilic molecules in the layer allow localized ice formation at these sites. In this way, the energy balance is intervened to form stable ice crystal nuclei. Spontaneous freezing of the surfaces should be avoided and the freezing process should be controlled in order to support the ice-repellent layer properties ( WO 2005/075112 A1 or. WO 02/09 04 59 A1 ). In the WO 2008/071752 A1 It was reported how it is possible by means of a polymeric hydrophilic / hydrophobic layer structure, to obtain an air or liquid film between the surface and ice freezing. In this way, ice adhesion is reduced.

Anwendungsbeispiele der beschriebenen Erfindungen demonstrieren eine eisadhäsionsreduzierende Wirkung dergestalt, dass einmal gebildeter Raureif auf den beschichteten Oberflächen einfacher mechanisch entfernt werden kann als auf unbeschichtenen Flächen. Analysiert man das Zusammenspiel der Mechanismen Eis abwehrender Bakterien, so findet man neben den vielfach diskutierten Effekten wie Hydrophobierung oder hydrophil/hydrophober Clusterung eine weitere unabdingbare Komponente, nämlich eine Befähigung der Außenmembran zum Abwurf bereits entstandener Eiskeime. Für die Adaption dieses Mechanismus für technische Oberflächen bedeutet das, dass mit dem Mechanismus der Hydrophil/Hydrophobclusterung zwar eine gesteuerte Eiskeimbildung zugelassen wird, es aber eines umströmenden Mediums bedarf, bspw. von Luftmassen oder Flüssigkeiten, um die Eiskeime aufgrund der Scherkräfte von der Oberfläche zu lösen und abzutransportieren.Application examples of the inventions described demonstrate an ice adhesion reducing effect such that once formed hoarfrost can be more easily removed mechanically on the coated surfaces than on uncoated surfaces. If one analyzes the interaction of the mechanisms of ice-defying bacteria, one finds besides the frequently discussed effects such as hydrophobing or hydrophilic / hydrophobic clustering another indispensable component, namely an ability of the outer membrane to shed already formed ice nuclei. For the adaptation of this mechanism for technical surfaces, this means that although the mechanism of hydrophilic / hydrophobic clustering allows controlled ice nucleation, it requires a circulating medium, for example of air masses or liquids, to direct the ice nuclei due to the shear forces from the surface solve and transport away.

Als die Ursachen für Eisadhäsion werden elektrostatische Anziehungskräfte, kovalente Bindungen, Wasserstoffbrückenbindungen sowie die fluktuierenden van der Waals-Bindungen diskutiert. Eis besteht aus polaren Wassermolekülen, die mit polaren Oberflächen bevorzugt wechselwirken. Tatsächlich wurde von Ehre et. al. ( Ehre, D., Etay Lavert, M. Lahav, I. Lubomirski; Water freezes differently on positively and negatively charged surfaces of pyroelectric materials, Science, Vol. 327, Feb. 2010, 672 - 675 ) bestätigt, dass Wassermoleküle in der Nähe polarer Oberflächen andere Cluster als im Wasservolumen ausbilden.As the causes of ice adhesion, electrostatic attractions, covalent bonds, hydrogen bonds and fluctuating van der Waals bonds are discussed. Ice consists of polar water molecules that preferentially interact with polar surfaces. In fact, of honor et. al. ( Honor, D., Etay Lavert, M. Lahav, I. Lubomirski; Water freezes differently on positively and negatively charged surfaces of pyroelectric materials, Science, Vol. 327, Feb. 2010, 672-675 ) confirms that water molecules close to polar surfaces form clusters other than water volume.

In der US 2010/0135937 A1 wird ein Verfahren vorgestellt, wie eine Beschichtung aus Nanopartikeln auf eine Oberfläche aufgebracht und dieser ein polarer Charakter verliehen werden kann. Dabei werden Nanopartikel mit einer schmalen Größenverteilung aus einem metallorganischen Precursor, der bei Temperaturen unterhalb von 350 °C mit einem Alkohol in Verbindung gebracht wird, erzeugt. Über eine Polymerisation des Precursors kann ein Film erzeugt werden, der als Oberflächenbeschichtung dient.In the US 2010/0135937 A1 A method is presented how a coating of nanoparticles can be applied to a surface and given a polar character. Nanoparticles with a narrow size distribution of an organometallic precursor, which is associated with an alcohol at temperatures below 350 ° C, are generated. A polymerization of the precursor can be used to produce a film which serves as a surface coating.

Oberflächenbeschichtungen aus piezoelektrischen oder pyroelektrischen Substanzen werden bereits in verschiedenen Gebieten eingesetzt. So schlägt die GB 2 145 106A ein Verfahren zur Erzeugung einer piezoelektrischen Folie für Ultraschallwandler vor. In der US 10 2011 085 790 A1 wird ein pyroelektrischer Film zur Desinfektion von Klimaanlagenteilen genutzt. Die US 2009/0022899 A1 beschreibt die Herstellung einer Anti-Fouling-Beschichtung für U-Boote.Surface coatings of piezoelectric or pyroelectric substances are already used in various fields. So that beats GB 2 145 106A a method of producing a piezoelectric film for ultrasonic transducers. In the US 10 2011 085 790 A1 a pyroelectric film is used for the disinfection of air conditioning units. The US 2009/0022899 A1 describes the production of an anti-fouling coating for submarines.

Die EP 1769544 B1 beschreibt Verfahren zur Herstellung von piezo- oder pyroelektrischen Dünnschichten. Dabei wird eine Keramikpulversuspension mit einer Polymerlösung gemischt und der entstehende sogenannte Kompositschlicker auf ein Substrat aufgebracht und bei ca. 100 °C getrocknet. Das Verfahren wird für PMMA-Lösungen näher beschrieben. Weiterhin beschrieben wird die sogenannte Polung, bei der die entstehende Schicht bis nach ihrer Aushärtung einem elektrischen Feld ausgesetzt wird. Das Verfahren sieht vor, die Polung lediglich auf die fertige Polymerschicht anzuwenden. Dies ist nachteilig, da keramische Partikel sich nur noch eingeschränkt in der Polymerschicht bewegen können.The EP 1769544 B1 describes methods for producing piezoelectric or pyroelectric thin films. In this case, a ceramic powder suspension is mixed with a polymer solution and the resulting so-called Kompositschlicker applied to a substrate and dried at about 100 ° C. The process is described in more detail for PMMA solutions. Also described is the so-called polarity, in which the resulting layer is exposed to an electric field until it has cured. The method provides to apply the poling only to the finished polymer layer. This is disadvantageous since ceramic particles can only move in the polymer layer to a limited extent.

Es stellt sich die Aufgabe, ein Verfahren vorzustellen, mit dem es gelingt, eine Oberfläche derart zu beschichten, dass diese in der Folge weniger zur Eisbildung neigt, eine leichtere Eisentfernung ermöglicht und während des Betriebs aktiv mit gegebenen oder induzierten Temperaturwechseln erneut eisabstoßend wirkt.It has as its object to provide a method with which it is possible to coat a surface in such a way that it tends less to ice formation, allows for easier removal of ice and active during operation with given or induced temperature changes again ice repellent effect.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit dem Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2 gelöst. Gegenstand der Ansprüche 13 und 14 ist die Verwendung einer Oberflächenbeschichtung, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wird. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den rückbezogenen Unteransprüchen dargestellt.According to the invention the object is achieved by the method according to claims 1 and 2. Subject matter of claims 13 and 14 is the use of a surface coating, which is produced by the method according to the invention. Advantageous embodiments are shown in the dependent claims.

Pyroelektrische Kristalle verfügen über eine polar aufgebaute Kristallstruktur. Sie reagieren auf einen Temperaturwechsel mit dem Aufbau einer Polarisationsladung an den Oberflächen der Kristallite, die in zeitlicher Abhängigkeit dissipiert werden können. Jeder Temperaturwechsel führt zu einer erneuten Polarisation und damit zum erneuten Aufbau eines elektrischen Potentials.Pyroelectric crystals have a polar structure. They react to a change in temperature with the formation of a polarization charge on the surfaces of the crystallites, which can be dissipated in time dependence. Each temperature change leads to a renewed polarization and thus to the rebuilding of an electrical potential.

Mit Schichten aus pyroelektrischen Kristallen bzw. mit Schichten, die pyroelektrische Kristalle enthalten, werden gleichzeitig drei Mechanismen bedient, die in den Vorgang der Eisbildung an Oberflächen eingreifen.With layers of pyroelectric crystals or with layers containing pyroelectric crystals, three mechanisms are simultaneously used, which interfere with the process of ice formation on surfaces.

Zum einen wird die bei Aggregatzustandsumwandlungen freiwerdende Umwandlungswärme ausgenutzt. Während des Kristallisationsprozesses von zunächst flüssigem oder gasförmigem atmosphärischen Wasser an der Oberfläche wird Umwandlungsenergie frei und bewirkt durch ihre spürbare Temperaturveränderung im nahen Umfeld eine Stimulation der Pyroelektrika. Die sich ausbildenden elektrischen Oberflächenladungen auf den pyroelektrischen Partikeln beeinflussen insgesamt die Bilanz der Oberflächenenergie in gezielter Weise. Sie steuern aktiv die Interaktion mit umgebenden Wassermolekülen oder Eispartikeln und lassen Eisanhaftung nicht oder nur lokal zu. Darüber hinaus führen die dabei ausgelösten Ladungsveränderungen der Pyroelektrika zu Dipolverlagerungen und damit auch zu deutlichen mechanischen Instabilitäten im bereits anhaftenden, hexagonal auskristallisierten Eiskristalliten, in deren Folge die Bindung zwischen Oberflächenbeschichtung und anhaftendem Eis aufgrund resultierender Inkohärenzen der Grenzfläche und veränderter Volumina gelöst wird. Die eintretende räumliche Auslenkung der pyroelektrischen Kristalle unterstützt das Ablösen bereits anhaftender Eiskeime. Eine Möglichkeit zur Verstärkung dieses Effektes ist die optionale zusätzliche Verwendung piezoelektrischer Schichtkomponenten (Nano- oder Mikropartikel), die in die Oberflächenbeschichtung mit einbezogen werden. Die piezoelektrischen Nano- bzw. Mikropartikel verstärken den mechanischen Effekt der Pyroelektrika deutlich. Sie werden in einem Kettenprozess stimuliert. Die während des Kristallisationsprozesses des umgebenden Wassers aufgrund der beschriebenen thermischen Stimulation der pyroelektrischen Komponenten aufgebaute elektrische Ladung veranlasst die Piezoelektrika zu einer lokalen räumlichen Auslenkung, was ebenfalls ein Abstoßen bereits anhaftender Eiskristalliten hervorruft.On the one hand, the heat of transformation released during states of aggregation is utilized. During the crystallization process of initially liquid or gaseous atmospheric water at the surface, energy of transformation is released and causes a stimulation of the pyroelectrics due to its noticeable temperature change in the near environment. Overall, the electrical surface charges on the pyroelectric particles influence the balance of the surface energy in a targeted manner. They actively control the interaction with surrounding water molecules or ice particles and do not allow ice adhesion or only locally. In addition, the resulting charge changes of the pyroelectrics lead to dipole displacements and thus to significant mechanical instabilities in the already adherent, hexagonal crystallized ice crystallites, as a result, the bond between the surface coating and adhering ice is solved due to resulting incoherencies of the interface and modified volumes. The incoming spatial deflection of the pyroelectric crystals supports the detachment of already adhering ice nuclei. One way to enhance this effect is the optional additional use of piezoelectric layer components (nano- or microparticles) that are included in the surface coating. The piezoelectric nanoparticles or microparticles significantly enhance the mechanical effect of the pyroelectrics. They are stimulated in a chain process. The electrical charge built up during the crystallization process of the surrounding water due to the described thermal stimulation of the pyroelectric components induces the piezoelectrics to a local spatial deflection, which also causes a rejection of already adhering ice crystallites.

Diese Mechanismen bewirken, dass sich das Eis nur an diskreten, nanoskopisch verteilten Kristallisationspunkten bilden kann, nur lose auf der Beschichtung anhaftet und mittels der optionalen eingebetteten schaltbaren piezoelektrischen Nano- oder Mikropartikel auf einfachem Weg wieder abgelöst werden kann.These mechanisms cause the ice to form only at discrete, nanoscopically distributed crystallization points, to adhere only loosely to the coating, and by means of the optional embedded switchable piezoelectric nano-or Microparticles can be easily removed again.

Eine eisabweisende Oberflächenbeschichtung kann somit vollständig aus einem pyroelektrischen Material bestehen oder aus pyroelektrischen Nanokomponenten, die in eine elastische, verschleißminimierende oder anderweitige schützende Matrix eingebunden sind. An ice-repellent surface coating may thus consist entirely of a pyroelectric material or of pyroelectric nanocomponents embedded in an elastic, wear-minimizing or otherwise protective matrix.

In den letzten Jahren hat sich jedoch der Vorbehalt gegen den massenhaften Einsatz von Nanopartikeln verstärkt, da es Vermutungen hinsichtlich eventueller gesundheitlicher Risiken gibt. Insbesondere bei Oberflächen, die Umwelteinwirkungen ausgesetzt sind und an denen mit einer stetigen Abrasion gerechnet werden muss, sollten diese vermieden oder wenigstens reduziert werden. Es sind somit neben Oberflächen, in die pyroelektrische Nanopartikel eingebunden sind, auch solche Oberflächen interessant, die in Ihrer Gesamtheit pyroelektrische Eigenschaften aufweisen.In recent years, however, the reservation against the mass use of nanoparticles has increased, as there are assumptions about possible health risks. In particular for surfaces which are exposed to environmental influences and on which a constant abrasion must be expected, these should be avoided or at least reduced. Thus, in addition to surfaces in which pyroelectric nanoparticles are incorporated, those surfaces which have pyroelectric properties in their entirety are also of interest.

Unter Berücksichtigung dieser Restriktionen wird erfindungsgemäß ein Verfahren eingesetzt, bei dem ein Film gebildet und während der Herstellung einem oder mehreren Konditionierungsschritten zur Ausbildung entsprechender pyroelektrischer Eigenschaften unterzogen wird. Die Konditionierungsschritte sehen die Einwirkung eines elektrischen Feldes sowie eine Wärmebehandlung vor. Der Film weist entweder selbst pyroelektrische Eigenschaften auf und/oder in den Film sind pyroelektrische Partikel eingebettet. Beide Varianten werden im Folgenden als pyroelektrischer Überzug, Oberflächenbeschichtung oder Überzug aus pyroelektrischem Material bezeichnet.Taking these restrictions into account, a method is used according to the invention in which a film is formed and during the preparation one or more conditioning steps are carried out to form corresponding pyroelectric properties. The conditioning steps provide for the action of an electric field and a heat treatment. The film itself has either pyroelectric properties and / or pyroelectric particles are embedded in the film. Both variants are referred to below as a pyroelectric coating, surface coating or coating of pyroelectric material.

Der Überzug aus pyroelektrischem Material wird hergestellt, indem die Oberfläche durch einfaches oder mehrfaches Beschichten mit diesem Überzug ausgestattet wird. Durch eine anschließende Wärmebehandlung und bei vorzugsweise gleichzeitigem Einwirken eines elektrischen Feldes erfolgt die Konditionierung. Das elektrische Feld ist dabei vorzugsweise so gerichtet, dass sich nach Abschluss der Wärmebehandlung die Oberfläche durch den pyroelektrischen Effekt bei Temperaturabnahme bevorzugt negativ auflädt. Die Einwirkung des Feldes wird vorzugsweise erst nach weitgehender Abkühlung beendet und kann in einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform aber auch vor Abkühlen der Probe beendet werden.The coating of pyroelectric material is prepared by providing the surface with a single or multiple coating of this coating. By a subsequent heat treatment and preferably simultaneously acting on an electric field conditioning takes place. The electric field is preferably directed so that after completion of the heat treatment, the surface preferably negatively charged by the pyroelectric effect at temperature decrease. The action of the field is preferably completed only after extensive cooling and can be terminated in a further preferred embodiment, but also before cooling the sample.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass die Wärmebehandlung getrennt von dem Einwirken eines elektrischen Feldes erfolgt. Diese Vorgehensweise wird bevorzugt bei dicken Folien (dicker als 1 µm) angewandt.A further preferred embodiment provides that the heat treatment takes place separately from the action of an electric field. This procedure is preferably used for thick films (thicker than 1 micron).

Die Beschichtung der Oberfläche wird bevorzugt durch einmaliges oder mehrmaliges Tauchen in die Beschichtungsflüssigkeit vorgenommen. Es sind jedoch auch weitere, aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren zur Beschichtung möglich, wie bspw. Aufsprühen, Spin-Coating, Schwallbeschichten etc. Nach dem Beschichten wird die aufgebrachte Schicht verfestigt. Dies geschieht bevorzugt durch Lufttrocknung und geht ggf. mit einer Polymerisation einher (falls die Beschichtungsflüssigkeit polymerisationsfähig ist und nur teilpolymerisiert war). Weitere bevorzugte Ausführungsformen sehen unterstützende Maßnahmen wie Infrarotbestrahlung, Heißluftdusche oder ähnliches vor.The coating of the surface is preferably carried out by dipping once or several times in the coating liquid. However, other methods known from the prior art for coating are possible, such as, for example, spraying, spin coating, wave coating, etc. After coating, the applied layer is solidified. This is preferably done by air drying and possibly accompanied by a polymerization (if the coating liquid is polymerizable and was only partially polymerized). Further preferred embodiments provide supportive measures such as infrared radiation, hot air shower or the like.

Die Beschichtung wird bevorzugt auf einer metallischen Oberfläche, Gläsern, Glaskeramik oder Verbundwerkstoffen aufgebracht. Es ist jedoch prinzipiell jede feste Oberfläche als Träger der Beschichtung denkbar. In einem bevorzugten Verfahrensschritt wird die Oberflächenbeschichtung vor oder nach dem Konditionierungsschritt von der Oberfläche abgelöst und als Folie weiterverarbeitet. Diese Weiterverarbeitung schließt vorzugsweise auch die Aufbringung weiterer Schichten und anschließende Konditionierungsschritte ein. In diesem Fall dient die Folie selbst als zu beschichtende Oberfläche.The coating is preferably applied to a metallic surface, glasses, glass-ceramic or composite materials. However, it is conceivable in principle any solid surface as a carrier of the coating. In a preferred method step, the surface coating is detached from the surface before or after the conditioning step and further processed as a film. This further processing preferably also includes the application of further layers and subsequent conditioning steps. In this case, the film itself serves as a surface to be coated.

Die Beschichtung mit nachfolgender, wenigstens teilweiser Aushärtung wird bevorzugt mehrfach durchgeführt. So wird vorteilhaft eine größere Schichtdicke erzielt. Die Schichtdicke beträgt bevorzugt 40 nm bis 100 µm, besonders bevorzugt 60 nm bis 80 µm und ganz besonders bevorzugt 80 nm bis 50 µm. Die einzelnen Beschichtungsvorgänge erfolgen bevorzugt mit derselben Beschichtungsflüssigkeit. Eine vorteilhafte Weiterentwicklung sieht jedoch vor, dass unterschiedliche Beschichtungsflüssigkeiten zum Einsatz kommen, die sich insbesondere in ihrem Gehalt an weiteren pyroelektrischen und/oder piezoelektrischen Bestandteilen unterscheiden.The coating with subsequent, at least partial curing is preferably carried out several times. Thus, a greater layer thickness is advantageously achieved. The layer thickness is preferably 40 nm to 100 μm, particularly preferably 60 nm to 80 μm and very particularly preferably 80 nm to 50 μm. The individual coating operations are preferably carried out with the same coating liquid. An advantageous development, however, provides that different coating liquids are used, which differ in particular in their content of other pyroelectric and / or piezoelectric components.

Wenn die notwendige Dicke der Oberflächenbeschichtung erreicht ist, folgt der Konditionierungsschritt. Insbesondere wird durch die Konditionierung erreicht, dass sich die Oberfläche durch den pyroelektrischen Effekt bei Temperaturabnahme bevorzugt negativ auflädt. Die ständig auftretende Veränderung der Ladungsverhältnisse aufgrund der pyroelektrischen Eigenschaften der Oberflächenbeschichtung führt zu einer Beeinflussung der Clusterbildung der Wassermoleküle und damit zur gewünschten Verzögerung der Eiskeimbildung. Erfolgt schließlich eine Kondensation der Wassermoleküle, so kann die dabei freiwerdende Kondensationswärme wiederum zur Aktivierung der pyroelektrischen Oberflächenbeschichtung genutzt werden, wodurch die Ladungsverhältnisse an der Grenzfläche Wasser/Beschichtung eine weitere Änderung erfahren. Besonders wichtig für die eisabweisende Eigenschaft der Oberflächenbeschichtung ist somit, dass es zu einer ständigen bzw. möglichst häufigen Ladungsveränderung an der Oberfläche kommt.When the necessary thickness of surface coating is achieved, the conditioning step follows. In particular, it is achieved by the conditioning that the surface preferably negatively charges due to the pyroelectric effect when the temperature decreases. The constantly occurring change in the charge conditions due to the pyroelectric properties of the surface coating leads to an influence on the clustering of the water molecules and thus to the desired delay of ice nucleation. Finally, if condensation of the water molecules takes place, the heat of condensation released in turn can be used to activate the pyroelectric surface coating, as a result of which the charge ratios at the water / coating interface undergo a further change. Especially important for the ice-repellent property The surface coating is thus that there is a constant or frequent charge change on the surface.

Die Konditionierung beinhaltet eine Temperaturbehandlung. Vorzugsweise bereits während der Temperaturbehandlung wird die Oberflächenbeschichtung einem elektrischen Feld ausgesetzt. Dies erfolgt bevorzugt in einer Kondensatoranordnung. Die beschichtete Oberfläche wird zwischen die Elektroden eines Kondensators gebracht, wobei diese bevorzugt parallel zu der negativ geladenen Elektrode des Kondensators gerichtet ist. Dadurch ist die negativ geladene Elektrode der Seite der Oberfläche zugewandt, auf der mit einer späteren Vereisung zu rechnen ist.The conditioning includes a temperature treatment. Preferably already during the temperature treatment, the surface coating is exposed to an electric field. This is preferably done in a capacitor arrangement. The coated surface is placed between the electrodes of a capacitor, which is preferably directed parallel to the negatively charged electrode of the capacitor. As a result, the negatively charged electrode faces the side of the surface on which later icing is to be expected.

Versuche haben gezeigt, dass ein eisabweisender Effekt auch erzielt wird, wenn die positive Elektrode der Seite der Oberfläche zugewandt wird, auf der mit einer späteren Vereisung zu rechnen ist. In diesem Fall ist der beobachtete eisabweisende Effekt jedoch geringer. Die beschriebenen Vorgehensweisen sind mit umgekehrten elektrischen Ladungen entsprechend anwendbar.Experiments have shown that an ice-repellent effect is also achieved when the positive electrode faces the side of the surface, which is to be reckoned with later icing. In this case, however, the observed ice-repelling effect is less. The described procedures are correspondingly applicable with reverse electric charges.

Bevorzugt wird erst nach Einwirkung des elektrischen Feldes auf die Oberfläche der Abkühlungsvorgang initiiert. Die Einwirkzeit ist abhängig von der Oberflächenschichtdicke. Als vorteilhaft hat sich eine Einwirkzeit des elektrischen Feldes von etwa 60 min erwiesen.Preferably, the cooling process is initiated only after the action of the electric field on the surface. The exposure time depends on the surface layer thickness. An effective time of the electric field of about 60 minutes has proved to be advantageous.

Die eingesetzte Feldstärke beeinflusst den Erfolg der Polarisierungsbehandlung. Sie richtet sich außerdem nach der Dicke der Oberflächenbeschichtung und liegt vorzugsweise im Bereich von 1*106 V/m bei 50 nm Oberflächenschichtdicke bis 80*106 V/m bei 50 µm Film- bzw. Foliendicke.The field strength used influences the success of the polarization treatment. It also depends on the thickness of the surface coating and is preferably in the range of 1 * 10 6 V / m at 50 nm surface layer thickness to 80 * 10 6 V / m at 50 microns film or film thickness.

Ausführungsformembodiment

Der Überzug wird bevorzugt mittels eines Sol-Gel-Prozesses hergestellt. Dabei wird eine Materialschicht aufgebracht, die selbst keine oder nur sehr geringe pyroelektrische Eigenschaften aufweist. In diese Materialschicht sind Nano- und/oder Mikropartikel eingebettet. Diese Nano- und/oder Mikropartikel weisen vorzugsweise eine Größe von 10 - 5000 nm auf. Die Nano- und/oder Mikropartikel bestehen vorzugsweise aus Lithiumniobat, Lithiumtantalat, Bariumtitanat oder sonstigen perowskitischen Keramiken mit pyroelektrischen Eigenschaften. Ganz besonders bevorzugt bestehen die Nano- und/oder Mikropartikel aus Strontiumbariumniobat. Als vernetzende Trägerflüssigkeit (Materialschicht) für die Nano- und/oder Mikropartikel kommt bevorzugt TEOS (Tetraethylorthosilicat), TMOS (Tetramethylorthosilikat), TEOT (Tetratorthotitantat) oder TPOT (Tetratisopropylorthotitanat) oder Aluminiumpropylat oder Gemische aus den genannten Precursoren zum Einsatz. Die Verarbeitung erfolgt in einem Sol-Gel-Prozess nach dem Stand der Technik. Es werden durch saure oder alkalische Hydrolyse der Sole stabile Trägerschichten aus Silizium-, Aluminium- oder Titanoxiden hergestellt. Bevorzugte Beschichtungslösungen weisen 1 - 25 Masse-% Silananteil auf. Der Anteil an pyroelektrischen Nano- und/oder Mikropartikeln beträgt darin vorzugsweise 1 - 50 Masse-%, besonders bevorzugt 10 - 20 Masse-%.The coating is preferably produced by means of a sol-gel process. In this case, a material layer is applied, which itself has no or only very low pyroelectric properties. Nano and / or microparticles are embedded in this material layer. These nanoparticles and / or microparticles preferably have a size of 10 to 5000 nm. The nano- and / or microparticles are preferably made of lithium niobate, lithium tantalate, barium titanate or other perovskite ceramics having pyroelectric properties. Most preferably, the nano- and / or microparticles consist of strontium barium niobate. The crosslinking carrier liquid (material layer) for the nano- and / or microparticles is preferably TEOS (tetraethyl orthosilicate), TMOS (tetramethyl orthosilicate), TEOT (tetratorthotitantate) or TPOT (tetratisopropyl orthotitanate) or aluminum propylate or mixtures of the precursors mentioned. The processing takes place in a sol-gel process according to the prior art. Steady carrier layers of silicon, aluminum or titanium oxides are produced by acidic or alkaline hydrolysis of the sols. Preferred coating solutions have 1 to 25% by weight silane content. The proportion of pyroelectric nanoparticles and / or microparticles therein is preferably 1-50% by mass, particularly preferably 10-20% by mass.

Der Konditionierungsschritt für TEOS mit Nano- und/oder Mikropartikeln sieht vor, dass nach dem Beschichten eine oder mehrere thermische Behandlungen unter Einfluss eines elektrischen Feldes vorgenommen werden. Die thermische Behandlung wird bevorzugt bei einer Temperatur von 50 °C bis 100 °C, besonders bevorzugt zwischen 55 °C und 60 °C durchgeführt.The conditioning step for TEOS with nano- and / or microparticles provides that after the coating one or more thermal treatments are performed under the influence of an electric field. The thermal treatment is preferably carried out at a temperature of 50 ° C to 100 ° C, more preferably between 55 ° C and 60 ° C.

Im Fall des Einsatzes des ganz besonders bevorzugten Strontiumbariumniobats kommen Keramiken zum Einsatz, deren Verhältnis von Strontium zu Barium im Bereich von 2,5:7,5 (Sr0,25Ba0,75Nb2O6) bis 8,5:1,5 (Sr0,85Ba0,15Nb2O6); besonders bevorzugt im Bereich von 3:7 (Sr0,3Ba0,7Nb2O6) bis 8:2 (Sr0,8Ba0,2Nb2O6,) und ganz besonders bevorzugt im Bereich von 6:4 (Sr0,6Ba0,4Nb2O6) bis 8:2 (Sr0,8Ba0,2Nb2O6) liegt.In the case of using the most preferred strontium barium niobate, ceramics are used whose ratio of strontium to barium ranges from 2.5: 7.5 (Sr 0.25 Ba 0.75 Nb 2 O 6 ) to 8.5: 1 , 5 (Sr 0.85 Ba 0.15 Nb 2 O 6 ); particularly preferably in the range from 3: 7 (Sr 0.3 Ba 0.7 Nb 2 O 6 ) to 8: 2 (Sr 0.8 Ba 0.2 Nb 2 O 6 ,) and very particularly preferably in the range from 6: 4 (Sr 0.6 Ba 0.4 Nb 2 O 6 ) to 8: 2 (Sr 0.8 Ba 0.2 Nb 2 O 6 ).

Die Herstellung der ganz besonders bevorzugten Strontiumbariumniobats erfolgt vorzugsweise über die sogenannte Oxalatroute:The production of the particularly preferred strontium barium niobate is preferably carried out via the so-called oxalate route:

Ammoniumnioboxalat NH4[NbO(C2O4)2(H2O)2] ·(H2O) + Strontiumacetat (C4H6SrO4) + (Bariumacetat C4H6BaO4); bei 110 - 115 °C sprühtrocknen, anschließend Tempern bei 700 °C/1h. Diese Herstellung findet sich im Stand der Technik z. B. in: R.G. Mendes, E.B. Araújo, J.A. Eiras, Structural Characterization and Ferroelectric Properties of Strontium Barium Niobate (SrxBa1-xNb2O6) Thin Films, Materials Research, Vol. 4, No. 2, 113-116, 2001 .Ammonium nioboxalate NH4 [NbO (C2O4) 2 (H2O) 2] · (H2O) + strontium acetate (C4H6SrO4) + (barium acetate C4H6BaO4); spray-dry at 110-115 ° C, then anneal at 700 ° C / 1h. This preparation can be found in the prior art z. In: RG Mendes, EB Araújo, JA Eiras, Structural Characterization and Ferroelectric Properties of Strontium Barium Niobates (Srx Ba1-x Nb2 O6) Thin Films, Materials Research, Vol. 2, 113-116, 2001 ,

Vorzugsweise während der Temperaturbehandlung wird die Oberflächenbeschichtung einem elektrischen Feld ausgesetzt. Die Feldstärke beträgt bevorzugt zwischen 1*106 V/m und 2*106 V/m, besonders bevorzugt zwischen 1,3*106 V/m und 1,7*106 V/m. Größere Feldstärken führen zu einer Verkürzung der notwendigen Einwirkungszeit. Durch die Einwirkung des elektrischen Feldes werden die pyroelektrischen Nano- und/oder Mikropartikel ausgerichtet. Die Ausrichtung wird durch das Abkühlen nach der Temperaturbehandlung fixiert.Preferably, during the temperature treatment, the surface coating is exposed to an electric field. The field strength is preferably between 1 * 10 6 V / m and 2 * 10 6 V / m, more preferably between 1.3 * 10 6 V / m and 1.7 * 10 6 V / m. Larger field strengths lead to a shortening of the necessary exposure time. The action of the electric field aligns the pyroelectric nanoparticles and / or microparticles. Alignment is fixed by cooling after the temperature treatment.

Ausführungsform embodiment

Die Oberflächenbeschichtung wird bevorzugt aus PVDF (Polyvinylidenfluorid) gebildet. Das Material der Oberflächenbeschichtung liegt bevorzugt in flüssiger Form (Beschichtungsflüssigkeit) rein oder als Lösung bzw. Mischung oder Dispersion vor. Insbesondere liegt das PVDF bevorzugt als Mischung mit dem Copolymerisat Trifluorethylen vor. In der bevorzugt als Beschichtungsflüssigkeit eingesetzten käuflich erwerbbaren Flüssigkeit der Firma Solvay Solexis liegt das PVDF insbesondere zumindest teilpolymerisiert vor.The surface coating is preferably formed from PVDF (polyvinylidene fluoride). The material of the surface coating is preferably pure in liquid form (coating liquid) or as a solution or mixture or dispersion. In particular, the PVDF is preferably present as a mixture with the copolymer trifluoroethylene. In the commercially available liquid used by Solvay Solexis, preferably used as a coating liquid, the PVDF is present in particular at least partially polymerized.

Die Oberflächenbeschichtung weist dabei vorzugsweise in jeder Schicht mindestens 50% des pyroelektrischen Polymers auf. Der Gehalt kann jedoch in jeder Schicht variieren.The surface coating preferably has at least 50% of the pyroelectric polymer in each layer. However, the content may vary in each layer.

Die Oberflächenbeschichtung weist beim Erhitzen an einer Grenztemperatur einen Phasenübergang auf, bei dem die Trans-Gauche-Kettenkonformation der unpolaren α-Phase in die All-Trans-Kettenkonformation der polaren β-Phase umgewandelt wird. Oberhalb dieses Phasenüberganges können die Polymerketten durch ein elektrisches Feld ausgerichtet werden. Wenn die Oberflächenbeschichtung unter die Grenztemperatur abgekühlt wird, bleibt diese Ausrichtung erhalten und der Ausrichtungszustand ist quasi eingefroren. Eine solche Phasenumwandlung ist bei PVDF-haltigen Beschichtungen ebenfalls mit einer mechanischen Verstreckung zu erreichen. Dies geschieht bevorzugt durch Aufspannen der Folie auf die Oberfläche oder durch Aufblasen auf die Oberfläche unter Druck.The surface coating exhibits a phase transition when heated at a limiting temperature, converting the trans-gauche chain conformation of the non-polar α phase into the all-trans chain conformation of the polar β phase. Above this phase transition, the polymer chains can be aligned by an electric field. When the surface coating is cooled below the threshold temperature, this alignment is maintained and the alignment state is virtually frozen. Such phase transformation is also achievable with PVDF-containing coatings with mechanical stretching. This is preferably done by stretching the film on the surface or by blowing on the surface under pressure.

Im Konditionierungsschritt wird die Oberflächenbeschichtung mindestens einmal auf eine Temperatur oberhalb dieses Phasenüberganges erhitzt.In the conditioning step, the surface coating is heated at least once to a temperature above this phase transition.

Für PVDF beträgt diese Phasenübergangstemperatur ca. 135 °C. Da die PVDF-Beschichtung bei etwa 150 °C verdampfen würde (Siedepunkt des Lösungsmittels), wird die Beschichtung vorzugsweise auf eine Temperatur zwischen 135 °C und 150 °C, besonders bevorzugt auf eine Temperatur zwischen 138 °C und 145 °C und ganz besonders bevorzugt auf etwa 140 °C erwärmt. Die Temperaturbehandlung erfolgt bevorzugt bereits unter Einfluss eines elektrischen Feldes. Die Feldstärke beträgt bevorzugt zwischen 1*106 V/m und 2*106 V/m, besonders bevorzugt zwischen 1,3*106 V/m und 1,7*106 V/m. Größere Feldstärken führen zu einer Verkürzung der notwendigen Einwirkungszeit. So hat sich für eine Folie mit einer Dicke von 50 µm eine Feldstärke von bis 80*106 V/m als vorteilhaft erwiesen.For PVDF, this phase transition temperature is about 135 ° C. Since the PVDF coating would evaporate at about 150 ° C (boiling point of the solvent), the coating is preferably at a temperature between 135 ° C and 150 ° C, more preferably at a temperature between 138 ° C and 145 ° C, and more particularly preferably heated to about 140 ° C. The temperature treatment is preferably carried out under the influence of an electric field. The field strength is preferably between 1 * 10 6 V / m and 2 * 10 6 V / m, more preferably between 1.3 * 10 6 V / m and 1.7 * 10 6 V / m. Larger field strengths lead to a shortening of the necessary exposure time. Thus, for a film with a thickness of 50 microns, a field strength of up to 80 * 10 6 V / m has proved to be advantageous.

In einer bevorzugten Weiterbildung sind in der Beschichtungsflüssigkeit zusätzlich pyroelektrische Nano- und/oder Mikropartikel dispergiert. Der Anteil an pyroelektrischen Nano- und/oder Mikropartikeln beträgt darin vorzugsweise 1 - 50 Masse-%, besonders bevorzugt 10 - 20 Masse-%.In a preferred development, pyroelectric nanoparticles and / or microparticles are additionally dispersed in the coating liquid. The proportion of pyroelectric nanoparticles and / or microparticles therein is preferably 1-50% by mass, particularly preferably 10-20% by mass.

Als pyroelektrische Nano- und/oder Mikropartikel kommen auch hier bevorzugt Partikel aus Strontiumbariumniobat zum Einsatz. Dieses Strontiumbariumniobat weist ein Verhältnis von Strontium zu Barium im Bereich von 2,5:7,5 (Sr0,25Ba0,75Nb2O6) bis 8,5:1,5 (Sr0,85Ba0,15Nb2O6); besonders bevorzugt im Bereich von 3:7 (Sr0,3Ba0,7Nb2O6) bis 8:2 (Sr0,8Ba0,2Nb2O6) und ganz besonders bevorzugt im Bereich von 6:4 (Sr0,6Ba0,4Nb2O6) bis 8:2 (Sr0,8Ba0,2Nb2O6) auf.As pyroelectric nanoparticles and / or microparticles, particles of strontium barium niobate are also preferably used here. This strontium barium niobate has a ratio of strontium to barium ranging from 2.5: 7.5 (Sr 0.25 Ba 0.75 Nb 2 O 6 ) to 8.5: 1.5 (Sr 0.85 Ba 0.15 Nb 2 O 6 ); more preferably in the range of 3: 7 (Sr 0.3 Ba 0.7 Nb 2 O 6 ) to 8: 2 (Sr 0.8 Ba 0.2 Nb 2 O 6 ) and most preferably in the range of 6: 4 (Sr 0.6 Ba 0.4 Nb 2 O 6 ) to 8: 2 (Sr 0.8 Ba 0.2 Nb 2 O 6 ).

Die Herstellung des bevorzugten Strontiumbariumniobats erfolgt vorzugsweise über die oben beschriebene Oxalatroute aus Ammoniumnioboxalat, Bariumacetat und Strontiumacetat.The preparation of the preferred strontium barium niobate is preferably carried out via the above-described oxalate route of ammonium niobium oxalate, barium acetate and strontium acetate.

In einer weiteren besonders bevorzugten Weiterbildung beider Ausführungsformen sind in den Beschichtungslösungen Partikel, bevorzugt Nano- oder Mikropartikel, mit piezoelektrischen Eigenschaften dispergiert. Diese piezoelektrischen Partikel werden während des Konditionierungsschrittes durch die Einwirkung des elektrischen Feldes so ausgerichtet, dass sie bei der Entstehung von Ladungen in der pyroelektrischen Oberflächenbeschichtung mit deutlichen Längenänderungen hauptsächlich senkrecht zur Oberfläche der Oberflächenbeschichtung reagieren und so das Anhaften der Eisschicht auf der Oberfläche behindern. Diese piezoelektrischen Partikel bestehen vorzugsweise aus Lithiumniobat, Lithiumtantalat, Bariumtitanat oder sonstigen verwandten Keramiken mit piezoelektrischen Eigenschaften. Die Teilchengröße der eingebetteten Partikel beträgt bevorzugt 10 nm bis 5000 nm, besonders bevorzugt 40 nm bis 3500 nm und weiterhin besonders bevorzugt 50 nm bis 500 nm. Der Anteil der Partikel beträgt bevorzugt 1 Masse-% bis 30 Masse-%. Die piezoelektrischen Nano- und/oder Mikropartikel sind so ausgerichtet, dass sie bei Ladungszufluss eine Längenänderung ausführen. In einer bevorzugten Verfahrensweise werden ein oder mehrere Konditionierungsschritte vorgenommen und nachfolgend weitere Beschichtungs- und Konditionierungsschritte ausgeführt.In a further particularly preferred development of both embodiments, particles, preferably nano- or microparticles, having piezoelectric properties are dispersed in the coating solutions. These piezoelectric particles are oriented during the conditioning step by the action of the electric field so that they react with the formation of charges in the pyroelectric surface coating with significant changes in length mainly perpendicular to the surface of the surface coating and thus hinder the adhesion of the ice layer on the surface. These piezoelectric particles are preferably made of lithium niobate, lithium tantalate, barium titanate or other related ceramics having piezoelectric properties. The particle size of the embedded particles is preferably 10 nm to 5000 nm, particularly preferably 40 nm to 3500 nm and furthermore particularly preferably 50 nm to 500 nm. The proportion of the particles is preferably 1% by mass to 30% by mass. The piezoelectric nanoparticles and / or microparticles are oriented so that they undergo a change in length when charge is introduced. In a preferred procedure, one or more conditioning steps are carried out and subsequently further coating and conditioning steps are carried out.

Die erfindungsgemäße Oberflächenbeschichtung weist mindestens eine Schicht auf. In einer bevorzugten Ausführungsform besteht die erfindungsgemäße Oberflächenbeschichtung aus drei bis sieben und besonders bevorzugt aus fünf Schichten.The surface coating according to the invention has at least one layer. In a preferred embodiment, the surface coating according to the invention consists of three to seven and particularly preferably five layers.

Ausführungsbeispiel 1Embodiment 1

Ein Glasträger (Crystec) der Abmessungen 30 × 20 mm, Dicke 0,2 mm wird in eine PVDF-Lösung getaucht. Bei der PVDF-Lösung handelt es sich um ein PVDF-Copolymerisat der Firma Solvay Solexis, mit einem Anteil von 95% Vinylidenfluorid und 5% Triflourethylen.A glass carrier (Crystec) of dimensions 30 × 20 mm, thickness 0.2 mm is immersed in a PVDF solution. The PVDF solution is a PVDF copolymer from Solvay Solexis, with a content of 95% vinylidene fluoride and 5% trifluoroethylene.

Es schließt sich eine Trocknungszeit von 20 min bei Umgebungstemperatur (20 °C) und Normaldruck ohne zusätzliche Luftbewegung an. Danach werden die Tauch- und Trocknungsvorgänge noch viermal wiederholt. Anschließend wird das beschichtete Glas in einen auf eine Temperatur von 140 °C vorgeheizten Trockenschrank gebracht und über einen Zeitraum von 60 min getempert. Die Probe wird danach dem Trockenschrank entnommen und bei Standardbedingungen abgekühlt. Die entstandene Oberflächenschicht weist eine Dicke von 80 - 120 nm auf.This is followed by a drying time of 20 minutes at ambient temperature (20 ° C.) and atmospheric pressure without additional air movement. Thereafter, the dipping and drying operations are repeated four more times. Subsequently, the coated glass is placed in a preheated to a temperature of 140 ° C drying oven and annealed for a period of 60 min. The sample is then removed from the oven and cooled at standard conditions. The resulting surface layer has a thickness of 80-120 nm.

Hier erfolgt die erste Messung der Gefriertemperatur eines aufgebrachten definierten Wasservolumens.Here, the first measurement of the freezing temperature of an applied defined volume of water takes place.

Nunmehr wird die Probe zwischen die Elektroden eines Plattenkondensators gebracht und im vorgewärmten Trockenschrank erneut auf eine Temperatur von 140 °C erhitzt. Zeitgleich wird ein elektrisches Feld von 1,55*106 V/m über den Kondensator angelegt. Die Probe wird für einen Zeitraum von 60 min auf der Temperatur von 140 °C gehalten und kühlt nach Entnahme aus dem Trockenschrank unter Standardbedingungen ab. Die Grenztemperatur von 135 °C wird dabei nach etwa 2 min unterschritten.Now, the sample is placed between the electrodes of a plate capacitor and heated again in the preheated oven to a temperature of 140 ° C. At the same time, an electric field of 1.55 * 10 6 V / m is applied across the capacitor. The sample is held at the temperature of 140 ° C for a period of 60 minutes and, upon removal from the drying cabinet, cools under standard conditions. The limit temperature of 135 ° C is undercut after about 2 minutes.

Anschließend erfolgt eine erneute Vermessung der mit dieser Beschichtung zu erzielenden Gefrierverzögerung.This is followed by a new measurement of the freeze delay to be achieved with this coating.

ErgebnisseResults

Mit einer einfachen unpolarisierten PVDF-Beschichtung wird eine Gefrierverzögerung von ca. 1 Kelvin im Vergleich mit dem Messergebnis an einem unbeschichteten Glasträger erreicht. Eine nachfolgende Polarisierung der aufgebrachten Beschichtung während der Temperung bewirkt in jedem Fall eine Steigerung der erwünschten Unterkühlung. Durch die Wahl der Polarität des elektrischen Feldes während der Wärmebehandlung wird die Vereisungstemperatur beeinflusst und schwankt um 3 - 7 Kelvin. Sie kann darüber hinaus wiederholt reversibel geschaltet werden, wobei eine negative Ausrichtung der Beschichtungsoberfläche (d. h. die zu konditionierende Beschichtungsoberfläche ist der negativen Elektrode des zugewandt) eine stärkere Unterkühlung anhaftender Flüssigkeiten bewirkt.With a simple unpolarized PVDF coating, a freezing delay of about 1 Kelvin is achieved compared to the measurement result on an uncoated glass slide. A subsequent polarization of the applied coating during annealing causes in any case an increase in the desired supercooling. By choosing the polarity of the electric field during the heat treatment, the icing temperature is affected and varies by 3 - 7 Kelvin. It may also be reversibly switched repeatedly, with negative orientation of the coating surface (i.e., the coating surface to be conditioned facing the negative electrode thereof) causing more supercooling of adherent liquids.

Ausführungsbeispiel 2Embodiment 2

Ein Aluminiumsubstrat, (Chip, Durchmesser 16 mm, Dicke 2 mm) wird mit einem Sol beschichtet. Das Sol besteht aus käuflich erwerbbaren TEOS, 0,1-molarer HCl, dem Lösungsmittel Ethanol und einem Volumenanteil nanopartikulärem LiNbO3. Die Größenfraktion der Nanopartikel liegt im Bereich von 50 nm bis 5 µm. Die beschichtete Probe wird anschließend bei 60 °C getempert. Währenddessen unterliegt sie einem elektrischen Feld in einer Kondensatoranordnung und kann bezüglich der eintretenden Polarisierung während Temperaturänderung sowohl positiv als auch negativ orientiert werden. Das elektrische Feld im Kondensator beträgt 1,55*106 V/m. Die Probe wird für einen Zeitraum von 60 min auf der Temperatur von 60 °C gehalten und kühlt nach Entnahme aus dem Trockenschrank unter Standardbedingungen ab.An aluminum substrate, (chip, diameter 16 mm, thickness 2 mm) is coated with a sol. The sol consists of commercially available TEOS, 0.1 molar HCl, the solvent ethanol and a volume fraction of nanoparticulate LiNbO 3 . The size fraction of the nanoparticles is in the range of 50 nm to 5 μm. The coated sample is then tempered at 60 ° C. Meanwhile, it undergoes an electric field in a capacitor array and can be oriented both positively and negatively with respect to the incoming polarization during temperature change. The electric field in the capacitor is 1.55 * 10 6 V / m. The sample is held at the temperature of 60 ° C for a period of 60 minutes and, after removal from the drying cabinet, cools under standard conditions.

ErgebnisseResults

Mit einem unbeschichteten Aluminiumsubstrat wird unter gegebenen Bedingungen eine Vereisungstemperatur von ca. -14 °C erreicht. De Vereisungstemperatur sinkt, wenn die Probe mit einer Sol-Gel-Beschichtung aus TEOS und darin eingebettetem LiNbO3 beschichtet wird. Wird die Probe während ihrer Gelierung unter erhöhten Temperaturen einem elektrischen Feld ausgesetzt, so ändern sich die erreichbaren Temperaturen. Mit einer entsprechenden negativen Polarisierung (die Oberfläche ist der negativen Elektrode zugewandt) der Beschichtungsoberfläche während sinkender Temperatur wird eine weitere Unterkühlung um 4-5 Kelvin erreicht. Positive Polarisierungen können die Eisbildung begünstigen.With an uncoated aluminum substrate, an icing temperature of about -14 ° C is achieved under given conditions. The icing temperature decreases when the sample is coated with a sol-gel coating of TEOS and embedded LiNbO3. If the sample is exposed to an electric field during its gelling at elevated temperatures, the achievable temperatures change. With a corresponding negative polarization (the surface faces the negative electrode) of the coating surface as the temperature decreases, a further supercooling of 4-5 Kelvin is achieved. Positive polarizations can promote ice formation.

Ausführungsbeispiel 3Embodiment 3

Ein Aluminium-Chip, Durchmesser 16 mm, Dicke 2 mm, wird mit einem Sol beschichtet. Das Sol besteht aus käuflich erwerbbaren TEOS und einem nanopartikulärem (Sr0.62Ba0,38Nb2O6) (Verhältnis Sr:Ba ist 6,2:3,8) im molaren Verhältnis von 16:1. Aufgrund der Zugabe der Nanopartikel verschiebt sich der pH-Wert während des Sol-Gel-Prozesses in den basischen Bereich. Dem wird durch gezielte Säurezugabe entgegengewirkt. Die Größenfraktion der Nanopartikel liegt im Bereich von 50 nm bis 5 µm. Die beschichtete Probe wird anschließend bei 60 °C getempert. Währenddessen unterliegt sie einem elektrischen Feld in einer Kondensatoranordnung und kann bezüglich der eintretenden Polarisierung während Temperaturänderung sowohl positiv als auch negativ orientiert werden. Das elektrische Feld im Kondensator beträgt 1,55*106 V/m. Die Probe wird für einen Zeitraum von 60 min auf der Temperatur von 60 °C gehalten und kühlt nach Entnahme aus dem Trockenschrank unter Standardbedingungen ab.An aluminum chip, diameter 16 mm, thickness 2 mm, is coated with a sol. The sol consists of commercially available TEOS and a nanoparticulate (Sr 0.62 Ba 0.38 Nb 2 O 6 ) (ratio Sr: Ba is 6.2: 3.8) in a molar ratio of 16: 1. Due to the addition of the nanoparticles, the pH shifts into the basic range during the sol-gel process. This is counteracted by targeted addition of acid. The size fraction of the nanoparticles is in the range of 50 nm to 5 μm. The coated sample is then tempered at 60 ° C. Meanwhile, it undergoes an electric field in a capacitor array and can be oriented both positively and negatively with respect to the incoming polarization during temperature change. The electric field in the capacitor is 1.55 * 10 6 V / m. The sample is held at the temperature of 60 ° C for a period of 60 minutes and, after removal from the drying cabinet, cools under standard conditions.

ErgebnisseResults

Mit einem unbeschichteten Aluminiumsubstrat wird unter gegebenen Bedingungen eine Vereisungstemperatur von ca. -14 °C erreicht. Die Vereisungstemperatur sinkt, wenn die Probe mit einer Sol-Gel-Beschichtung aus TEOS und darin eingebettetem Sr0.62Ba0.38Nb2O6 beschichtet wird. Wird die Probe während ihrer Gelierung unter erhöhten Temperaturen einem elektrischen Feld ausgesetzt, so ändern sich die erreichbaren Temperaturen. Mit einer entsprechenden negativen Polarisierung (die Oberfläche ist der negativen Elektrode zugewandt) der Beschichtungsoberfläche während sinkender Temperatur wird eine Unterkühlung um mind. 5 Kelvin erreicht. Positive Polarisierungen können die Eisbildung begünstigen.With an uncoated aluminum substrate, an icing temperature of about -14 ° C is achieved under given conditions. The icing temperature decreases when the sample is coated with a sol-gel coating of TEOS and embedded therein Sr 0.62 Ba 0.38 Nb 2 O 6 . If the sample is exposed to an electric field during its gelling at elevated temperatures, the achievable temperatures change. With a corresponding negative polarization (the surface faces the negative electrode) of the coating surface while the temperature is falling, an undercooling of at least 5 Kelvin is achieved. Positive polarizations can promote ice formation.

Figurenlistelist of figures

  • 1 zeigt, wie sich die Vereisungstemperatur aufgrund der Behandlung entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren verändert. Während die Vereisungstemperatur der unbeschichteten Glasoberfläche bei ca. -11 °C liegt, sinkt sie aufgrund der Beschichtung, ohne Konditionierung auf ca. -13 °C. Die folgenden Säulen des Diagramms zeigen, wie sich die Vereisungstemperatur aufgrund von Konditionierungsbehandlungen verändert. Insbesondere ist der Unterschied zwischen entgegengesetzten Feldausrichtungen erkennbar. Die niedrigsten Vereisungstemperaturen (ca. -18,5 °C) werden erreicht, wenn mit dem - Feld gearbeitet wird, d. h. wenn die negativ geladene Elektrode bei der Feldbehandlung zur beschichteten Oberfläche gerichtet ist. 1 shows how the icing temperature changes due to the treatment according to the method of the invention. While the icing temperature of the uncoated glass surface is about -11 ° C, it drops due to the coating, without conditioning to about -13 ° C. The following columns of the diagram show how the icing temperature changes due to conditioning treatments. In particular, the difference between opposing field orientations is recognizable. The lowest icing temperatures (approx. -18.5 ° C) are achieved when working with the - field, ie when the negatively charged electrode is facing the coated surface during field treatment.
  • 2 zeigt, wie sich die Vereisungstemperatur aufgrund einer weiteren Behandlung entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren verändert. Die Vereisungstemperatur eines unbeschichteten Aluminiumsubstrates liegt bei ca. -14 °C. Sie sinkt aufgrund der pyroelektrisch aktiven Beschichtung auf ca. -15 °C. Wird die Probe während ihrer Gelierung unter erhöhten Temperaturen einem elektrischen Feld ausgesetzt, so ändern sich die erreichbaren Temperaturen. Wird eine bei Temperaturabfall pyroelektrisch negativ polarisierende Reaktion eingestellt, wird eine Senkung der Vereisungstemperatur um bis zu 4 K erreicht (im Beispiel -18 °C). 2 shows how the icing temperature changes due to a further treatment according to the inventive method. The icing temperature of an uncoated aluminum substrate is approx. -14 ° C. It sinks to approx. -15 ° C due to the pyroelectrically active coating. If the sample is exposed to an electric field during its gelling at elevated temperatures, the achievable temperatures change. If a pyroelectrically negative polarizing reaction at temperature drop is set, a lowering of the icing temperature by up to 4 K is achieved (in the example -18 ° C).
  • 3 zeigt, wie sich die Vereisungstemperatur auf einer mit einer Polyvinylidenfluoridfolie beschichteten metallischen Unterlage nach einer Behandlung entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren der Polyvinylidenfluoridfolie senken lässt. Verglichen werden erreichbare Unterkühlungstemperaturen an getemperten und nicht weiter konditionierten Folien und an getemperten und im Kondensatorfeld konditionierten Proben. Durch Absolvieren beider technologischer Behandlungsschritte lässt sich die Vereisungstemperatur um weitere 2 Kelvin senken. 3 shows how the icing temperature can be lowered on a coated with a polyvinylidene fluoride foil metallic substrate after treatment according to the inventive method of polyvinylidene fluoride film. Achievable subcooling temperatures are compared to annealed and not further conditioned foils and to tempered and conditioned condenser samples. By completing both technological treatment steps, the icing temperature can be reduced by a further 2 Kelvin.

Claims (19)

Verfahren zur Herstellung eines eisabweisenden Überzugs aus einem pyroelektrischen Film durch die Verfahrensschritte: a) Beschichten einer Oberfläche mit einer Beschichtungsflüssigkeit, aus PVDF (Polyvinylidenfluorid) in reiner Form, als Lösung bzw. Mischung oder Dispersion, b) Trocknung der beschichteten Oberfläche c) Phasenumwandlung des PVDF mittels einer Wärmebehandlung der beschichteten Oberfläche bei Temperaturen zwischen 135 °C und 150 °C d) Einwirken eines elektrischen Feldes auf die beschichtete Oberfläche.Method for producing an ice-repellent coating from a pyroelectric film by the method steps: a) coating a surface with a coating liquid, of PVDF (polyvinylidene fluoride) in pure form, as a solution or mixture or dispersion, b) drying the coated surface c) phase transformation of the PVDF by means of a heat treatment of the coated surface at temperatures between 135 ° C and 150 ° C. d) acting on the coated surface of an electric field. Verfahren zur Herstellung eines eisabweisenden Überzugs aus einem pyroelektrischen Film durch die Verfahrensschritte: a) Beschichten einer Oberfläche mit einer Beschichtungsflüssigkeit, aus TEOS, die pyroelektrische Nano- und/oder Mikropartikel aus Strontiumbariumniobat oder LiNbO3 enthält, b) Trocknung der beschichteten Oberfläche c) Wärmebehandlung der beschichteten Oberfläche bei Temperaturen zwischen 50 °C und 100 °C d) Einwirken eines elektrischen Feldes auf die beschichtete Oberfläche.A process for producing an ice-repellent coating from a pyroelectric film by the process steps: a) coating a surface with a coating liquid, TEOS, containing pyroelectric nanoparticles and / or microparticles of strontiumbarium niobate or LiNbO 3 , b) drying the coated surface c) heat treatment the coated surface at temperatures between 50 ° C and 100 ° C d) acting on the coated surface by an electric field. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte a) und b) mehrfach abwechselnd wiederholt werden, wobei in Schritt a) dieselben oder verschiedene Beschichtungsflüssigkeiten zum Einsatz kommen.Method according to Claim 1 or 2 , characterized in that the steps a) and b) are repeated several times alternately, wherein in step a) the same or different coating liquids are used. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte c) und d) gleichzeitig ausgeführt werden.Method according to Claim 1 or 2 , characterized in that steps c) and d) are carried out simultaneously. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte a) bis d) mehrfach wiederholt werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the steps a) to d) are repeated several times. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Feld so gerichtet ist, dass sich bei Abkühlung die Oberfläche durch den pyroelektrischen Effekt negativ auflädt.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the electric field is directed so that upon cooling the surface is negatively charged by the pyroelectric effect. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Feld so gerichtet ist, dass sich bei Abkühlung die Oberfläche durch den pyroelektrischen Effekt positiv auflädt.Method according to one of Claims 1 to 5 , characterized in that the electric field is directed so that upon cooling the surface positively charged by the pyroelectric effect. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung mittels des Sol/Gel-Verfahrens erfolgt. Method according to Claim 2 , characterized in that the coating takes place by means of the sol / gel process. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trocknung der Beschichtung durch Bestrahlung mit elektromagnetischer Strahlung oder durch eine Heißluftdusche unterstützt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the drying of the coating is supported by irradiation with electromagnetic radiation or by a hot air shower. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in einem oder mehreren Beschichtungsschritten der Beschichtungsflüssigkeit piezoelektrische Nano- oder Mikropartikel zugesetzt sind.Method according to Claim 1 or 2 , characterized in that piezoelectric nanoparticles or microparticles are added in one or more coating steps of the coating liquid. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die piezoelektrischen Nano- oder Mikropartikel aus Lithiumniobat, Lithiumtantalat, Bariumtitanat oder sonstigen perowskitverwandten Keramiken mit piezoelektrischen Eigenschaften bestehen.Method according to Claim 10 , characterized in that the piezoelectric nano- or microparticles of lithium niobate, lithium tantalate, barium titanate or other perowskitverwandten ceramics are made with piezoelectric properties. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der eisabweisende Überzug frühestens nach einmaliger Durchführung der Schritte a) und b) nach Anspruch 1 oder 2 als Film von der Oberfläche abgezogen wird und weiter bearbeitet wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the ice-repellent coating at the earliest after a single execution of steps a) and b) after Claim 1 or 2 as a film is subtracted from the surface and further processed. Verwendung einer Oberflächenbeschichtung, hergestellt nach einem Verfahren der Ansprüche 1 bis 12, aus mindestens einer Schicht eines pyroelektrischen Films, dessen Oberfläche sich bei Temperaturabnahme bevorzugt negativ auflädt als eisabweisende Oberflächenbeschichtung.Use of a surface coating produced by a method of Claims 1 to 12 , of at least one layer of a pyroelectric film, the surface of which preferably negatively charges on temperature decrease as an ice-repellent surface coating. Verwendung einer Oberflächenbeschichtung, hergestellt nach einem Verfahren der Ansprüche 1 bis 12, aus mindestens einer Schicht eines pyroelektrischen Films, dessen Oberfläche sich bei Temperaturabnahme bevorzugt positiv auflädt als eisabweisende Oberflächenbeschichtung.Use of a surface coating produced by a method of Claims 1 to 12 , from at least one layer of a pyroelectric film, the surface of which preferably positively charges when the temperature decreases as an ice-repellent surface coating. Eisabweisende Oberflächenbeschichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenbeschichtung PVDF enthält.Ice-repellent surface coating after Claim 13 or 14 , characterized in that the surface coating contains PVDF. Eisabweisende Oberflächenbeschichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenbeschichtung pyroelektrische Nano- und/oder Mikropartikel enthält.Ice-repellent surface coating after Claim 15 , characterized in that the surface coating contains pyroelectric nanoparticles and / or microparticles. Eisabweisende Oberflächenbeschichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die pyroelektrischen Nano- und/oder Mikropartikel aus Strontiumbariumniobat oder LiNbO3 bestehen.Ice-repellent surface coating after Claim 16 , characterized in that the pyroelectric nanoparticles and / or microparticles consist of strontium barium niobate or LiNbO 3 . Eisabweisende Oberflächenbeschichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenbeschichtung dispergierte pyroelektrische Nano- und/oder Mikropartikel aus Strontiumbariumniobat oder LiNbO3 enthält.Ice-repellent surface coating after Claim 13 or 14 , characterized in that the surface coating contains dispersed pyroelectric nanoparticles and / or microparticles of strontium barium niobate or LiNbO 3 . Eisabweisende Oberflächenbeschichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens eine Schicht piezoelektrische Nano- oder Mikropartikel eingebettet sind.Ice-repellent surface coating according to one of Claims 13 to 18 , characterized in that in at least one layer piezoelectric nanoparticles or microparticles are embedded.
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