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Die
Erfindung bezieht sich auf eine transparente, nicht eingefärbte, Glaskeramikplatte,
die betrieblich hohen thermischen Belastungen ausgesetzt ist und
die ganzflächig
oder partiell eine blickdichte farbige, hochtemperaturstabile Beschichtung
in Form einer mit farbgebenden Pigmenten versehenen organischen/anorganischen
Netzwerkstruktur aufweist.
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Die
Erfindung bezieht sich ferner auf ein Verfahren zur Herstellung
einer solchen beschichteten Glaskeramikplatte.
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Die
Erfindung bezieht sich schließlich
auf ein Kochfeld mit einer derartigen beschichteten Glaskeramikplatte
als Kochfläche.
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Unter
einer Glaskeramikplatte im Sinne der Erfindung sollen nicht nur
flache, ebene Platten, sondern auch abgekantete und abgewinkelte
Platten sowie gewölbte
Platten verstanden werden, wobei die Platten rechtwinklig oder rund
ausgebildet sein können
bzw. auch eine andere Kontur haben können.
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Die
durch die Erfindung zu lösende
technische Problemstellung soll im folgenden anhand einer typischen
Anwendung einer flachen, ebenen Glaskeramikplatte als Kochfläche eines
modernen Kochfeldes erläutert
werden, ohne dass die Erfindung darauf beschränkt wäre. Die technische Problemstellung
ist bei anderen Anwendungen, z. B. bei Glaskeramik-Kaminscheiben, Glaskeramik-Innenscheiben von
Backofentüren
oder bei Glaskeramik-Lampenabdeckungen, „mutatis
mutandis" in entsprechender Weise
gegeben.
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Kochfelder
mit einer Glaskeramikplatte als Kochfläche sind gängiger Stand der Technik. Das Glaskeramikmaterial
ist im optischen Bereich transparent und daher wäre eine entsprechende Glaskeramik-Kochfläche bei
Bestrahlung von oben, z. B. durch die Küchenbeleuchtung oder von unten,
z.B. durch die Heizstrahler bei strahlungsbeheizten Kochzonen, durchscheinend,
so dass Heizelemente, Kabel und andere Bauelemente, die unter der
Glaskeramik-Kochfläche
verborgen sind, erkannt werden könnten.
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Der
Anblick dieser Bauelemente wird jedoch von den Benutzern als störend empfunden.
Daher sind die Glaskeramikplatten für Kochflächen typischerweise, wie auch
aus der
EP 0 220 333
A1 hervorgeht, mit farbgebenden Ionen zur Verringerung der
Transmission eingefärbt,
damit die unterhalb der Glaskeramikplatte untergebrachten Funktions-Komponenten des Kochfeldes
praktisch von oben nicht einsehbar sind. Diese Kochflächen sind
daher praktisch für
Strahlung im sichtbaren Bereich nicht transparent, d. h. opak, und
erscheinen in Aufsicht schwarz bzw. je nach verwendeten farbgebenden
Ionen in Durchsicht, z.B. dunkel rötlich-violett oder orange/braun.
Ein grundsätzlicher
Nachteil einer opaken Glaskeramik besteht insbesondere darin, dass
man nur in eingeschränkter
Form Displays, z. B. zum Anzeigen von Restwärme, integrieren kann.
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Es
ist auch bekannt, dieses Problem der optischen Nichttransparenz
durch eine Farbgebung, einschließlich des Einbringens von Displays,
durch eine blickdichte, im Display-Feld unterbrochene Beschichtung
der Unterseite der transluzenten Glaskeramik-Kochfläche zu lösen. So
zeigen die
JP H 7-17409 B (1995)
und
JP 51-89517 A als
Kochflächen
dienende Glaskeramikplatten aus einer transparenten, nicht eingefärbten Glaskeramik,
deren Unterseite mit einer temperaturbeständigen Farbe bedruckt ist.
Diese Farbschicht ist so ausgebildet, dass sie eine Nichttransparenz
herstellt, d. h. sie ersetzt die sonst übliche Einfärbung, damit die Kochfläche in Aufsicht
ebenfalls schwarz erscheint.
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Um
die notwendige Blickdichtheit zu erreichen, muss die verwendete
Farbe relativ dick aufgetragen werden. Dabei kommt es jedoch aufgrund
der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von der
Glaskeramikplatte und der Farbschicht zu Problemen, die zu Rissen
in der Farbschicht oder auch in der beschichteten Glaskeramikoberfläche und
sogar zum partiellen Abplatzen der Farbschicht führen können.
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Transparente
Glaskeramik-Kochflächen
mit einer blickdichten Unterseitenbeschichtung sind auch durch die
DE 100 14 373 A1 (=
WO 01/72087 A1 )
und die
DE 200 19
210 U1 bekannt geworden. Im Fall der erstgenannten
DE 100 14 373 A1 dient
die Unterseitenbeschichtung zugleich der Dekorierung, wogegen im
Fall der zweitgenannten
DE
200 19 210 U1 die unterseitige Schicht unifarben ausgebildet
ist und die Kochflächen-Oberseite
mit einer Vollflächendekorschicht
versehen ist.
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Als
Farben für
diese Unterseitenbeschichtung werden insbesondere Lästerfarben,
Farben auf organischer Basis, Farben auf Glasflussbasis, insbesondere
mit Borosilikat als Glasfluss und Titan- oder Ceroxid als Pigment
und gefärbte
oder pigmentierte Sol-Gel-Schichten, die konventionelle anorganische Pigmente,
Lüster-,
Metalleffekt-, Perlglanz- oder Interferenz-Pigmente oder verschiedene
Mischungen dieser Pigmente enthalten, genannt.
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Der
Auftrag der Unterseitenschicht erfolgt hierbei durch Drucken. Als
verwendete Glaskeramikplatten kommen sowohl genoppte als auch beidseitig glatte
Platten in Frage, wobei die genoppten Platten im allgemeinen zwar
eine deutlich geringere mechanische Empfindlichkeit gegenüber beidseitig
glatten Platten aufweisen, allerdings das Bedrucken der genoppten
Platten mehr Probleme bereitet.
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Die
in vorgenannten Schriften beschriebenen Farbunterseitenbeschichtungen
sind im Einfachdruck nicht blickdicht; zur Erhöhung der Blickdichte ist daher
ein mehrfacher Schichtauftrag, d. h. eine entsprechend relativ dicke
Unterseitenschicht, notwendig.
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Dies
gilt zwar nicht für
Farben auf organischer Basis, weil diese Farben die Festigkeit der Glaskeramik-Kochfläche nicht
oder nur geringfügig erniedrigen.
Der Nachteil dieser organischen Farben besteht jedoch darin, dass
sie aufgrund ihrer organischen Basis nur begrenzt temperaturbeständig sind und
sich irreversibel verfärben
können.
Typische Bestandteile wie Silicone, Polyester oder Harze zersetzen
sich oberhalb 400° C.
Im Dauerbetrieb erreicht die Kochzonen-Unterseite jedoch bis zu 600° C. Kurzzeitig
können
die Temperaturen auch 800° C
erreichen. Die o. g. organischen Farben zersetzen sich daher bei
thermischer Belastung allmählich,
wodurch Zersetzungsprodukte freigesetzt werden und die Haftung der
Beschichtung mit der Zeit nachlässt.
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Neben
dem Bedrucken der Glaskeramikplatte mit der Unterseitenschicht ist
es durch die
DE 101 22
718 A1 auch bekannt, auf die Unterseite der Glaskeramikplatte
plasmagespritzte Schichten aufzutragen, die die Opazität einer
Glaskeramikplatte (auch einer volumengefärbten) für sichtbares Licht weiter erhöhen bzw.
einen Schutz gegen den Austritt von Streulicht bei halogenbeheizten
Kochsystemen bieten sollen. Allerdings werden in dieser Schrift keinerlei
Angaben über
die Festigkeit der so beschichteten Kochfläche gemacht. Es handelt sich
dabei allerdings gerade bei diesem Verfahren um eine besonders kritische
Größe, da durch
den Aufprall heißer Partikel
auf der Oberfläche
der Glaskeramik die Festigkeit sehr stark reduziert werden kann.
Zusätzlich ist
mit diesem Verfahren nur eine eingeschränkte Farbwahl möglich, da
zwar Farbpigmente der eigentlichen Beschichtungsmatrix beigemischt
werden können,
das alleinige Spritzen von Pigmenten aber aufgrund der hohen Schmelzpunkte
dieser Stoffe nicht möglich
ist. Mit diesem Verfahren ist also lediglich eine gewisse Schattierung,
ein gewisses Abtönen der
Schichten erzielbar.
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Nach
dem Stand der Technik sind also bei der Beschichtung einer Glaskeramikplatte
verschiedene Beschichtungsansätze
für die
Erzielung verschiedener optischer Eindrücke wie farbig, mischfarbig,
metallfarbig, schwarz erforderlich. Insbesondere für den metallischen
Eindruck einer Unterseitenbeschichtung ist oft die Kombination verschiedener
Beschichtungsmethoden (Siebdruck, Vakuumbeschichtungsmethoden) notwendig.
Stellenweise kann der gewünschte
Eindruck nur durch ein genaues Abstimmen von vollflächiger Oberseiten-
und Unterseitenbeschichtung erfolgen. Ebenso ist die Erzeugung der gewünschten
Blickdichte in einem einzigen Beschichtungsschritt nicht möglich und
oft auch nur durch die Kombination von Oberseiten- und Unterseitenbeschichtung
einstellbar.
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Dies
gilt auch für
die eingangs beschriebenen Sol-Gel-Schichten, die mit unterschiedlichsten Pigmenten
bzw. Mischungen davon eingefärbt
sind. Ohne besondere Maßnahmen
hinsichtlich der Zusammensetzung der Sol-Gel-Lösung und der Darstellung der
Farbe durch die Pigmente sowie der Aufbringung der Farb-Sol-Gel-Schicht
auf die Oberfläche
der Glaskeramikplatte, lassen sich die vorbeschriebenen Nachteile
nicht vermeiden.
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Der
Stand der Technik auf dem Feld der Sol-Gel-Schichten gibt dazu ebenfalls
keine Hinweise, die zur Lösung
der Probleme geeignet wären.
Die
WO 96/29447 A1 beschreibt
pigmentierte Sol-Gel-Schichten für
die Anwendung bei hohen Temperaturen auf Glas, Keramik oder Metall.
Hier werden verschiedene Sole mit verschiedenen Farbpigmenten kombiniert,
um Funktionsschichten z. B. gegen Abrasion von Werkzeugen zu erhalten.
Dabei gibt es allerdings kein Sol, das mit allen verwendeten Partikeln
kompatibel wäre,
auch ist keine Mischung der verwendeten Partikel beschrieben. Zusätzlich wird
nicht die Beschichtung von Glaskeramik beschrieben. Als größte Schichtdicke
bei einmaligem Schichtauftrag werden 6 μm angegeben; um höhere Schichtdicken
von z. B. 10 μm
Dicke zu erzielen, muss der Schichtauftrag mehrfach wiederholt werden.
Die Sol-Gel-Schicht
wird dabei bei Temperaturen bis zu 1000° C ausgebrannt und dadurch an
die Substratoberfläche
angeschmolzen, was bei Glaskeramikplatten zu einer Reduzierung ihrer
Festigkeit führen
würde.
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Es
besteht daher für
die Beschichtung von thermisch stark belasteten Glaskeramikplatten
Bedarf an einem Beschichtungsansatz, der verschiedene Farbeindrücke in einem
wirtschaftlichen Verfahren und möglichst
nur einem Beschichtungsschritt in einer blickdichten Qualität auf Glaskeramikplatten
liefert und dabei eine hohe Flexibilität in Farbgebung und Design
bietet, die Festigkeit der Glaskeramikplatte auch nach der Beschichtung
gewährleistet
und sich für
den Auftrag sowohl auf genoppte als auch beidseitig glatte Glaskeramikplatten
eignet.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die eingangs bezeichnete beschichtete
Glaskeramikplatte sowie das zugehörige Herstellverfahren hinsichtlich
der Beschichtung so auszubilden, dass sie den vorgenannten Bedingung
gerecht wird.
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Die
Lösung
dieser Aufgabe gelingt bei einer transparenten, nicht eingefärbten, Glaskeramikplatte,
die betrieblich hohen thermischen Belastungen ausgesetzt ist und
die ganzflächig
oder partiell eine blickdichte farbige, hochtemperaturstabile Beschichtung
in Form einer mit farbgebenden reaktiv eingebetteten Pigmenten versehenen,
Poren aufweisenden organischen/anorganischen Netzwerkstruktur aufweist,
gemäß der Erfindung
dadurch, dass in der Netzwerkstruktur zusätzlich volumenausgleichende Füllstoffpartikel
reaktiv eingebettet sind und die Beschichtung ohne Anschmelz-Reaktionszone
zur beschichteten Oberfläche
der Glaskeramikplatte chemisch-reaktiv mit der Plattenoberfläche verbunden ist.
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Verfahrensmäßig gelingt
die Lösung
der Aufgabe durch ein Verfahren zum Beschichten einer transparenten,
nicht eingefärbten
Glaskeramikplatte, die betrieblich hohen thermischen Belastungen
ausgesetzt ist, mit einer blickdichten farbigen, hochtemperaturstabilen
Beschichtung, mit den Schritten
- – Herstellen
einer reaktiven organischen/anorganischen Netzwerkstruktur aus vorgegebenen Komponenten,
- – Einbringen
von Farbpigmenten und volumenausgleichenden Füllstoffpartikeln in einem vorgegebenen
Mengenverhältnis
in die organische/anorganische Netzwerkstruktur und/oder in deren Komponenten
- – Auftragen
der mit den Farbpigmenten und Füllstoffpartikeln
versehenen organischen/anorganischen Netzwerkstruktur als farbige
Beschichtung auf die Glaskeramikplatte und
- – Einbrennen
der aufgebrachten farbigen Schicht ohne Erzeugung einer Anschmelz-Reaktionszone zwischen
der farbigen Schicht und der beschichteten Oberfläche der
Glaskeramikplatte bei thermischen Bedingungen bis ca. 200 °C.
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Grundlage
der erfindungsgemäßen Farbschicht
ist somit ein Beschichtungsansatz, der nach dem Auftragen auf die
Glaskeramikplatte eine reaktive organische/anorganische Netzwerk-Struktur
mit Poren, eine sogenannte Beschichtungsmatrix bildet, in welche
die Farbpigmente einerseits und die Füllstoffe andererseits reaktiv
eingebettet sind und die reaktiv an der Plattenoberfläche haftet.
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Neben
anderen Möglichkeiten
zur Ausbildung einer solchen Netzwerkstuktur bietet insbesondere
ein typischer Beschichtungsansatz mit einer Sol-Gel-Lösung die
Basis für
die erfindungsgemäße Farbbeschichtung.
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Die
Beschichtung einer Glasplatte mittels einer Sol-Gel-basierten Lösung ist
im Prinzip bekannt. So wird in der nachveröffentlichten
DE 103 13 630 A1 eine emailfreie
Paste zum Bedrucken von Glaskörpern,
insbesondere Glasscheiben aus vorgespanntem Borosilikatglas für Backofentüren beschrieben. Das
Bedrucken von Glaskeramikplatten im Hinblick auf die Festigkeitsprobleme,
welche durch die extrem niedrige Wärmeausdehnung der Glaskeramik
gegenüber
der Farbschicht entstehen, wird nicht offenbart. In
DE 44 17 405 A1 wird ein
Verfahren zur Herstellung von strukturierten Sol-Gel-basierten anorganischen
Schichten beschrieben, bei dem ein Organosilan, z.B. Trimethylsilanol,
enthaltendes SiO
2-Sol auf eine Unterlage,
z.B. Trimethysilanol, enthaltendes SiO
2-Sol
auf eine Unterlage, z.B. Metall, glas oder Keramik, aufgetragen
wird, danach im noch plastischen Zustand mit einem Prägewerkzeug
geprägt und
schließlich
bei hohen Temperaturen zu einer glasartigen Beschichtung verdichtet,
d.h. mineralisiert und eingebrannt wird. Die Beschichtung von Glaskeramikplatten,
die betrieblich hohen thermischen Belastungen ausgesetzt sind, wird
in dieser Schrift nicht angesprochen.
DE 38 41 255 C2 beschreibt ein Verfahren
zur Herstellung von Mustern aus Metalloxiden auf Glasplatten, bei
dem zunächst auf
das Glas ein Gelfilm aufgebracht wird und dieser an den Stellen,
die später
metalloxidfrei sein sollen, mit einer viskosen Zersetzungsflüssigkeit
bedeckt wird. Anschließend
wird das Glas erwärmt,
wobei jedoch nur der nicht bedeckte Gelfilm soweit verfestigt wird,
dass er in einem nachfolgenden Waschgang nicht aufgelöst wird,
während
die mit der Zersetzungsflüssigkeit
bedeckte Gelschicht einschließlich der
Zersetzungsflüssigkeit
abgewaschen wird. Das zurückgebliebene
Muster des verfestigten Gelfilms wird anschließend bei hoher Temperatur eingebrannt.
Hinweise auf eine Beschichtung von Glaskeramikplatten im Sinne der
Erfindung finden sich in dieser Schrift nicht.
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Weiterhin
ist aus
DE 42 17 432
A1 ein Verfahren zur Herstellung von Glas mit verbesserter Langzeitstabilität bekannt,
bei dem man billige Grundgläser,
z.B. Fensterglas, mit einem Sol-gel-Überzug versieht, der im Gegensatz
zum Stand der Technik nicht vollständig verdichtet wird. Dadurch
entsteht eine mikroporöse
Schicht, die bei Erwärmung
des Glases dieses unter Zugspannung setzt, während bei vollständiger Verdichtung
der Schicht das Glas unter Druckspannung steht. Die bekannte Druckspannung
verbessert die Thermoschockbeständigkeit,
weshalb sich solche Gläser z.B.
als Brandschutzglas eignen; durch die Zugspannung soll die Langzeitstandfähigkeit
des Glases erhöht
werden.
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Hinweise
auf das Bedrucken von Glaskeramikplatten sind dieser Schrift nicht
zu entnehmen, zumal bekannt ist, dass Glaskeramik an sich extrem wärmestabiles
Material ist, das gerade wegen dieser Eigenschaften als Material
für Kochflächen eingesetzt
wird.
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Die
Sol-Gel-Methode ist bekanntlich eine Methode, mit der mechanisch
beständige
Metalloxid-Schichten hergestellt werden können. Dabei wird eine Reaktion
von metall-organischen Ausgangsmaterialien im gelösten Zustand
für die
Ausbildung der Schichten ausgenutzt. Durch eine gesteuerte Hydrolyse
und Kondensationsreaktion der metall-organischen Ausgangsmaterialien
baut sich eine typische Metalloxid-Netzwerkstruktur, d.h. eine Struktur,
in der die Metallatome durch Sauerstoffatome miteinander verbunden
sind, auf, einhergehend mit der Abspaltung von Reaktionsprodukten
wie Alkohol und Wasser. Es folgt ein sorgfältiges Trocknen und typischerweise
ein Ausbrennen der auf das Substrat aufgebrachten Sol-Gel-Lösung, um
unerwünschte
Reaktionsprodukte und/oder verbliebene organische Komponenten aus der
gewünschten
festen Schicht zu entfernen. Bei diesem Entfernen der Reaktionsprodukte
und der organischen Komponenten entstehen Blasen, die zu Hohlräumen, d.h.
Poren in der Sol-Gel-Schicht führen,
die dieser eine gewisse Porosität
verleihen.
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Während der
Hydrolyse, Kondensation und Trockenphase geht dabei die Sol-Gel-Lösung aus der
flüssigen
Phase in eine gel-förmige
Phase und schließlich
unter Bildung der gewünschten
festen Schicht in eine feste Phase über.
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Wird
mit dem Sol-Gel-Ansatz unter alleiniger Verwendung von Farbpigmenten
in einem einzigen Auftrag, was herstellungsmäßig anzustreben ist, eine dicke
Schicht von beispielsweise 30 μm,
die notwendig ist, um die geforderte Blickdichtheit zu gewährleisten,
auf die Glas/Glaskeramikplatte aufgebracht, so entstehen beim Austreiben
der Reaktionsprodukte und der organischen Komponenten, insbesondere der
Alkohole aus dem unteren Schichtteil in den darüberliegenden Schichtteilen
relativ großvolumige Hohlräume (Poren),
die auch zu Verwerfungen der Pigmentstrukturen in der Schicht im
Sinne von Aufwölbungen
führen,
insbesondere wenn es sich um blättrige,
langgestreckte Pigmente, wie Glitzerpigmente, speziell Glimmerpigmente,
z.B. Iriodin®,
handelt. Diese Effekte beeinträchtigen
massiv die mechanische Beständigkeit
der aufgebrachten Farbschicht, d.h. ihre Abriebfestigkeit sowie
ihre Beständigkeit
gegen thermomechanische Belastungen (Schwingungen).
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Ferner
entwickeln dicke Farbschichten stärkere mechanische Kräfte bei
thermischen Wechselbelastungen, die aufgrund des größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten
zu dem Glas- bzw. Glaskeramikmaterial zu mechanischen Spannungen
in der beschichteten Platte führen
und deren mechanische Festigkeit negativ beeinträchtigen, insbesondere auch
deshalb, weil typischerweise nach dem Stand der Technik die Sol-Gel-Farbschichten
bei relativ hohen Temperaturen ausgebrannt werden, was zu einem
Anschmelzen der Farbschicht an die beschichtete Plattenoberfläche, d.h.
zu einem starren Stoffschluß führt.
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Deshalb
lehrt der einschlägige
Stand der Technik (
JP
2003-168548 A ), bei Glaskeramikplatten für Kochflächen zur
Erzielung der notwendigen Blickdichtheit zwei Schichten aufzutragen,
mit einer dünneren
Schicht im heißen
Kochzonenbereich.
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Um
in einem einzigen Auftrag eine dicke Farbschicht ohne die vorgenannten
nachteiligen Konsequenzen auftragen zu können, werden erfindungsgemäß Füllstoffpartikel
in die Beschichtungsmatrix, vorzugsweise in die Sol-Gel-Netzwerkstuktur, eingebaut,
die typischerweise kleiner als die Farbpigmente sind. Diese Füllstoffpartikel
füllen
quasi die Hohlräume
zwischen den Farbpigmenten aus. Die Kontur der Füllstoffpartikel ist vorzugsweise
kugelig wie bei pyrolytisch abgeschiedenem SiO2,
damit der „Befüllungsgrad" möglichst
hoch ist. Sie können
auch eine andere Struktur haben jedoch möglichst keine Blättchenstruktur.
Die eingebrachten Füllstoffpartikel ermöglichen
es daher, weniger Sol-Gel-Masse pro Volumen in die Farbschicht einzubringen,
was eine geringere Ausgasung bedingt, wodurch die erfindungsgemäße Schicht
feinporiger ist. Die Füllstoffpartikel
richten die Farbpigmente sozusagen aus, die im übrigen durch die geringe Ausgasung
praktisch nicht aufgewölbt
werden.
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Wie
Elektronenmikroskop-Aufnahmen zeigen, sind Farbpigmente und Füllstoffpartikel
regelmäßig in der
Sol-Gel-Netzwerkstruktur eingebunden, d.h. die Sol-Gel-Struktur
umgibt sowohl die Füllstoffpartikel
als auch die Farbpigmente, und ist aufgrund der ursprünglichen
Reaktivität
des Sol-Gels mit diesen reaktiv verbunden. Die erfindungsgemäß hergestellte
Farbschicht ist daher auch in großer Schichtstärke, außerordentlich
mechanisch beständig,
so daß sie
auch die Funktion einer Schutzschicht gegen mechanisches Verkratzen
dienen kann.
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Der
erfindungsgemäße Beschichtungsansatz
ermöglicht
es daher, bei einer einzigen Beschichtungsmatrix unterschiedliche
Farbpigmente, d.h. Mischfarben in großer Variationsbreite, aufgrund der
ausgleichenden Füllstoffpartikel
einzusetzen.
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Da
die erfindungsgemäße Farbschicht
nicht starr an die Plattenoberfläche
angeschmolzen ist, sondern allein chemisch-reaktiv mit ihr verbunden
ist, was eine ausreichend sichere Haftung gewährleistet, beeinträchtigt auch
eine ganzflächig
aufgebrachte dicke Farbschicht praktisch insoweit nicht die Festigkeit
der Glaskeramikplatte, weil insbesondere auch die Unterschiede im
thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen Schicht und Platte
durch die hohe Feinporosität
der Farbschicht aufgefangen werden können. Die erfindungsgemäße Schicht
ist daher abrieb- und haftfest sowie hochtemperaturstabil, und es kommt
selbst bei einer vollflächigen
Unterseitenbeschichtung nicht zu einer Festigkeitsreduktion der
beschichteten Platte, auch nicht bei einer in einem einzigen Auftrag
aufgebrachten dicken Schicht von ca. 30 μm.
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Im
folgenden wird die Beschichtung einer Glaskeramikplatte mit einer
Sol-Gel-Farbschicht als Beschichtungsmatrix beschrieben, was zwar
eine sehr vorteilhafte Ausführungsform
darstellt, die Erfindung dennoch nicht darauf beschränken soll,
da auch andere organische/anorganische Netzwerk-Strukturen denkbar
sind.
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Im
ersten Schritt erfolgt das Herstellen einer Sol-Gel-Lösung. Für die Herstellung
einer Sol-Gel-Beschichtungsmatrix eignen sich prinzipiell alle bekannten
Sole, wie TiO2- oder ZrO2 basierte Systeme.
Besonders bevorzugt wird mit SiO2-basierten
Solen gearbeitet. Die Zusammensetzung des Sols entspricht dabei
der eines Standard-Sols, wie es auch für die Herstellung dünner, optischer
Schichten mit der Sol-Gel-Technik verwendet wird. Als Si-Precursor
wird dabei vorzugsweise Tetraethylortho-Silikat (TEOS) oder Derivate davon benutzt,
als weitere Precursoren werden Wasser, HCl und verschiedene organische
Lösungsmittel
wie Propanol verwendet. Die genaue Zusammenstzung des Sols kann
dabei in weiten Grenzen variiert werden. Generell eignen sich als
Si-Precursoren Silane oder Siloxane.
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In
das so hergestellte Sol werden Pigmente, d.h. Farbkörper in
bestimmten Mengen zugegeben. Die genaue Menge variiert dabei je
nach dem verwendeten Farbkörper.
Außerdem
werden Füllstoffpartikel
in bestimmten Mengen zugegeben, abhängig von der Menge der Farbpigmente.
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Die
Farbkörper
und/oder die Füllstoffpartikel können auch
mindestens einem der Precursoren beigemischt werden.
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Die
so entstandene Farbe wird auf die Glaskeramikplatte aufgetragen.
Dafür können verschiedene
Methoden zum Einsatz kommen. Die Farbe kann gepinselt, getaucht
oder gesprüht
werden, wobei sich für
viele Anwendungen das Sprühen
als Beschichtungsmethode empfiehlt. Ein sehr einfaches Aufbringen
der Farbschicht, auch beispielsweise in Form eines Rasters, kann
durch Siebdruck erfolgen. Anschließend an den Auftrag erfolgt
das Trocknen der Farbe. Dies kann an Raumluft mit einer Dauer von
etwa einer halben Stunde, aber auch bei erhöhter Temperatur (z.B. 50° C) in nur
wenigen Minuten erfolgen. Der anschließend erfolgende Einbrand kann
bei verschiedenen Temperaturen erfolgen. Besonders bevorzugt ist
eine Temperung bei 180° C
für 20
min; allerdings sind auch kürzere
Temperungen ohne Einbußen
der Schichtperformance möglich.
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Da
an der Unterseite von Kochflächen Feuchtigkeit
entsteht, könnte
diese in die poröse Farbschicht
eindringen und Farbverfälschungen
hervorrufen. Daher wird vorzugsweise auf die Oberfläche der
Farbschicht noch eine fett- und wasserundurchlässige, äußere Siegelschicht aufgetragen.
Die Siegelschicht kann transparent oder eingefärbt sein (von schwarz bis weiß), und
ganzflächig oder
nur partiell in kritischen Zonen aufgebracht sein.
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Die
erfindungsgemäßen Maßnahmen
bewirken daher zusammengefasst eine Reihe von Vorteilen:
Ganzflächige Schicht
auf Glaskeramik ohne kritische Reduktion der Festigkeit auch bei
hohen Temperaturen: Durch die hohe Feinporosität der Farbschicht können Unterschiede
im Ausdehnungskoeffizienten zwischen Schicht und Platte abgepuffert
werden, so dass das Auftreten von thermischen Spannungen verhindert
bzw. minimiert werden kann. Die nach dem oben beschriebenen Verfahren
hergestellten Schichten können
somit ganzflächig
auf eine Glaskeramikplatte, auch als Unterseitenbeschichtung, aufgebracht
werden. Auch bei Temperaturen, die bei Dauerbetrieb einer Kochfläche auftreten
(z.B. 700° C für 10 h)
ist noch eine ausreichende Haftfestigkeit der Schicht auf dem Substrat
gegeben.
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Blickdichte
Schichten: Während
bei glasflussbasierten Schichten in der Regel ein Kompromiss zwischen
Schichtdicke (= Blickdichte der Schicht) und Reduktion der Festigkeit
durch die Schicht eingegangen werden muss, kann bei den erfindungsgemäß hergestellten
Schichten eine vollständig
blickdichte Schicht hergestellt werden, ohne dass es zu einer kritischen
Reduktion der Festigkeit kommt. Bei besonders gut eingestellten
Systemen kann keinerlei Reduktion der Festigkeit gegenüber den
unbeschichteten Platten festgestellt werden, selbst nicht nach massiver
Temperaturbeaufschlagung der beschichteten Platten.
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Baukastensatz
für viele
verschiedene Farben: Das oben beschriebene Verfahren zur Herstellung
von Sol-Gel-basierten partikelgefüllten Schichten ist im Prinzip
bekannt. Dabei wird allerdings beschrieben, dass nicht alle Sole
mit allen Füllstoffen oder
Partikeln in geeigneter Weise kompatibel sind und deswegen eine
solche Beschichtung nicht hergestellt werden kann. Es sind nach
dem Stand der Technik also verschiedene Sole für verschiedene Füllstoffe
nötig.
Mit dem erfindungsgemäßen Prinzip ist
es möglich,
viele verschiedene Farben basierend auf nur einem einzigen Sol herzustellen,
indem in geeigneter Weise Farbkörper
und Füllstoffpartikel
gemischt und in das Sol gegeben werden.
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Niedrigere
Einbrandtemperaturen: Bei den glasflussbasieren Schichten, die bislang
für eine
dekorative Beschichtung auf Glaskeramik eingesetzt werden, sind
hohe Einbrandtemperaturen nötig. Auch
bekannte Sol-Gel-Farbschichten werden bei hohen Temperaturen eingebrannt.
Im Gegensatz dazu ist bei den erfindungsgemäßen Schichten nach einer kurzen
Trocknung bei leicht erhöhten
Temperaturen und einem Einbrand bei ca. 200° C nach wenigen Minuten bereits
eine haftende, grifffeste Schicht entstanden, die alle weiteren
Belastungen und alle Anforderungen an z.B. eine Unterseitenbeschichtung für eine Kochfläche ebenso
besteht wie höher
eingebrannte Schichten, d. h. auch genügend abriebfest ist.
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Einfaches
Auftragsverfahren: Der Auftrag der Schichten erfolgt vorzugsweise
durch Sprühen und
eignet sich somit gleichermaßen
für glatte
als auch für
genoppte Oberflächen.
Das Einstellen der Schichtdicke erfolgt dabei einfach durch die
Regelung der Substratbewegung beim Sprühen, so dass der Auftrag in
blickdichter Qualität
zweckmäßigerweise
bereits durch einmaligen Auftrag erfolgen kann. Mehrfachbeschichtungen
sind nicht notwendig, allerdings möglich, wenn dies z. B. für eine Unterseiten-Kochzonenmarkierung
notwendig ist.
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Fehlen
einer Reaktionszone: Durch die sehr niedrige Einbrandtemperatur
wird die Glaskeramik nicht angegriffen, was sich insbesondere durch
das Fehlen einer Reaktionszone (teilweises Anschmelzen der Oberfläche der
Glaskeramik) zeigt. So kommt es zu keiner kritischen Festigkeitsreduktion der
Glaskeramik. Die spezielle Zusammensetzung des Sols, bewirkt aber
auch bei diesen geringen Einbrandtemperaturen eine ausreichende
Haftfestigkeit.
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Ausführungsbeispiele
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Zunächst wurde
ein Sol der folgenden Zusammensetzung angerührt:
- – 40–60 g TEOS
Tetra-Ethyl-Ortho-Silikat
- – 20–50 g n-Propanol
- – 18–26 g Wasser
- – 2–6 g konzentrierte
HCl
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Zusätzlich wird
Ethylenglykol zur Einstellung der Viskosität des Sols dazugegeben.
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TEOS-basierte
Sole eignen sich besonders gut als Beschichtungsmatrix der erfindungsgemäßen Sol-Gel-Beschichtung.
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In
dieses Sol wurden einzeln oder in Kombination verschiedene Farbpigmente
gegeben, z.B.
- – spinellbasierte Pigmente
(BASF Sicocer® F 2555;
Magnesium-Aluminium-Spinell)
- – oxidische
Pigmente (Bayferrox® 110, 220; Chromoxidgrün GN; TiO2 u.a.)
- – zirkonbasierte
Pigmente (BASF Sicocer® F 2255, 2355, 2360).
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Zur
Erzeugung eines Metallglanzes in der Farbe wird vorzugsweise ein
Glitzerpigment, vorzugsweise ein Glimmerpigment, z.B. Iriodin®,
verwendet.
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Das
Mischverhältnis
Pigment/Sol der Farbe beträgt üblicherweise
1:1 bezogen auf das Gewicht. Allerdings kann davon abgewichen werden,
um eine optimal verarbeitbare Beschichtungslösung zu erhalten bzw. um dem
Pigmenttyp Rechnung zu tragen. Bei bestimmten, gut deckenden Pigmenten
kann der Anteil von 50 auf ca. 20 Gew.-% reduziert werden.
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Zusätzlich zu
den Farbpigmenten werden Füllstoffpartikel
dazugegeben, die zu einer Feinporosität der Schicht führen. Als
Füllstoffe
geeignet sind beispielsweise Talkum, Kalziumcarbonat und Bariumsulfat.
Im besonderen Maße
eignet sich pyrolytisch abgeschiedenes SiO2 bzw.
TiO2 als Füllstoff, da es eine kugelige
Struktur hat und daher „geometrisch" im besonderen Maße geeignet
ist, die Hohlräume,
d.h. die relativ großvolumigen
Poren in der Sol-Gel-Netzwerkstruktur bzw. die Räume zwischen den Farbpigmenten
auszufüllen,
d.h. eine Feinporosität
zu erzeugen. Dies gilt im besonderen Maße bei Glimmer-Farbpartikeln
(Iriodin®),
die beispielsweise zur Erzielung eines Metallglanzes eingesetzt
werden und eine blättrige
Struktur haben.
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Die
nach den Ausführungsbeispielen
hergestellten Muster zeigten die erwarteten Ergebnisse hinsichtlich
Blickdichtheit, mechanischer Beständigkeit und des vernachlässigbaren
Einflusses auf die Festigkeit des Substrats.
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Die
erfindungsgemäßen Farbschichten
eignen sich im besonderen Die erfindungsgemäßen Farbschichten eignen sich
im besonderen Maße
als farbige Unterseitenbeschichtung einer transparenten Glaskeramikplatte
mit der Anwendung als Kochfläche.
Dabei können
die Kochzonen der Kochfläche nicht
nur elektrisch strahlungsbeheizt, sondern auch induktiv- oder gasbeheizt
sein, insbesondere durch atmosphärische
Gasbrenner, wie konventionelle Topfbrenner, Brennermatten oder sogenannte
Ringbrenner.
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Aber
auch Backofen- oder Kamintüren
bzw. Lampenabdeckungen aus Glaskeramikmaterial können mit der erfindungsgemäßen Farbe
ganz oder partiell beschichtet werden.
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Die
erfindungsgemäß beschichteten
Glaskeramikplatten sind zwar in gewünschter Weise in Draufsicht
blickdicht, haben jedoch infolge der Streuwirkung durch die eingebetteten
Partikel transluzenten Charakter. Sie sind daher trotz Blickdichtheit
von der betrieblichen Unterseite beleuchtbar, d.h. bilden eine Art
Projektionsfläche
für Markierungen,
z.B. der Kochzonen, für
Dekore, z.B. dem Firmenlogo und Anzeigen, z.B. der Restwärmeanzeige.
Die Beleuchtung kann ein- oder mehrfarbig sein und auch im Heißbereich,
d.h. den Kochzonen bzw. -stellen vorgesehen werden. Sie kann statisch
oder bewegt ausgebildet sein, z.B. durch die Bewegung von optischen Komponenten.