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Dokumentenidentifikation DE69919208T2 28.07.2005
EP-Veröffentlichungsnummer 0001137721
Titel ZUSAMMENSETZUNG GEEIGNET ZUR BEREITSTELLUNG EINER ABRIEBFESTEN BESCHICHTUNG AUF EINEM SUBSTRAT, MIT VERBESSERTER ADHÄSION UND VERBESSERTER BESTÄNDIGKEIT GEGEN RISSBILDUNG
Anmelder SDC Coatings Inc., Anaheim, Calif., US
Erfinder TERRY, W.,, Karl, Fou, US
Vertreter derzeit kein Vertreter bestellt
DE-Aktenzeichen 69919208
Vertragsstaaten AT, BE, CH, CY, DE, DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, IT, LI, LU, MC, NL, PT, SE
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 22.10.1999
EP-Aktenzeichen 999710155
WO-Anmeldetag 22.10.1999
PCT-Aktenzeichen PCT/US99/24615
WO-Veröffentlichungsnummer 0000024831
WO-Veröffentlichungsdatum 04.05.2000
EP-Offenlegungsdatum 04.10.2001
EP date of grant 04.08.2004
Veröffentlichungstag im Patentblatt 28.07.2005
IPC-Hauptklasse C09D 4/00
IPC-Nebenklasse C08K 5/09   C08K 5/092   

Beschreibung[de]
Hintergrund der Erfindung 1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft Beschichtungszusammensetzungen und betrifft spezieller Beschichtungszusammensetzungen, die, wenn sie gehärtet sind, weitgehend transparente, abriebfeste Beschichtungen ergeben, die über eine verbesserte Haftung und erhöhte Stabilität gegenüber Rissbildung verfügen, ohne darauf beschränkt zu sein.

Die vorliegende Erfindung betrifft ebenfalls flüssige Beschichtungszusammensetzungen, die über eine verbesserte Stabilität verfügen, wobei die flüssigen Beschichtungszusammensetzungen von wässrigen-organischen Lösemittelgemischen abgeleitet sind, die wirksame Mengen von Epoxy-funktionellen Silan, Disilan und Carbonsäure-Komponenten enthalten.

Beschreibung des Standes der Technik

Im Stand der Technik gibt es eine Überfülle an Zusammensetzungen, die, wenn sie auf Substrate aufgetragen und gehärtet werden, den Substraten transparente, abriebfeste Beschichtungen vermitteln. Derartige Beschichtungen sind besonders nützlich bei polymeren Substraten, wo sie besonders deshalb angestrebt werden, um den Substraten abriebfeste Oberflächen zu verleihen. Allerdings können Haftungsprobleme und Rissbildung aus einer Exponierung an der Umgebung und bei dem üblichen Verarbeiten der beschichteten Artikel resultieren. Damit gibt es einen seit langem bestehenden Bedarf für verbesserte Zusammensetzungen, die über verbesserte Stabilität verfügen und die, wenn sie auf ein Substrat aufgebracht werden, wie beispielsweise einem polymeren Substrat, und dann gehärtet werden, transparente, abriebfeste Beschichtungen mit verbesserter Haftung und Stabilität gegenüber Rissbildung ergeben. Auf diese Zusammensetzungen und Verfahren, mit denen derartige Zusammensetzungen hergestellt und auf Substrate aufgebracht werden, richtet sich die vorliegende Erfindung.

Die WO 9846692 A offenbart eine Beschichtungszusammensetzung, die Epoxy-funktionelles Silan, tetrafunktionelles Silan und multifunktionelle Carbonsäure-Verbindungen aufweist.

Die EP-A-526 975 A offenbart eine Zusammensetzung für optische Kunststoff-Formartikel, die Epoxy-funktionelles Silan, Carbonsäure-Verbindung, Wasser und Lösemittel sowie Alkoxysilan aufweisen.

Kurze Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung gewährt Beschichtungszusammensetzungen, die über eine verbesserte Stabilität verfügen und die, wenn sie auf eine Vielzahl von Substraten aufgebracht und gehärtet werden, transparente, abriebfeste Beschichtungen bilden, die über verbesserte Haftung und Beständigkeit gegen Rissbildung verfügen. In großen Zügen weisen die Beschichtungszusammensetzungen der vorliegenden Erfindung ein wässriges-organisches Lösemittelgemisch auf, das von etwa 10% bis etwa 99,9 Gew.% bezogen auf die Gesamtfeststoffe der Zusammensetzung eine Mischung von Hydrolyseprodukten und Teilkondensaten eines Epoxy-funktionellen Silans enthalten, ein Disilan und von etwa 0,01% bis etwa 80 Gew.% bezogen auf das Gesamtgewicht der Zusammensetzung eine Carbonsäure-funktionelle Verbindung, die ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Carbonsäuren, multifunktionellen Carbonsäuren, Anhydriden und Kombinationen davon. Das Epoxy-funktionelle Silan und das Disilan liegen in dem wässrigen-organischen Lösemittelgemisch in einem Molverhältnis von etwa 0,05:1 bis etwa 5:1 vor. In die Beschichtungszusammensetzungen der vorliegenden Erfindung können ferner von etwa 0,1% bis etwa 80 Gew.% einer Mischung von Hydrolyseprodukten und Teilkondensaten eines oder mehrerer Silanadditive bezogen auf die Gesamtfeststoffe der Zusammensetzung und/oder eine Menge von kolloidalem Siliciumdioxid oder ein Metalloxid oder Kombinationen davon einbezogen werden, die von etwa 0,1% bis etwa 75 Gew.% Feststoffe bezogen auf die Gesamtfeststoffe der Zusammensetzung äquivalent sind.

Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Beschichtungszusammensetzungen mit verbesserter Stabilität bereitzustellen, die beim Härten transparente Beschichtungen ergeben. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Gewährung stabiler Beschichtungszusammensetzungen, die beim Härten transparente Beschichtungen ergeben und über Abriebfestigkeit, verbesserte Haftung und verbesserte Beständigkeit gegen Rissbildung verfügen.

Weitere Aufgaben, Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden beim Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Ansprüchen offensichtlich.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft Beschichtungszusammensetzungen, die über verbesserte Stabilität verfügen und die beim Auftragen auf eine Vielzahl von Substraten und nach dem Härten weitgehend transparente, abriebfeste Beschichtungen erzeugen, die eine verbesserte Haftung und verbesserte Beständigkeit gegen Rissbildung vermitteln. Zum Testen von beschichteten Proben wurden Beschichtungszusammensetzungen auf Poly(diethylenglykol-bis-allylcarbonat)-Linsen aufgetragen, nachfolgend hierin bezeichnet als ADC-Linsen, und bei einer Temperatur von 110°C für eine Dauer von 3 Stunden gehärtet. Halbquantitative Beurteilungen über den Umfang der Rissbildung und der Haftung wurden unter Anwendung der folgenden Tests ausgeführt.

Zum Testen der Haftung der beschichteten Artikel wurden die Prozeduren des Standards ASTM D-3359, d.h. der Haftstreifenversuch, eingehalten.

Ein typischer Test für das Messen der Haftung unter Beständigkeit gegen Rissbildung einer Beschichtungszusammensetzung, die auf einem Substrat gehärtet ist, besteht in einem Eintauchen des beschichteten Artikels in siedende wässrige Farblösung für eine Zeitdauer von beispielsweise 30 min, gefolgt von der Kontrolle auf Rissbildung und dem Testen auf Haftung. Auf dem Gebiet der Augenheilkunde ist es üblich, derartige Farblösungen auf Linsen zur Verringerung der Gesamtlichtdurchlässigkeit durch die Linsen zu verwenden, beispielsweise bei einem Auftrag für Gläser einer Sonnenbrille. Daher ist es für gehärtete Beschichtungszusammensetzungen auf ophthalmischen Linsen erforderlich, als Folge der Behandlungen in siedender Farblösung nicht zu reißen oder die Haftung zu verlieren. In dem Test in siedender Farblösung werden beschichtete und gehärtete Linsen in BPI-Black Tint (Brain Power, Inc.) unter den Bedingungen des Siedens getestet. In diesem Test wurde eine Flasche mit BPI-Black Tint (näherungsweise 100 g) bis etwa 900 g mit Leitungswasser verdünnt und zum Sieden gebracht. Der beschichtete Artikel wurde in die siedende Lösung für eine Dauer von 30 min eingetaucht. Der beschichtete Artikel wurde aus der Farblösung entnommen und auf Rissbildung untersucht und auf Haftung getestet.

Beim Testen der Abriebfestigkeit beschichteter Substrate können alle beliebigen quantitativen Testmethoden zum Einsatz gelangen, einschließlich der "Taber-Test" (ASTM D-4060), der "Trommel-Test" und die Standardmethode für den modifizierten Bayer-Test, die beschrieben wurde in "The AR Council of America Standard Testing Procedures", Kapitel 5.2.5, bei dem es sich um eine Variation der Testmethode nach ASTM F735-81 handelt. Darüber hinaus gibt es eine Reihe von qualitativen Testmethoden, die zum Messen der Abriebfestigkeit angewendet werden können, einschließlich der "Steel Wool Test" und der "Eraser Test". In dem "Steel Wool Test" und dem "Eraser Test" werden beschichtete Substratproben unter reproduzierbaren Bedingungen (konstante Last, Frequenz, usw.), geritzt. Die geritzten Testproben werden sodann verglichen und mit Standardproben bewertet. Eine halbquantitative Anwendung dieser Testmethoden erfolgt unter Einbeziehung eines Messinstrumentes, wie beispielsweise einem Spektrophotometer oder einem Colorimeter zum Messen der Kratzer auf der beschichteten Oberfläche als eine Trübungszunahme.

Die gemessene Abriebfestigkeit einer gehärteten Beschichtung auf einem Substrat, ob sie nun nach dem modifizierten Bayer-Test gemessen wurde oder nach dem Taber-Test, Steel Wool-Test, Eraser-Test, Trommel-Test, usw. ist zum Teil eine Funktion der Härtungstemperatur und der Härtungsdauer. Im Allgemeinen führen höhere Temperaturen und längere Härtungszeiten zu einer höheren gemessenen Abriebfestigkeit. Normalerweise werden Härtungstemperatur und Härtungsdauer in Bezug auf Kompatibilität mit dem Substrat ausgewählt, obgleich gelegentlich geringere Härtungstemperaturen und Härtungszeiten als das Optimum verwendet werden, was auf Beschränkungen von Prozess und/oder Anlage zurückzuführen ist. Für den Fachmann auf dem Gebiet sollte selbstverständlich sein, dass andere Variablen, wie beispielsweise Schichtdicke und die Beschaffenheit des Substrats, ebenfalls einen Einfluss auf die gemessene Abriebfestigkeit nehmen. Generell gibt es für jede Art von Substrat und für jede Beschichtungszusammensetzung ein Optimum für die Schichtdicke. Das Optimum von Härtungstemperatur, Härtungszeit, Schichtdicke und dergleichen lässt sich mühelos vom Fachmann auf dem Gebiet empirisch bestimmen.

In der zur Bestimmung der Abriebfestigkeit der Beschichtungszusammensetzungen der vorliegenden Erfindung zum Einsatz gelangenden Testmethode wird kommerziell verfügbares Alundum (Körnungs-Kennwert 1524, Körnung 12, Alundum ZF), das von Norton Advanced Ceramics of Canada, Inc., 8001 Daly Street, Niagra Falls, Ontario, vertrieben wird, als das Schleifmittel verwendet. In diesem Test wurden 540 g Alundum in ein mit 4 Linsen ausgestatteter Schlitten mit 9 5/16" × 6 ¾" geladen. Jeder Satz von 4 Linsen, die hierin als ADC-Linsen bezeichnet werden, sowie 2 beschichtete Linsen wurden einem Hub von 4 inch (die Richtung jedes Hubes entsprach der Länge von 9 5/16" des Schlittens) mit einer Schwenkfrequenz von 300 Hüben pro Minute für eine Gesamtdauer von 4 min unterworfen. Der Linsenschlitten wurde nachjustiert, indem er nach den ersten 2 min der Oszillationen um 180° gedreht wurde. Das Nachjustieren des Schlittens wurde angewendet, um den Einfluss etwaiger Ungleichmäßigkeiten im Oszillationsmechanismus zu reduzieren. Die ADC-Vergleichslinsen, die zur Anwendung gelangten, waren Silor-FSV-70 mm-Plan-Linsen, die von Essilor of America, Inc., of St. Petersburg, Florida, erworben wurden. Die vorstehend beschriebene Prozedur ist gegenüber derjenigen geringfügig abgeändert, die von dem AR Council of America beschrieben wurde, indem das Gewicht des Alundums erhöht wurde, um die erhöhte Oberfläche des größeren Schlittens zu kompensieren. Der vorstehend beschriebene Schlitten hielt 4 Linsen.

Sodann wurde die auf den Linsen erzeugte Trübung auf einem Gardner XL-835-Colorimeter gemessen. Die Trübungszunahme jeder Linse wurde als die Differenz zwischen der Anfangstrübung auf den Linsen und der Trübung nach dem Testen gemessen. Das Verhältnis der Trübungszunahme auf den ADC-Vergleichslinsen zu der Trübungszunahme auf den beschichteten Probelinsen wurde sodann als die resultierende Abriebfestigkeit des Beschichtungsmaterials aufgezeichnet. Ein Verhältnis, das größer als 1 ist, zeigt eine Beschichtung, die eine größere Abriebfestigkeit als die unbeschichteten ADC-Vergleichslinsen liefert. Dieses Verhältnis wird üblicherweise als das Bayer-Verhältnis bzw. die Bayer-Zahl oder -Wert bezeichnet. Eine Beschichtung mit hoher Abriebfestigkeit besitzt größere Bayer-Zahlen als Beschichtungen mit geringerer Abriebfestigkeit.

Die gemessene Haftung, Beständigkeit gegen Rissbildung und Abriebfestigkeit einer gehärteten Beschichtung ist eine Funktion der speziellen Beschichtungszusammensetzung und der für das Auftragen der Zusammensetzung zur Anwendung gelangenden Auftrags- und Prozessbedingungen. Damit können die Anwendung jeglicher Substratvorbehandlungen, einschließlich die Verwendung von Grundierungen, die für das Aufbringen der Beschichtungszusammensetzung auf ein Substrat zum Einsatz gelangende Methode, die Bedingungen des Trocknens und des Härtens, die für den beschichteten Artikel angewendet werden, und die resultierende Schichtdicke einen Einfluss auf jede einzelne oder alle dieser Eigenschaften haben. Die optimalen Bedingungen für jede beliebige spezielle Beschichtungszusammensetzung werden von den gewünschten Endeigenschaften des beschichteten und gehärteten Produkts abhängen und lassen sich empirisch bestimmen.

Als selbstverständlich sollte gelten: (a) die Beschreibungen der Beschichtungszusammensetzungen hierin, die Epoxy-funktionelle Silane, Disilane, Silan-Additive enthalten, die keine Epoxy-funktionelle Gruppe enthalten, und die Carbonsäure-Komponente enthalten, beziehen sich auf die Ausgangssilane und die Carbonsäure-Komponenten, aus denen das Beschichtungssystem erzeugt ist; (b) wenn die Epoxy-funktionellen Silane, Disilane und Silan-Additive, die keine Epoxy-funktionelle Gruppe enthalten, mit dem wässrigen-organischen Lösemittelgemisch unter geeigneten Bedingungen vereint werden, läuft eine Hydrolysereaktion ab, die zu teilweise oder vollständig hydrolysierten Vertretern führt; (c) die resultierenden vollständig oder teilweise hydrolysierten Vertreter können unter Erzeugung von Mischungen von multifunktionellen oligomeren Siloxan-Vertretern vereint werden; (d) diese oligomeren Siloxan-Vertreter können unter Umständen Hydroxy- und Alkoxy-Seitengruppen enthalten und werden aus einer Silicium-Sauerstoff-Matrix bestehen, die sowohl Silicium-Sauerstoff-Siloxan-Verknüpfungen enthält als auch Silicium/Sauerstoff/Carbonsäure-Komponenten-Verknüpfungen; (e) die resultierenden Mischungen sind dynamische oligomere Suspensionen, die strukturellen Änderungen unterliegen, die von einer Vielzahl von Faktoren abhängen, einschließlich Temperatur, pH-Wert, Wassergehalt, Katalysatorkonzentration und dergleichen.

Die Beschichtungszusammensetzungen der vorliegenden Erfindung, die im angestrebten Fall von etwa 1% bis etwa 40 Gew.% Feststoffe und im noch mehr angestrebten Fall von etwa 5% bis etwa 25 Gew.% Feststoffe enthalten, weisen ein wässriges-organisches Lösemittelgemisch auf, das von etwa 10% bis etwa 99,9 Gew.% bezogen auf die Gesamtfeststoffe der Zusammensetzung eine Mischung von Hydrolyseprodukten und Teilkondensaten eines Epoxy-funktionellen Silans und eines Disilans und von etwa 0,01% bis etwa 80 Gew.% bezogen auf das Gesamtgewicht der Zusammensetzung eine Verbindung enthält, die ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Carbonsäuren, multifunktionellen Carbonsäuren, Anhydriden und Kombinationen davon. Die Menge des Epoxy-funktionellen Silans und die Menge des Disilans, die zum Einsatz gelangen, können stark variieren und werden in der Regel von den in der Beschichtungszusammensetzung angestrebten Eigenschaften und der gehärteten Beschichtung abhängen sowie. von der Endanwendung des Substrats, auf das die Beschichtungszusammensetzung aufgebracht ist. Im Allgemeinen können jedoch wünschenswerte Ergebnisse erhalten werden, sofern das Epoxy-funktionelle Silan und das Disilan in einem wässrigen-organischen Lösemittelgemisch in einem Molverhältnis von etwa 0,05:1 bis etwa 5:1 vorhanden sind. Im noch stärker angestrebten Fall liegen das Epoxy-funktionelle Silan und das Disilan in dem wässrigen-organischen Lösemittelgemisch in einem Molverhältnis von etwa 0,1:1 bis etwa 3:1 vor.

Obgleich das Vorhandensein von Wasser in dem wässrigen-organischen Lösemittelgemisch zur Erzeugung von Hydrolyseprodukten der Silan-Komponenten der Mischung erforderlich ist, kann die eigentliche Menge stark schwanken. Im Wesentlichen wird ausreichend Wasser benötigt, um eine weitgehend homogene Beschichtungsmischung von Hydrolyseprodukten und Teilkondensaten der Alkoxy-funktionellen Silane zu gewähren (d.h. das Epoxy-funktionelle Silan, das Disilan und andere Silan-Komponenten), die, wenn sie auf einem Artikel aufgetragen und gehärtet sind, eine im Wesentlichen transparente und abriebfeste Beschichtung ergeben. Derartige Schichten können unter Einsatz einer Wassermenge erhalten werden, die für die Hydrolyse der Summe der hydrolysierbaren Alkoxy-Gruppen an den Alkoxysilan-Komponenten in der Beschichtungsmischung erforderlich ist. Vorzugsweise wird die zur Anwendung gelangende Wassermenge für die Hydrolyse im Bereich von etwa 0,5 bis etwa 15 Mol Wasser für jede hydrolysierbare Alkoxy-Gruppe liegen. Die Abriebfestigkeit des beschichteten Artikels wird von der Wasserkonzentration in der anfänglichen Beschichtungszusammensetzung beeinflusst. Der am stärksten signifikante

Einfluss der Wasserkonzentration auf die Abriebfestigkeit ist bei geringen Wasserkonzentrationen erkennbar, z.B. bei einer stöchiometrischen Wasserkonzentration, was in der Regel zu einer Herabsetzung der Abriebfestigkeit des beschichteten und gehärteten Produkts im Vergleich zu ähnlichen Zusammensetzungen führt, die bei größeren Wasserkonzentrationen als der stöchiometrischen Konzentration angesetzt werden. Die Abriebfestigkeit für Beschichtungszusammensetzungen, die bei geringen Wasserkonzentrationen angesetzt werden, kann jedoch unter Verwendung eines Kondensationskatalysators erhöht werden. In der Regel wird ein Kondensationskatalysator die Abriebfestigkeit von Beschichtungszusammensetzungen erhöhen, die bei geringen und hohen Wasserkonzentrationen angesetzt werden, wobei die Erhöhung der Abriebfestigkeit jedoch am größten bei solchen Beschichtungszusammensetzungen ist, die bei geringen Wasserkonzentrationen angesetzt werden. Die wirksame Wassermenge und die wirksame Menge und der Typ des Kondensationskatalysators lassen sich empirisch ermitteln.

Der Lösemittelbestandteil des wässrigen-organischen Lösemittelgemisches der Beschichtungszusammensetzungen der vorliegenden Erfindung kann jedes beliebige Lösemittel oder eine Kombination von Lösemitteln sein, die mit dem Epoxy-funktionellen Silan, dem Disilan und der Carbonsäure-Komponente kompatibel sind. Beispielsweise kann der Lösemittelbestandteil des wässrigen-organischen Lösemittelgemisches ein Alkohol sein, ein Ether, ein Glykol oder ein Glykolether, ein Keton, ein Ester, ein Glykoletheracetat sowie Mischungen davon. Geeignete Alkohole lassen sich mit Hilfe der Formel ROH darstellen, worin R eine Alkyl-Gruppe ist, die 1 bis etwa 10 Kohlenstoffatome enthält. Einige Beispiele von Alkoholen, die in der Anwendung der vorliegenden Erfindung verwendbar sind, sind Methanol, Ethanol, Propanol, Isopropanol, Butanol, Isobutanol, sec-Butanol, tert-Butanol, Cyclohexanol, Pentanol, Octanol, Decanol und Mischungen davon.

Geeignete Glykole, Ether, Glykolether lassen sich mit Hilfe der Formel R1-(OR2)x-OR1 darstellen, worin x 0, 1, 2, 3 oder 4 beträgt, R1 ist Wasserstoff oder eine Alkyl-Gruppe, die 1 bis etwa 10 Kohlenstoffatome enthält, und R2 ist eine Alkylen-Gruppe, die 1 bis etwa 10 Kohlenstoffatome enthält, sowie Kombinationen davon.

Beispiele für Glykole, Ether und Glykolether, die die vorstehend festgelegte Formel haben und die als Lösemittelbestandteil des wässrigen-organischen Lösemittelgemisches der Beschichtungszusammensetzungen der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, sind Di-n-butylether, Ethylenglykoldimethylether, Propylenglykoldimethylether, Propylenglykolmethylether, Dipropylenglykolmethylether, Tripropylenglykolmethylether, Dipropylenglykoldimethylether, Tripropylenglykoldimethylether, Ethylenglykolbutylether, Diethylenglykolbutylether, Ethylenglykoldibutylether, Ethylenglykolmethylether, Diethylenglykolethylether, Diethylenglykoldimethylether, Ethylenglykolethylether, Ethlyenglykoldiethylether, Ethylenglykol, Diethylenglykol, Triethylenglykol, Propylenglykol, Dipropylenglykol, Tripropylenglykol, Butylenglykol, Dibutylenglykol, Tributylenglykol sowie Mischungen davon. Zusätzlich zu den vorstehend aufgeführten sind cyclische Ether, wie beispielsweise Tetrahydrofuran und Dioxane, geeignete Ether für das wässrige-organische Lösemittelgemisch.

Beispiele von Ketonen, die für das wässrige-organische Lösemittelgemisch geeignet sind, sind Aceton, Diacetonalkohol, Methylethylketon, Cyclohexanon, Methylisobutylketon und Mischungen davon.

Beispiele für Ester, die für das wässrige-organische Lösemittelgemisch geeignet sind, sind Ethylacetat, n-Propylacetat, n-Butylacetat und Kombinationen davon.

Beispiele für Glykoletheracetate, die für das wässrige-organische Lösemittelgemisch geeignet sind, sind Propylenglykolmethyletheracetat, Dipropylenglykolmethyletheracetat, Ethyl-3-ethoxypropionat, Ethylenglykolethyletheracetat und Kombinationen davon.

Das Epoxy-funktionelle Silan, das in der Zubereitung der Beschichtungszusammensetzungen der vorliegenden Erfindung verwendbar ist, kann jedes beliebige Epoxy-funktionelle Silan sein, das mit dem Disilan und der Carbonsäure-Komponente der Beschichtungszusammensetzung kompatibel ist und das eine Beschichtungszusammensetzung liefern kann, die beim Härten eine weitgehend transparente, abriebfeste Schicht erzeugt und die eine verbesserte Haftung und verbesserte Beständigkeit gegen Rissbildung zeigt. Im Allgemeinen werden derartige Epoxy-funktionelle Silane dargestellt mit der Formel R3xSi(OR4)4–x, worin x eine ganze Zahl 1, 2 oder 3 ist, R3 ist H, eine Alkyl-Gruppe, eine funktionalisierte Alkyl-Gruppe, eine Alkylen-Gruppe, eine Aryl-Gruppe, ein Alkylether und Kombinationen davon, die von 1 bis etwa 10 Kohlenstoffatome enthalten und mindestens 1 Epoxy-funktionelle Gruppe haben, und R4 ist H, eine Alkyl-Gruppe mit 1 bis etwa 5 Kohlenstoffatomen, eine Acetyl-Gruppe, eine -Si(OR5)3–yR6y-Gruppe, worin y eine ganze Zahl 0, 1, 2 oder 3 ist, sowie Kombinationen davon, worin R5 H ist, eine Alkyl-Gruppe mit 1 bis 5 Kohlenstoffatomen, eine Acetyl-Gruppe oder eine andere -Si(OR5)3–yR6y-Gruppe und Kombinationen davon, und R6 ist H, eine Alkyl-Gruppe, eine funktionalisierte Alkyl-Gruppe, eine Alkylen-Gruppe, eine Aryl-Gruppe, ein Alkylether und Kombinationen davon, die 1 bis 10 Kohlenstoffatome enthalten und die außerdem eine Epoxy-funktionelle Gruppe enthalten können.

Beispiele für derartige Epoxy-funktionelle Silane sind: Glycidoxymethyltrimethoxysilan, 3-Glycidoxypropyltrihydroxysilan, 3-Glycidoxypropyldimethylhydroxysilan, 3-Glycidoxypropyltrimethoxysilan, 3-Glycidoxypropyltriethoxysilan, 3-Glycidoxypropyldimethoxymethylsilan, 3-Glycidoxypropyldimethylmethoxysilan, 3-Glycidoxypropyltributoxysilan, 1,3-Bis(glycidoxypropyl)tetramethyldisiloxan, 1,3-Bis(glycidoxypropyl)tetramethoxydisiloxan, 1,3-Bis(glycidoxypropyl)-1,3-dimethyl-1,3-dimethoxydisiloxan, 2,3-Epoxypropyltrimethoxysilan, 3,4-Epoxybutyltrimethoxysilan, 6,7-Epoxyheptyltrimethoxysilan, 9,10-Epoxydecyltrimethoxysilan, 1,3-Bis(2,3-epoxypropyl)tetramethoxydisiloxan, 1,3-Bis(6,7-epoxyheptyl)tetramethoxydisiloxan, 2-(3,4-Epoxycyclohexyl)ethyltrimethoxysilan und dergleichen.

Die Disilan-Additive, die in den Beschichtungszusammensetzungen der vorliegenden Erfindung verwendbar sind, haben die Formel: (R7O)xR83–xSi-R9y-SiR103–x(OR11)x worin x 0, 1, 2 oder 3 ist und y ist Null oder 1; R8 und R10 sind N, Cl, Br, eine Alkyl-Gruppe mit etwa 1 bis 10 Kohlenstoffatomen, eine funktionalisierte Alkyl-Gruppe, eine Alkylen-Gruppe, eine Aryl-Gruppe, eine Alkylpolyether-Gruppe und Kombinationen davon; R7 und R11 sind H, eine Alkyl-Gruppe mit etwa 1 bis 10 Kohlenstoffatomen, eine Acetyl-Gruppe und Kombinationen davon. Wenn y 1 ist, dann kann R9 eine Alkylen-Gruppe mit etwa 1 bis 12 Kohlenstoffatomen sein, ein Alkylenpolyether mit etwa 1 bis 12 Kohlenstoffatomen, eine Aryl-Gruppe, eine Alkylen-substituierte Aryl-Gruppe, eine Alkylen-Gruppe, die ein oder mehrere Olefine oder Schwefel enthalten kann. Wenn x = 0 gilt, dann sind R8 und R10 Cl oder Br; und wenn y = 0 gilt, dann gibt es eine direkte Silicium-Silicium-Bindung.

Beispiele für Disilane, die der vorstehend festgelegten Formel genügen, schließen ein: Bis(triethoxysilyl)ethan, Bis(triethoxysilyl)methan, Bis(trichlorsilyl)-propan, Bis(triethoxysilyl)ethylen, 1,3-Bistriethoxysilylethan, Hexaethoxydisilan.

Die Beschichtungszusammensetzungen der vorliegenden Erfindung können jede beliebige Carbonsäure enthalten, die mit dem Epoxy-funktionellen Silan und dem Disilan der Beschichtungszusammensetzungen kompatibel ist und die in der Lage ist, mit den Hydrolyseprodukten und Teilkondensaten des Epoxy-funktionellen Silans und des Disilans zu wechselwirken, um der Beschichtungszusammensetzung Stabilität zu vermitteln, die beim Härten eine weitgehend transparente, abriebfeste Beschichtung erzeugt, die über eine verbesserte Haftung und verbesserte Rissbeständigkeit verfügt.

Die Carbonsäure-funktionelle Verbindung, wie sie hierin verwendet wird, ist unter Einbeziehung von mono- und multifunktionellen Carbonsäuren sowie Anhydriden zu verstehen, die mono- und multifunktionelle Carbonsäuren erzeugen. Die Carbonsäure-funktionelle Verbindung wird dargestellt durch die Formel R12(COOR13)x, worin x eine ganze Zahl 1, 2, 3 oder 4 ist und worin R12 H ist, eine Alkyl-Gruppe, eine funktionalisierte Alkyl-Gruppe, eine Alkylen-Gruppe, eine Aryl-Gruppe, eine funktionalisierte Aryl-Gruppe, ein Alkylether und Kombinationen davon, die 1 bis 10 Kohlenstoffatome enthalten und worin R13 H ist, eine Formyl-Gruppe, eine Carbonyl-Gruppe oder eine Acyl-Gruppe, worin die Acyl-Gruppe mit einer Alkyl-Gruppe funktionalisiert sein kann, eine funktionalisierte Alkyl-Gruppe, eine Alkylen-Gruppe, eine Aryl-Gruppe, eine funktionalisierte Aryl-Gruppe, ein Alkylether und Kombinationen davon, die 1 bis 10 Kohlenstoffatome enthalten. Beispiele für Carbonsäuren, die bei der Herstellung der Beschichtungszusammensetzungen der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden können, schließen ein: Essigsäure, Acrylsäure, Methacrylsäure, Ameisensäure, Propansäure, Butansäure, Äpfelsäure, Aconitsäure (cis, trans), Itaconsäure, Succinsäure, Malonsäure, Glutarsäure, Adipinsäure, Pimelinsäure, Suberinsäure, Azelainsäure, Sebacinsäure, Cyclohexylsuccinsäure, 1,3,5-Benzoltricarbonsäure, 1,2,4,5-Benzoltetracarbonsäure, 1,4-Cyclohexandicarbonsäure, 1,3-Cyclohexandicarbonsäure, 1,1-Cyclohexandiessigsäure, 1, 3-Cyclohexandicarbonsäure, 1,1-Cyclohexandiessigsäure, 1,3-Cyclohexandiessigsäure, 1,3,5-Cyclohexantricarbonsäure und ungesättigte zweibasische Säuren, wie beispielsweise Fumarsäure und Maleinsäure sowie Kombinationen davon.

Beispiele von Anhydriden, die zur Erzeugung der Carbonsäure-Komponente der Beschichtungszusammensetzungen der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden können, schließen die Anhydride der vorgenannten Carbonsäuren ein, die beispielsweise Essigsäureanhydrid, Propansäureanhydrid, Acrylsäureanhydrid, Methacrylsäureanhydrid, und die cyclischen Anhydride der vorgenannten zweibasischen Säuren, wie beispielsweise Succinsäureanhydrid, Itaconsäureanhydrid, Glutarsäureanhydrid, Trimellithsäureanhydrid, Pyromellithsäureanhydrid, Phthalsäureanhydrid und Maleinsäureanhydrid sowie Kombinationen davon.

Wahlweise kann zusätzlich zu der Carbonsäure-Komponente der Beschichtungszusammensetzung eine Mineralsäure, wie beispielsweise Salzsäure oder Salpetersäure, als ein Co-Hydrolysekatalysator für die Hydrolyse der Silan-Verbindungen verwendet werden, wie sie hierin beschrieben sind.

Die Beschichtungszusammensetzungen der vorliegenden Erfindung sind außerdem in Bezug auf Alterung sowohl hinsichtlich der Funktion als auch der Lösungsstabilität beständig. Die Alterung der Beschichtungszusammensetzungen ist gekennzeichnet durch eine allmähliche Zunahme der Viskosität, die möglicherweise die Beschichtungszusammensetzungen in Folge von Verarbeitungseinschränkungen unbrauchbar macht. Die Beschichtungszusammensetzungen der vorliegenden Erfindung haben bei Aufbewahrung bei Temperaturen von 5°C oder darunter eine Gebrauchsfähigkeitsdauer von mindestens 3 Monaten. Während dieser Dauer nimmt die Abriebfestigkeit der gehärteten Beschichtungen in Abhängigkeit von der Zeit nicht wesentlich ab. Ferner haben Untersuchungen gezeigt, dass die Stabilität der Beschichtungszusammensetzungen von den relativen Konzentrationen des Epoxy-funktionellen Silans, des Disilans und der Carbonsäure-Komponente abhängt. Im Allgemeinen tragen höhere Konzentrationen des Epoxy-funktionellen Silans und der Carbonsäure-Komponente in Bezug auf die Disilan-Komponente zu einer erhöhten Stabilität der Beschichtungsmischung bei. Damit trägt zusätzlich zur Gewährung einer verbesserten Abriebfestigkeit der gehärteten Beschichtungen die Carbonsäure-Komponente zur Gesamtstabilität der Beschichtungszusammensetzungen bei.

Die Verbesserungen hinsichtlich der Haftung und der Beständigkeit gegenüber Rissbildung der abriebfesten Beschichtungszusammensetzungen der vorliegenden Erfindung werden durch die einzigartige Kombination eines Epoxy-funktionellen Silans, eines Disilans und einer Carbonsäure-Komponente erzielt. In die Beschichtungszusammensetzungen lassen sich wahlweise andere Materialien einbeziehen, die (a) die Stabilität der Beschichtungszusammensetzungen verbessern können; die (b) die Abriebfestigkeit der gehärteten Beschichtungen erhöhen können, die mit Hilfe der Beschichtungszusammensetzungen erzeugt werden; die (c) das Verarbeiten der Beschichtungszusammensetzungen verbessern; und die (d) den Beschichtungszusammensetzungen und den gehärteten Produkten der Beschichtungszusammensetzungen andere wünschenswerte Eigenschaften vermitteln.

Die Beschichtungszusammensetzungen der vorliegenden Erfindung können ferner etwa 0,1% bis etwa 80 Gew.% bezogen auf die Gesamtfeststoffe der Beschichtungszusammensetzungen einer Mischung von Hydrolyseprodukten und Teilkondensaten eines oder mehrerer Silan-Additive enthalten (d.h. tetrafunktionelle Silane, trifunktionelle Silane, difunktionelle Silane, monofunktionelle Silane und Mischungen davon). Die Silan-Additive, die sich in die Beschichtungszusammensetzungen der vorliegenden Erfindung einarbeiten lassen, lassen sich durch die Formel R13xSi(OR14)4–x darstellen, worin x Null, 1, 2 oder 3 beträgt; R13 ist H oder eine Alkyl-Gruppe, die 1 bis etwa 10 Kohlenstoffatome enthält, eine funktionalisierte Alkyl-Gruppe, eine Alkylen-Gruppe, eine Aryl-Gruppe, eine Alkylether-Gruppe und Kombinationen davon; R14 ist H, eine Alkyl-Gruppe, die 1 bis etwa 10 Kohlenstoffatome enthält, eine Acetyl-Gruppe, eine -Si(OR14)3-Gruppe und Kombinationen davon.

Beispiele für Silan-Additive, die durch die vorstehend festgelegte Formel dargestellt werden, sind: Methyltrimethoxysilan, Ethyltrimethoxysilan, Propyltrimethoxysilan, Butyltrimethoxysilan, Isobutyltrimethoxysilan, Nexyltrimethoxysilan, Octyltrimethoxysilan, Decyltrimethoxysilan, Cyclohexyltrimethoxysilan, Cyclohexylmethyltrimethoxysilan, 3-Methacryloxypropyltrimethoxysilan, Vinyltrimethoxysilan, Allyltrimethoxysilan, Dimethyldimethoxysilan, 2-(3-Cyclohexenyl)ethyltrimethoxysilan, 3-Cyanopropyltrimethoxysilan, 3-Chlorpropyltrimethoxysilan, 2-Chlorethyltrimethoxysilan, Phenethyltrimethoxysilan, 3-Mercaptopropyltrimethoxysilan, 3-Aminopropyltrimethoxysilan, Phenyltrimethoxysilan, 3-Isocyanopropyltrimethoxysilan, N-(2-Aminoethyl)-3-aminopropyltrimethoxysilan, 4-(2-Aminoethylaminomethyl)phenethyltrimethoxysilan, Chlormethyltriethoxysilan, 2-Chlorethyltriethoxysilan, 3-Chlorpropyltriethoxysilan, Phenyltriethoxysilan, Ethyltriethoxysilan, Propyltriethoxysilan, Butyltriethoxysilan, Isobutyltriethoxysilan, Hexyltriethoxysilan, Octyltriethoxysilan, Decyltriethoxysilan, Cyclohexyltriethoxysilan, Cyclohexylmethyltriethoxysilan, 3-Methacryloxypropyltriethoxysilan, Vinyltriethoxysilan, Allyltriethoxysilan, [2-(3-Cyclohexenyl)ethyltriethoxysilan, 3-Cyanopropyltriethoxysilan, 3-Methacrylamidopropyltriethoxysilan, 3-Methoxypropyltrimethoxysilan, 3-Ethoxypropyltrimethoxysilan, 3-Propoxypropyltrimethoxysilan, 3-Methoxyethyltrimethoxysilan, 3-Ethoxyethyltrimethoxysilan, 3-Propoxyethyltrimethoxysilan, 2-[Methoxy-(polyethylenoxy)propyl]heptamethyltrisiloxan, [Methoxy(polyethylenoxy)propyl]trimethoxysilan,[Methoxy(polyethylenoxy)ethyl]trimethoxysilan, [Methoxy(polyethylenoxy)propyl]triethoxysilan, [Methoxy(polyethylenoxy)ethyl]triethoxysilan, Tetramethylorthosilicat, Tetraethylorthosilicat, Tetrapropylorthosilicat, Tetraisopropylorthosilicat, Tetrabutylorthosilicat, Tetraisobutylorthosilicat, Tetrakis(methoxyethoxy)silan, Tetrakis(methoxypropoxy)silan, Tetrakis(ethoxyethoxy)silan, Tetrakis(methoxyethoxyethoxy)silan, Trimethoxyethoxysilan, Dimethoxydiethoxysilan, Triethoxymethoxysilan, Poly(dimethoxysiloxan), Poly(diethoxysiloxan), Poly(dimethoxydiethoxysiloxan), Tetrakis(trimethoxysiloxy)silan, Tetrakis(triethoxysiloxy)silan und dergleichen.

Wenn x = 0 gilt, kann das R14 auch eine Acyl-Gruppe sein, um eine Carboxylat-Gruppe zu ergeben. Beispiele für tetrafunktionelle Silane mit Carboxylat-Gruppen sind Siliciumtetraacetat, Siliciumtetrapropionat und Siliciumtetrabutyrat.

Die Auswahl des Silan-Additivs sowie die Menge dieses Silan-Additivs, das in die Beschichtungszusammensetzungen eingearbeitet wird, hängen von den speziellen Eigenschaften ab, die entweder in der Beschichtungszusammensetzung oder der gehärteten Beschichtungszusammensetzung verstärkt oder diesen vermittelt werden soll. Wenn beispielsweise ein tetrafunktionelles Silan (z.B. Tetraethylorthosilicat) als das Silan-Additiv verwendet und in eine Beschichtungszusammensetzung gemäß der vorliegenden Erfindung eingearbeitet wird, wird die Abriebfestigkeit stark erhöht, während gleichzeitig die vorteilhaften Eigenschaften von Haftung und Beständigkeit gegen Rissbildung erhalten bleiben.

Bei bestimmten Anwendungen ist es nützlich, der Beschichtungszusammensetzung kolloidales Siliciumdioxid zuzusetzen. Kolloidales Siliciumdioxid ist kommerziell unter einer Reihe von verschiedenen Handelsbezeichnungen verfügbar, einschließlich Nalcoag® (Nalco Chemical Co., Naperville, IL); Nyacol® (Nyacol Products, Inc., Ashland, MA); Snowtex® (Nissan Chemical Industries, Ltd., Tokyo, Japan); Ludox® (DuPont Company, Wilmington, Delaware); und Highlink OG® (Hoechst Celanese, Charlotte, NC). Das kolloidale Siliciumdioxid ist eine wässrige oder eine Dispersion von partikulärem Siliciumdioxid in organischem Lösemittel, wobei die zahlreichen Produkte hauptsächlich hinsichtlich der Partikelgröße, der Konzentration von Siliciumdioxid, des pH-Wertes, des Vorhandenseins von stabilisierenden Ionen, dem Lösemittelzuschnitt und dergleichen differieren. Es sollte beachtet werden, dass durch die Wahl unterschiedlicher kolloidaler Siliciumdioxide weitgehend unterschiedliche Produkteigenschaften erhalten werden können.

Bei Zusatz einer Beschichtungszusammensetzung ist kolloidales Siliciumdioxid als ein reaktionsfähiges Material anzusehen. Die Oberfläche des Siliciumdioxids ist mit Silicium-gebundenen Hydroxylen bedeckt, von denen einige deprotoniert sind, die mit Materialien in der erfindungsgemäßen Beschichtungszusammensetzung wechselwirken können. Der Umfang dieser Wechselwirkungen wird von einer Vielzahl von Faktoren bestimmt, einschließlich Lösemittelsystem, pH-Wert, Konzentration und Ionenstärke. Außerdem beeinflusst diese Wechselwirkungen der Herstellungsprozess. Dieses kolloidale Siliciumdioxid kann in eine Rezeptur zum Beschichten auf unterschiedliche Weise mit verschiedenen Ergebnissen zugesetzt werden.

Es ist beobachtet worden, dass die Zugabe von kolloidalem Siliciumdioxid zu den Beschichtungszusammensetzungen der vorliegenden Erfindung die Abriebfestigkeit der gehärteten Beschichtungszusammensetzungen weiter verbessern kann und weiter zur Gesamtstabilität der Beschichtungszusammensetzungen beitragen kann. Die weitaus ausgeprägtesten Ergebnisse sind mit der Verwendung von wässrigen, basischen kolloidalem Siliciumdioxid erzielt worden, d.h. wässrigen Mischungen von kolloidalem Siliciumdioxid, die einen pH-Wert größer als 7 haben. In solchen Fällen ist der hohe pH-Wert von einer höheren Konzentration eines stabilisierenden Gegenions begleitet, wie beispielsweise dem Natrium-Kation. Gehärtete Beschichtungen, die aus den Beschichtungszusammensetzungen der vorliegenden Erfindung aufgebaut wurden und die basische kolloidale Siliciumdioxide enthalten, zeigen eine verbesserte Abriebfestigkeit und Stabilität.

In der gleichen Weise ist es möglich, andere Metalloxide den Beschichtungszusammensetzungen der vorliegenden Erfindung zuzusetzen. Derartige Zusätze können anstelle oder zusätzlich zu jedem der kolloidalen Siliciumdioxid-Zugaben vorgenommen werden. Es können Metalloxide zugesetzt werden, um den erfindungsgemäßen Beschichtungen spezielle Eigenschaften der gehärteten Beschichtung zu vermitteln oder diese zu verstärken, wie beispielsweise Abriebfestigkeit, Brechzahl, antistatisches Verhalten, Antireflexionsvermögen, Wetterfestigkeit usw. Von der Fachwelt gilt als anerkannt, dass ähnliche Gesichtspunkte, wie sie für kolloidale Siliciumdioxidzusätze gelten, auch in allgemeinerer Form für Zusätze des Metalloxids gelten.

Beispiele für Metalloxide, die in den Beschichtungszusammensetzungen der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, schließen Siliciumdioxid ein, Zirconiumdioxid, Titandioxid, Cer(IV)-oxid, Zinnoxid, Antimonoxid, Eisenoxid und Mischungen davon.

Die Menge des in die Beschichtungszusammensetzungen der vorliegenden Erfindung eingebauten kolloidalen Siliciumdioxids kann stark schwanken und wird in der Regel von den gewünschten Eigenschaften der Beschichtungszusammensetzung und der daraus erzeugten gehärteten Beschichtung abhängen. In ähnlicher Weise kann die Menge der Metalloxide, die in die Beschichtungszusammensetzungen der vorliegenden Erfindung eingearbeitet werden, stark schwanken und wird in der Regel von den gewünschten physikalischen und optischen Eigenschaften der aus den Beschichtungszusammensetzungen erzeugten gehärteten Beschichtung abhängen sowie von der gewünschten Stabilität der Beschichtungszusammensetzungen.

Wenn kolloidales Siliciumdioxid und/oder Metalloxide in die Beschichtungszusammensetzungen der vorliegenden Erfindung eingearbeitet werden, ist es wünschenswert, etwa 0,1% bis etwa 75 Gew.% bezogen auf die Gesamtfeststoffe an kolloidalem Siliciumdioxid und/oder Metalloxiden zuzusetzen. Das kolloidale Siliciumdioxid und/oder Metalloxide werden in der Regel eine Partikelgröße im Bereich von 2 bis 150 Nanometer Durchmesser haben und was noch wünschenswerter ist, eine Partikelgröße im Bereich von etwa 2 bis 50 Nanometer.

Obgleich ein Kondensationskatalysator kein wesentlicher Bestandteil der Beschichtungszusammensetzungen der vorliegenden Erfindung ist, kann die Zugabe eines Kondensationskatalysators Haftung, Beständigkeit gegen Rissbildung, Abriebfestigkeit und andere Eigenschaften der Beschichtung, einschließlich Stabilität, Färbevermögen, Porosität, Kosmetik, Ätzbeständigkeit, Wasserfestigkeit und dergleichen beeinflussen. Bei Einsatz eines Kondensationskatalysators kann die Menge des verwendeten Katalysators stark variieren wird jedoch in der Regel etwa 0,05% bis etwa 20 Gew.% bezogen auf die Feststoffe der Zusammensetzung betragen.

Beispiele für Katalysatoren, die in die Beschichtungszusammensetzungen der vorliegenden Erfindung eingearbeitet werden können sind: (i) Metallacetylacetonate, (ii) Diamide, (iii) Imidazole, (iv) Amine und Ammoniumsalze, (v) organische Sulfonsäuren und deren Aminsalze, (vi) Alkalimetallsalze von Carbonsäuren, (vii) Alkalimetallhydroxide, (viii) Fluoridsalze und (ix) Organostannate. Diese Beispiele von Katalysatoren schließen für die Gruppe (i) solche Verbindungen wie Aluminium-, Zink-, Eisen- und Cobaltacetylacetonate ein; bei Gruppe (ii) Dicyandiamid; bei Gruppe (iii) solche Verbindungen wie 2-Methylimidazol, 2-Ethyl-4-methylimidazol und 1-Cyanoethyl-2-propylimidazol; bei Gruppe (iv) solche Verbindungen wie Benzyldimethylamin und 1,2-Diaminocyclohexan; bei Gruppe (v) solche Verbindungen wie Trifluormethansulfonsäure; bei Gruppe (vi) solche Verbindungen wie Natriumacetat; bei Gruppe (vii) solche Verbindungen wie Natriumhydroxid und Kaliumhydroxid; bei Gruppe (viii) Tetra-n-butylammoniumfluorid und bei Gruppe (ix) Dibutylzinndilaurat und dergleichen.

Es kann eine wirksame Menge eines Einebnungsmittels oder eines Mittels zur Flusskontrolle in die Zusammensetzung eingearbeitet werden, um die Zusammensetzung auf der Oberfläche des Substrats gleichmäßiger auszubreiten oder zu ebnen und einen weitgehend gleichförmigen Kontakt mit dem Substrat zu vermitteln. Die Menge des Einebnungsmittels oder des Mittels zur Flusskontrolle kann stark variiert werden, ist aber in der Regel eine ausreichende Menge, um der Beschichtungszusammensetzung etwa 10 bis etwa 50.000 ppm Einebnungsmittel oder Mittel zur Flusskontrolle bereitzustellen. Zum Einsatz kann jedes beliebige konventionelle, kommerziell verfügbare Einebnungsmittel oder Mittel zur Flusskontrolle gelangen, das mit der Beschichtungszusammensetzung und dem Substrat kompatibel ist und das in der Lage ist, die Beschichtungszusammensetzung auf einem Substrat einzuebnen und das die Benetzung zwischen der Beschichtungszusammensetzung und dem Substrat verbessert. Die Verwendung von Einebnungsmitteln und Mitteln zur Flusskontrolle ist auf dem Gebiet gut bekannt und beschrieben worden in "Handbook of Coating Additives" (Herausg. Leonard J. Calbo, pub. Marcel Dekker) S. 119–145.

Beispiele für derartige Einebnungsmittel oder Mittel zur Flusskontrolle, die in die Beschichtungszusammensetzungen der vorliegenden Erfindung eingearbeitet werden können, schließen organische Polyether ein, wie beispielsweise Triton X-100, X-405, N-57 von Rohm and Haas, Silicone, wie beispielsweise "Paint Additive 3", "Paint Additive 29", "Paint Additive 57" von Dow Corning, SILWET L-77 und SILWET L-7600 von OSi Specialties sowie Fluor-Tenside, wie beispielsweise FLUORAD FC-171, FLUORAD FC-430 und FLUORAD FC-431 von der 3M Corporation.

Darüber hinaus lassen sich zu den Beschichtungszusammensetzungen der vorliegenden Erfindung andere Additive zugeben, um die Anwendbarkeit der Beschichtungszusammensetzungen oder durch Härten der Beschichtungszusammensetzungen erzeugten Beschichtungen zu verbessern. Beispielsweise können UV-Schutzmittel, Antioxidantien und dergleichen in die Beschichtungszusammensetzungen der vorliegenden Erfindung nach Erfordernis eingearbeitet werden.

Die Beschichtungszusammensetzungen der vorliegenden Erfindung können mit Hilfe einer Vielzahl von Prozesses angesetzt werden, um stabile Beschichtungszusammensetzungen bereitzustellen, die beim Härten weitgehend transparente, abriebfeste Beschichtungen erzeugen, die über Haftung und Beständigkeit gegen Rissbildung verfügen. Beispielsweise können das Epoxy-funktionelle Silan, das Disilan und die Carbonsäure-Komponente der wässrigen organischen Lösemittellösung zugesetzt werden und für eine Zeitdauer gerührt werden, mit der wirksam eine Beschichtungszusammensetzung erzeugt wird, die über eine verbesserte Stabilität verfügt. Nach dem Härten verfügen derartige abriebfeste Beschichtungszusammensetzungen über verbesserte Haftung und erhöhte Stabilität gegenüber Rissbildung, wenn die hierin beschriebenen Testmethoden eingesetzt werden. Beim Einarbeiten eines Kondensationskatalysators in die wässrigen organischen Lösemittelmischungen, die das Epoxy-funktionelle Silan, das Disilan und die Carbonsäure-Komponenten enthalten, werden jedoch die Bayer-Zahlen der aus derartigen Beschichtungszusammensetzungen erzeugten gehärteten Beschichtungen in der Regel erhöht, was auf eine abriebfestere Beschichtung hinweist.

Das bevorzugte Verfahren zum Ansetzen der Beschichtungszusammensetzungen der vorliegenden Erfindung besteht in der anfänglichen Hydrolyse des Epoxy-funktionellen Silans durch Zugabe des Silans zu deionisiertem Wasser. Danach folgt eine Zugabe einer Lösung der Carbonsäure-Komponente in den Lösemittelbestandteil. Das Disilan wird sodann zu der vorgenannten Mischung zugegeben und für eine ausreichende Zeitdauer gerührt, um die Hydrolyse des Disilans zu ermöglichen. Sofern ein Silan-Additiv in Kombination mit der Disilan-Verbindung und dem Epoxy-funktionellen Silan verwendet wird, hängt die Reihenfolge der Zugabe von der Beschaffenheit des Silan-Additivs ab. Die Art der Zugabe des Silan-Additivs in Bezug auf das Disilan und/oder das Epoxy-funktionelle Silan, z.B. als ein Gemisch oder durch aufeinanderfolgende Zugabe, kann so zur Anwendung gelangen, dass die Endeigenschaften der Beschichtungszusammensetzung und des daraus gehärteten Produktes beeinflusst werden. Nach Erfordernis kann ein kolloidales Metalloxid und/oder ein Kondensationskatalysator und/oder ein Tensid zum Einebnen und zur Verbesserung des Fließens der fertigen Beschichtungszusammensetzung zugegeben werden.

Die Beschichtungszusammensetzungen der vorliegenden Erfindung können auf feste Substrate mit Hilfe konventioneller Methoden aufgetragen werden, wie beispielsweise Flow-Coating, Spritzbeschichten, Flor-Streichverfahren, Tauchbeschichten, Schleuderbeschichten, Walzenbeschichtung, usw., um einen zusammenhängenden Oberflächenfilm zu erzeugen. Es kann jedes beliebige, mit den zu beschichtenden Zusammensetzungen kompatible Substrat beschichtet werden, wie beispielsweise Kunststoffe, Holz, Papier, Metall, bedruckte Oberflächen, Leder, Glas, Keramikwerkstoffe, Glaskeramik, auf Mineralien beruhende Materialien und Textilien. Die Zusammensetzungen sind speziell als Beschichtungen für synthetische organische polymere Substrate in Form von Flächengebilden oder Folien verwendbar, wie beispielsweise Acrylpolymere, Poly(ethylenterephthalat), Polycarbonate, Polyamide, Polyimide, Copolymere von Acrylnitril/Styrol, Styrol/Acrylnitril/Butadien-Copolymere, Polyvinylchlorid, Butyrate, Polyethylen und dergleichen. Transparente, polymere Materialien, die mit diesen Zusammensetzungen beschichtet sind, sind als ebene oder gekrümmte Umschließungen verwendbar, wie beispielsweise Fenster, LCD-Displays, Dachfenster und Windschutzscheiben, speziell bei Transportanlagen. Kunststofflinsen, wie beispielsweise ophthalmische Linsen aus Acrylharz oder Polycarbonat, können ebenfalls mit den erfindungsgemäßen Zusammensetzungen beschichtet werden.

Durch geeignete Auswahl der Zubereitung, der Auftragsbedingungen und der Vorbehandlung (einschließlich der Verwendung von Grundierungen) des Substrats, können die Beschichtungszusammensetzungen der vorliegenden Erfindung an im Wesentlichen allen festen Oberflächen zum Haften gebracht werden. Abriebfeste Beschichtungen, die über verbesserte Haftung und Beständigkeit gegen Rissbildung verfügen, lassen sich aus Beschichtungszusammensetzungen der vorliegenden Erfindung erhalten, indem bei Temperaturen im Bereich von etwa 50° bis etwa 200°C für eine Dauer von etwa 5 min bis etwa 18 Stunden eine Warmhärtung erfolgt. Die Schichtdicke lässt sich mit Hilfe der speziellen Auftragsmethode variieren, wobei im Allgemeinen Schichten mit einer Dicke von etwa 0,5 bis etwa 20 &mgr;m und noch wünschenswerter von etwa 1 bis etwa 10 &mgr;m zum Einsatz gelangen.

Um die vorliegende Erfindung noch weiter zu veranschaulichen, werden die folgenden Beispiele gegeben. Es gilt jedoch als selbstverständlich, dass die Beispiele lediglich veranschaulichende Aufgaben haben und nicht so auszulegen sind, dass sie den Geltungsbereich der vorliegenden Erfindung einschränken.

Beispiele Prozeduren Prozedur A:

Es wurden geätzte Poly(diethylenglykol-bis-allylcarbonat)-Linsen und Plaques (bezeichnet als ADC-Linsen oder ADC-Plaques) zum Beschichten und Testen verwendet. Die ADC-Linsen und -Plaques wurden durch Kontakt mit einer 10%igen Kaliumhydroxid-Lösung von 1:1 Gewicht Polypropylenglykolmethylether und Wasser für eine Dauer von etwa 10 min geätzt. Die Linsen und/oder Plaques wurden durch Tauchbeschichten unter Anwendung einer vorgegebenen Entnahmerate in Einheiten von inch pro Minute (ipm) beschichtet. Die beschichteten Linsen und/oder Plaques wurden bei einer Temperatur von 110°C für 3 Stunden gehärtet. Die gehärteten beschichteten Linsen und/oder Plaques wurden den vorgenannten Testprozeduren unterzogen, um Haftung, Beständigkeit gegenüber Rissbildung und Abriebfestigkeit zu ermitteln.

Beispiel 1A:

Es wurden 110,0 g 3-Glycidoxypropyltrimethoxysilan (GPTMS) tropfenweise zu 281,5 g deionisiertem Wasser unter Rühren zugesetzt. Die wässrige GPTMS-Mischung wurde für näherungsweise 1,5 Stunden gerührt. Es wurde eine Lösung mit einem Gehalt von 281,5 g Isopropanol (IPA) und 15,2 g Essigsäure (AcOH) rasch zu der wässrigen GPTMS-Mischung zugesetzt. Nach dem Rühren für 2 Stunden wurden 411,8 g Bis(triethoxysilyl)ethan (BSE) tropfenweise zu der Mischung unter Rühren zugesetzt. Die resultierende Mischung wurde über Nacht gerührt, um eine Beschichtungszusammensetzung zu erzeugen, die einen pH-Wert von näherungsweise 4,2 hatte. Die Beschichtungszusammensetzung wurde auf die geätzten ADC-Linsen nach der Prozedur A bei einer Entnahmerate von 6 ipm geätzt, um eine gehärtete Beschichtung mit einer Dicke von etwa 1,9 &mgr;m und einer Bayer-Zahl von 2,4 zu gewähren. Die Daten für die Haftung und Beständigkeit gegen Rissbildung sind in Tabelle 1 zusammengestellt.

Beispiel 1B:

Es wurden 0,12 g Benzyldimethylamin (BDMA) zu 380 g der Beschichtungszusammensetzung in Beispiel 1A gegeben, um eine Zusammensetzung mit einem pH-Wert von 5,1 zu erhalten. Nach dem Rühren für etwa 3 Stunden wurde die Beschichtungszusammensetzung auf die geätzten ADC-Linsen nach der Prozedur A aufgetragen mit einer Entnahmerate von 6 ipm, um eine gehärtete Beschichtung mit einer Dicke von etwa 2,3 &mgr;m und einer Bayer-Zahl von 3,2 zu gewähren. Die Daten der Haftung und Beständigkeit gegen Rissbildung sind in Tabelle 1 zusammengestellt.

Beispiel 1C:

Es wurden 0,8 g 1 N NaOH zu 380 g der Beschichtungszusammensetzung in Beispiel 1A gegeben, um eine Zusammensetzung mit einem pH-Wert von 5,1 zu erhalten. Nach dem Rühren für etwa 3 Stunden wurde die Beschichtungszusammensetzung auf die geätzten ADC-Linsen nach der Prozedur A aufgetragen, und zwar mit einer Entnahmerate von 6 ipm, um eine gehärtete Beschichtung mit einer Dicke von etwa 2,3 &mgr;m und einer Bayer-Zahl von 4,0 zu gewähren. Die Daten der Haftung und Beständigkeit gegen Rissbildung sind in Tabelle 1 zusammengestellt.

Beispiel 2A:

Es wurden 43,5 g GPTMS tropfenweise zu 95,7 g deionisiertem Wasser unter Rühren zugesetzt. Die wässrige Mischung wurde für näherungsweise 1,25 Stunden gerührt. Zu der wässrigen GPTMS-Mischung wurde eine Lösung mit einem Gehalt von 95,7 g IPA und 6,0 g AcOH rasch zugesetzt. Nach dem Rühren für 1,5 Stunden wurde das gerührte Gemisch von 107,4 g BSE und 31,6 g Tetraethylorthosilicat (TEOS) tropfenweise zu der Mischung unter Rühren zugesetzt. Die resultierende Mischung wurde über Nacht gerührt, um eine Beschichtungszusammensetzung zu erzeugen. Es wurden 0,18 g FC-430 (3M) zu der Beschichtungszusammensetzung zugesetzt, um Fließen und Verlaufen zu verbessern. Die resultierende Beschichtungszusammensetzung wurde für eine weitere Stunde gerührt. Der abschließende pH-Wert der Zusammensetzung betrug näherungsweise 4,2. Die Beschichtungszusammensetzung wurde auf die geätzten ADC-Linsen nach der Prozedur A mit einer Entnahmerate von 2 ipm aufgetragen, um eine gehärtete Beschichtung mit einer Dicke von etwa 2,2 &mgr;m und einer Bayer-Zahl von 3,3 zu gewähren. Die Daten für die Haftung und Beständigkeit gegen Rissbildung sind in Tabelle 1 zusammengestellt.

Beispiel 2B:

Es wurden 0,1 g BDMA zu 180 g der Beschichtungszusammensetzung in Beispiel 2A gegeben, um eine Zusammensetzung mit einem pH-Wert von 5,1 zu erhalten. Nach dem Rühren für etwa 3 Stunden wurde die Beschichtungszusammensetzung auf die geätzten ADC-Linsen nach der Prozedur A mit einer Entnahmerate von 2 ipm aufgetragen, um eine gehärtete Beschichtung mit einer Dicke von etwa 2,4 &mgr;m und einer Bayer-Zahl von 3,7 zu gewähren. Die Daten der Haftung und Beständigkeit gegen Rissbildung sind in Tabelle 1 zusammengestellt.

Beispiel 2C:

Es wurden 52,6 g GPTMS tropfenweise zu 71,0 g deionisiertem Wasser unter Rühren zugegeben. Die wässrige Mischung wurde für näherungsweise 4 Stunden gerührt. Es wurde eine Lösung mit einem Gehalt von 100,8 g IPA und 7,3 g AcOH rasch zu der wässrigen GPTMS-Mischung zugegeben. Nach dem Rühren für 1,5 Stunden wurde unter Rühren eine Mischung von 46,9 g BSE und 73,6 g TEOS tropfenweise zu der gerührten Mischung zugegeben. Nach dem Rühren über Nacht wurden 27,8 g Nalco 1115 als kolloidales Siliciumdioxid zu der vorgenannten Mischung durch schnelles Eingießen zugesetzt. Die resultierende Mischung wurde über Nacht gerührt, um eine Beschichtungszusammensetzung zu erzeugen. Zu der Beschichtungszusammensetzung wurden 0,38 g FC-430 (3M) zugesetzt, um das Fließen und Einebnen zu unterstützen. Die resultierende Beschichtungszusammensetzung wurde für eine weitere Stunde gerührt. Die Beschichtungszusammensetzung wurde auf die geätzten ADC-Linsen nach der Prozedur A bei einer Entnahmerate von 2 ipm aufgetragen, um eine gehärtete Beschichtung mit einer Dicke von etwa 3,6 &mgr;m und einer Bayer-Zahl von 6,6 zu gewähren.

Beispiel 3A:

Es wurden 107,9 g GPTMS tropfenweise zu 286,0 g deionisiertem Wasser unter Rühren zugesetzt. Die wässrige Mischung wurde für näherungsweise 1,5 Stunden gerührt. Zu der wässrigen GPTMS-Mischung wurde eine Lösung mit einem Gehalt von 286,0 g IPA und 16,2 g Itaconsäure (ITA) rasch zugesetzt. Nach dem Rühren für 2 Stunden wurden tropfenweise zu der gerührten Mischung 404,0 g BSE zugesetzt. Die resultierende Mischung wurde über Nacht gerührt, um eine Beschichtungszusammensetzung zu erzeugen, die einen pH-Wert von näherungsweise 3,9 besaß. Die Beschichtungszusammensetzung wurde auf die geätzten ADC-Linsen nach der Prozedur A mit einer Entnahmegeschwindigkeit von 6 ipm aufgetragen, um eine gehärtete Beschichtung mit einer Dicke von etwa 2,5 &mgr;m und einer Bayer-Zahl von 2,5 zu gewähren. Die Daten der Haftung und Beständigkeit gegenüber Rissbildung sind in Tabelle 1 zusammengestellt.

Beispiel 3B:

Es wurden 0,9 g BDMA zu 380 g der Beschichtungszusammensetzung in Beispiel 3A gegeben, um eine Zusammensetzung mit einem pH-Wert von 5,1 zu erhalten. Nach dem Rühren für etwa 3 Stunden wurde die Beschichtungszusammensetzung auf die geätzten ADC-Linsen nach der Prozedur A mit einer Entnahmerate von 6 ipm aufgetragen, um eine gehärtete Beschichtung mit einer Dicke von etwa 2,3 &mgr;m und einer Bayer-Zahl von 5,1 zu gewähren. Die Daten der Haftung und Beständigkeit gegen Rissbildung sind in Tabelle 1 zusammengestellt.

Beispiel 3C:

Es wurden 2,4 g 1 N NaOH zu 380 g der Beschichtungszusammensetzung in Beispiel 3A gegeben, um eine Zusammensetzung mit einem pH-Wert von 5,1 zu erhalten. Nach dem Rühren für etwa 3 Stunden wurde die Beschichtungszusammensetzung auf die geätzten ADC-Linsen nach der Prozedur A aufgetragen, und zwar mit einer Entnahmerate von 6 ipm, um eine gehärtete Beschichtung mit einer Dicke von etwa 1,9 &mgr;m und einer Bayer-Zahl von 5,7 zu gewähren. Die Daten der Haftung und Beständigkeit gegen Rissbildung sind in Tabelle 1 zusammengestellt.

Beispiel 3D:

Es wurden 18,4 g GPTMS tropfenweise zu 36,7 g deionisiertem Wasser unter Rühren zugegeben. Die wässrige Mischung wurde für näherungsweise 3 Stunden gerührt. Es wurde eine Lösung mit einem Gehalt von 52,1 g IPA und 2,8 g ITA rasch zu der wässrigen GPTMS-Mischung zugegeben. Nach dem Rühren für 30 min wurden 60,2 g BSE tropfenweise zu der gerührten Mischung zugegeben. Nach dem Rühren über Nacht wurden 9,7 g Nalco 1115 als kolloidales Siliciumdioxid zu der vorgenannten Mischung durch schnelles Eingießen zugesetzt. Die resultierende Mischung wurde über Nacht gerührt, um eine Beschichtungszusammensetzung zu erzeugen. Es wurden 0,18 g FC-430 (3M) zu der Beschichtungszusammensetzung zugesetzt, um das Fließen und Einebnen zu unterstützen. Die resultierende Beschichtungszusammensetzung wurde für eine weitere Stunde gerührt. Die Beschichtungszusammensetzung wurde auf die geätzten ADC-Linsen nach der Prozedur A bei einer Entnahmerate von 2 ipm aufgetragen, um eine gehärtete Beschichtung mit einer Dicke von etwa 2,6 &mgr;m und einer Bayer-Zahl von 5,8 zu gewähren.

Beispiel 4A:

Es wurden 43,2 g GPTMS tropfenweise zu 101,1 g einer 0,05 N Lösung HCl in deionisiertem Wasser unter Rühren zugesetzt. Die wässrige Mischung wurde für näherungsweise 30 min gerührt. Es wurde eine Lösung mit einem Gehalt von 101,1 g IPA und 6,5 g Itaconsäure (ITA) rasch zu der wässrigen GPTMS-Mischung zugesetzt. Nach dem Rühren für 30 min wurde eine gerührte Mischung von 106,7 g BSE und 31,4 g TEOS tropfenweise zu der gerührten Mischung zugesetzt. Die resultierende Mischung wurde über Nacht gerührt, um eine Beschichtungszusammensetzung zu erzeugen. Es wurden 0,38 g FC-430 (3M) zu der Beschichtungszusammensetzung zugesetzt, um Fließen und Verlaufen zu verbessern. Die resultierende Beschichtungszusammensetzung wurde für eine weitere Stunde gerührt. Der abschließende pH-Wert der Zusammensetzung betrug näherungsweise 3,7. Die Beschichtungszusammensetzung wurde auf die geätzten ADC-Linsen nach der Prozedur A mit einer Entnahmerate von 2 ipm aufgetragen, um eine gehärtete Beschichtung mit einer Dicke von etwa 3,4 &mgr;m und einer Bayer-Zahl von 3,5 zu gewähren. Die Daten für die Haftung und Beständigkeit gegen Rissbildung sind in Tabelle 1 zusammengestellt.

Beispiel 4B:

Es wurden 1,1 g BDMA zu 380 g der Beschichtungszusammensetzung in Beispiel 4A gegeben, um eine Zusammensetzung mit einem pH-Wert von 5,1 zu erhalten. Nach dem Rühren für etwa 3 Stunden wurde die Beschichtungszusammensetzung auf die geätzten ADC-Linsen nach der Prozedur A mit einer Entnahmerate von 2 ipm aufgetragen, um eine gehärtete Beschichtung mit einer Dicke von etwa 2,5 &mgr;m und einer Bayer-Zahl von 8,1 zu gewähren. Die Daten der Haftung und Beständigkeit gegen Rissbildung sind in Tabelle 1 zusammengestellt.

Beispiel 5A:

Es wurden 43,2 g GPTMS tropfenweise zu 101,1 g deionisiertem Wasser unter Rühren zugesetzt. Die wässrige Mischung wurde für näherungsweise 4 Stunden gerührt. Es wurde eine Lösung mit einem Gehalt von 101,1 g IPA und 6,5 g Itaconsäure (ITA) rasch zu der wässrigen GPTMS-Mischung zugesetzt. Nach dem Rühren für 1,5 Stunden wurde eine gerührte Mischung von 106,7 g BSE und 31,4 g TEOS tropfenweise zu der gerührten Mischung zugesetzt. Die resultierende Mischung wurde über Nacht gerührt, um eine Beschichtungszusammensetzung zu erzeugen. Es wurden 0,38 g FC-430 (3M) zu der Beschichtungszusammensetzung zugesetzt, um das Fließen und Einebnen zu unterstützen. Die resultierende Beschichtungszusammensetzung wurde für eine weitere Stunde gerührt. Der abschließende pH-Wert der Zusammensetzung betrug näherungsweise 3,7. Die Beschichtungszusammensetzung wurde auf die geätzten ADC-Linsen nach der Prozedur A mit einer Entnahmerate von 2 ipm aufgetragen, um eine gehärtete Beschichtung mit einer Dicke von etwa 3,4 &mgr;m und einer Bayer-Zahl von 3,5 zu gewähren. Die Daten für die Haftung und Beständigkeit gegen Rissbildung sind in Tabelle 1 zusammengestellt.

Beispiel 5B:

Es wurden 1,1 g BDMA zu 380 g der Beschichtungszusammensetzung in Beispiel 5A gegeben, um eine Zusammensetzung mit einem pH-Wert von 5,1 zu erhalten. Nach dem Rühren für etwa 3 Stunden wurde die Beschichtungszusammensetzung auf die geätzten ADC-Linsen nach der Prozedur A mit einer Entnahmerate von 2 ipm aufgetragen, um eine gehärtete Beschichtung mit einer Dicke von etwa 2,5 &mgr;m und einer Bayer-Zahl von 5,9 zu gewähren. Die Daten der Haftung und Beständigkeit gegen Rissbildung sind in Tabelle 1 zusammengestellt.

Beispiel 5C:

Es wurden 49,1 g GPTMS tropfenweise zu 80,6 g deionisiertem Wasser unter Rühren zugegeben. Die wässrige Mischung wurde für näherungsweise 3 Stunden gerührt. Es wurde eine Lösung mit einem Gehalt von 114,5 g IPA und 7,4 g ITA rasch zu der wässrigen GPTMS-Mischung zugegeben. Nach dem Rühren für 30 min wurde unter Rühren eine Mischung von 43,8 g BSE und 68,6 g TEOS tropfenweise zu der gerührten Mischung zugegeben. Nach dem Rühren über Nacht wurden 26,0 g Nalco 1115 als kolloidales Siliciumdioxid zu der vorgenannten Mischung durch schnelles Eingießen zugesetzt. Die resultierende Mischung wurde über Nacht gerührt, um eine Beschichtungszusammensetzung zu erzeugen. Zu der Beschichtungszusammensetzung wurden 0,39 g FC-430 (3M) zugesetzt, um das Fließen und Einebnen zu unterstützen. Die resultierende Beschichtungszusammensetzung wurde für eine weitere Stunde gerührt. Die Beschichtungszusammensetzung wurde auf die geätzten ADC-Linsen nach der Prozedur A bei einer Entnahmerate von 2 ipm aufgetragen, um eine gehärtete Beschichtung mit einer Dicke von etwa 2,3 &mgr;m und einer Bayer-Zahl von 9,1 zu gewähren. Die Daten der Haftung und Beständigkeit gegen Rissbildung sind in Tabelle 1 zusammengestellt.

Beispiel 5D:

Es wurden 43,3 g GPTMS tropfenweise zu 82,1 g deionisiertem Wasser unter Rühren zugegeben. Die wässrige Mischung wurde für näherungsweise 4,5 Stunden gerührt. Es wurde eine Lösung mit einem Gehalt von 116,6 g IPA und 6,5 g ITA rasch zu der wässrigen GPTMS-Mischung zugegeben. Nach dem Rühren für 1,5 Stunden wurde eine gerührte Mischung von 85,1 g BSE und 33,4 g TEOS tropfenweise zu der gerührten Mischung zugegeben. Nach dem Rühren über Nacht wurden 22,9 g Nalco 1115 als kolloidales Siliciumdioxid zu der vorgenannten Mischung durch schnelles Eingießen zugesetzt. Die resultierende Mischung wurde über Nacht gerührt, um eine Beschichtungszusammensetzung zu erzeugen. Es wurden 0,39 g FC-430 (3M) zu der Beschichtungszusammensetzung zugesetzt, um das Fließen und Einebnen zu unterstützen. Die resultierende Beschichtungszusammensetzung wurde für eine weitere Stunde gerührt. Die Beschichtungszusammensetzung wurde auf die geätzten ADC-Linsen nach der Prozedur A bei einer Entnahmerate von 2 ipm aufgetragen, um eine gehärtete Beschichtung mit einer Dicke von etwa 2,3 &mgr;m und einer Bayer-Zahl von 8,8 zu gewähren. Die Daten der Haftung und Beständigkeit gegen Rissbildung sind in Tabelle 1 zusammengestellt.

Beispiel 5E:

Es wurden 44,1 g GPTMS tropfenweise zu einer gerührten Lösung von 103,0 g deionisiertem Wasser, 127,8 g PM-Glykolether (PMOH) und 6,1 g ITA gegeben. Die vorgenannte wässrige-organische Mischung wurde für näherungsweise 2 Stunden gerührt. Zu dieser Mischung wurden 52,9 g BSE und 20,7 g TEOS tropfenweise unter Rühren zugesetzt. Nach dem Rühren über Nacht wurde eine Portion von 12,5 g Ludox HS-30 (Du Pont) zu der vorgenannten Mischung durch schnelles Eingießen zugegeben. Die resultierende Mischung wurde für 4 Stunden gefolgt von einer Zugabe einer Portion von 24,9 g von 1115 (Nalco) durch schnelles Eingießen gerührt. Die resultierende Mischung wurde über Nacht gerührt, um eine Beschichtungszusammensetzung zu erzeugen. Der Beschichtungszusammensetzung wurden 0,29 g FC-430 (3M) zugesetzt um das Fließen und Einebnen zu unterstützen. Die resultierende Beschichtungszusammensetzung wurde für weitere 3 Stunden gerührt. Die Beschichtungszusammensetzung wurde auf die geätzten ADC-Linsen nach der Prozedur A bei einer Entnahmerate von 2 ipm aufgetragen, um eine gehärtete Beschichtung mit einer Dicke von 1,9 &mgr;m und einer Bayer-Zahl von 10,4 zu gewähren.

Beispiel 6:

Es wurden 1.976 g GPTMS langsam zu 3.382 g deionisiertem Wasser unter Rühren zugegeben. Die wässrige GPTMS-Mischung wurde über Nacht gerührt. Es wurden 296 g ITA in 3.501 g IPA aufgelöst und stoßweise der vorgenannten Mischung zugesetzt. Die Mischung wurde für weitere 30 min gerührt, gefolgt von einer langsamen Zugabe von 3.801 g TEOS. Nach dem Rühren über Nacht wurden 1.045 g Nalco 1115 der vorgenannten Mischung durch schnelles Eingießen zugesetzt. Die resultierende Mischung wurde über Nacht gerührt, um eine Beschichtungszusammensetzung zu erzeugen. Zu der Beschichtungszusammensetzung wurden 10,5 g FC-430 (3M) gegeben, um das Fließen und Einebnen zu unterstützen. Die resultierende Beschichtungszusammensetzung wurde für eine weitere Stunde gerührt. Die Beschichtungszusammensetzung wurde auf die geätzten ADC-Linsen nach der Prozedur A mit einer Entnahmerate von 4 ipm aufgetragen, um eine gehärtete Beschichtung mit einer Dicke von 2,6 &mgr;m und einer Bayer-Zahl von 8,5 zu gewähren.

Tabelle 1*

Die vorgenannten Daten zeigen eindeutig, dass unter Verwendung eines Disilans in Kombination mit einem Epoxy-funktionellen Silan und einer Carbonsäure-Komponente sowie verschiedener wahlweiser Materialien, wie beispielsweise Silan-Additive, Co-Hydrolysekatalysatoren, Kondensationskatalysatoren, kolloidale Metalloxide mit einschließlich Siliciumdioxid, entweder die Haftung, die Beständigkeit gegenüber Rissbildung oder die Abriebfestigkeit der gehärteten Beschichtungszusammensetzungen verbessert werden können und durch entsprechende Handhabung dieser Komponenten jede beliebige oder alle vorgenannten beschriebenen Eigenschaften verbessern werden können. Beispielsweise zeigen die Daten, dass Beschichtungszusammensetzungen mit verbesserter Abriebfestigkeit entsprechend der Angabe durch die Bayer-Zahl, die an derartigen Beschichtungszusammensetzungen gemessen wird, erzielt werden können, wenn man eine multifunktionelle Carbonsäure als eine Komponente der Beschichtungszusammensetzung anstelle einer monofunktionellen Carbonsäure einsetzt.

Es können Änderungen im Aufbau und der Funktionsweise der verschiedenen Komponenten, Elemente und Gruppen, wie sie hierin beschrieben wurden, vorgenommen werden, und es können Änderungen in den Schritten oder der Reihenfolge der Schritte der hierin beschriebenen Verfahren vorgenommen werden, ohne vom Grundgedanken und Geltungsbereich der Erfindung abzuweichen, die in den folgenden Ansprüche festgelegt ist.


Anspruch[de]
  1. Zusammensetzung mit verbesserter Stabilität, die bei Aufbringung auf ein Substrat und nach Härtung eine abriebfeste Beschichtung auf dem Substrat gewährt, die eine verbesserte Adhäsion und erhöhte Beständigkeit gegen Rissbildung hat, wobei die Zusammensetzung aufweist: ein wässriges-organisches Lösemittelgemisch, das Hydrolyseprodukte und Teilkondensate eines Epoxy-funktionellen Silans enthält, eine Disilan- und Carbonsäure-Verbindung, worin die Carbonsäure-funktionelle Verbindung ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus monofunktionellen Carbonsäuren, multifunktionellen Carbonsäuren, multifunktionellen Anhydriden; und worin das Epoxy-funktionelle Silan in einem Molverhältnis zu dem Disilan von 0,05:1 bis 5:1 vorliegt und worin ferner das Disilan eine direkte Silicium-Silicium-Bindung oder ein Kohlenstoff-Molekül oder ein Schwefelatom hat, die ein erstes Siliciumatom des Disilans mit dem zweiten Siliciumatom des Disilans verknüpfen.
  2. Zusammensetzung nach Anspruch 1, worin die Hydrolyseprodukte und Teilkondensate des Epoxy-funktionellen Silans und des Disilans in dem wässrigen-organischen Lösemittelgemisch in einer Menge von 10% bis 99,9 Gew.% bezogen auf die Gesamtfeststoffe der Beschichtungszusammensetzung vorliegen und worin die Carbonsäure-funktionelle Verbindung in dem wässrigen-organischen Lösemittelgemisch in einer Menge von 0,1% bis 80 Gew.% bezogen auf das Gesamtgewicht der Beschichtungszusammensetzung vorliegt.
  3. Zusammensetzung nach Anspruch 1 oder 2, worin der Lösemittelbestandteil des wässrigen-organischen Lösemittelgemisches ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus einem Alkohol, einem Ether, einem Glykol, einem Glykolether, einem Ester, einem Keton, einem Glykoletheracetat und Mischungen davon.
  4. Zusammensetzung nach einem der vorgenannten Ansprüche, worin der Lösemittelbestandteil des wässrigen-organischen Lösemittelgemisches ein Alkohol ist, der die allgemeine Formel ROH hat, worin R eine Alkyl-Gruppe mit 1 bis 10 Kohlenstoffatomen ist.
  5. Zusammensetzung nach Anspruch 1, 2 oder 3, worin der Lösemittelbestandteil des wässrigen-organischen Lösemittelgemisches ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus einem Glykol, einem Ether, einem Glykolether und Mischungen davon, der die Formel R1-(OR2)x-OR1 hat, worin, wenn x eine ganze Zahl größer oder gleich 1 ist, jedes R1 unabhängig ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus H oder einer Alkyl-Gruppe, die 1 bis 10 Kohlenstoffatome enthält, worin, wenn x eine Zahl kleiner als 1 ist, R1 eine Alkyl-Gruppe ist, die 1 bis 10 Kohlenstoffatome enthält und worin jede R2-Gruppe unabhängig ausgewählt ist aus einer Alkylen-Gruppe, die 1 bis 10 Kohlenstoffatome enthält.
  6. Zusammensetzung nach Anspruch 1 oder 2, worin das Epoxy-funktionelle Silan zu dem Disilan in einem Molverhältnis von 0,1:1 bis 3:1 vorliegt.
  7. Zusammensetzung nach Anspruch 1, 2 oder 6, worin das Epoxy-funktionelle Silan dargestellt wird durch die Formel R3xSi(OR4)4–x, worin x eine ganze Zahl 1, 2 oder 3 ist und worin jedes R3 unabhängig ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus H, einer Alkyl-Gruppe, einer funktionalisierten Alkyl-Gruppe, einer Alkylen-Gruppe, einer Aryl-Gruppe und einem Alkylether, enthaltend 1 bis 10 Kohlenstoffatome und mit mindestens 1 Epoxy-funktioneller Gruppe, und worin jede R4-Gruppe unabhängig ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus H, einer Alkyl-Gruppe, die 1 bis 5 Kohlenstoffatome enthält, einer Acetyl-Gruppe, einer -Si(ORS)3–yR6y-Gruppe, worin y eine ganze Zahl 0, 1, 2 oder 3 ist, worin jede R5-Gruppe unabhängig ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus H, einer Alkyl-Gruppe, die 1 bis 5 Kohlenstoffatome enthält, einer Acetyl-Gruppe, einer anderen -Si(OR5)3–yR6Y-Gruppe; und worin jede R6-Gruppe unabhängig ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus H, einer Alkyl-Gruppe, einer funktionalisierten Alkyl-Gruppe, einer Alkylen-Gruppe, einer Aryl-Gruppe und einem Alkylether, enthaltend 1 bis 10 Kohlenstoffatome.
  8. Zusammensetzung nach Anspruch 1 oder 2, worin das Disilan dargestellt wird durch die Formel (R7O)xR83–xSi-R9y-SiR103–x(OR11)x, worin x 0, 1, 2 oder 3 ist und y 0 oder 1 ist, worin jede R8- und R10-Gruppe unabhängig ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus H, Cl, Br, einer Alkyl-Gruppe, die 1 bis 10 Kohlenstoffatome enthält, einer funktionalisierten Alkyl-Gruppe, einer Alkylen-Gruppe, einer Aryl-Gruppe, einer Alkylpolyether-Gruppe; worin jede R7- und R11-Gruppe unabhängig ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus H, einer Alkyl-Gruppe, die 1 bis 10 Kohlenstoffatome enthält, und einer Acetyl-Gruppe; worin y 1 ist, R9 ist ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus einer Alkylen-Gruppe, die 1 bis 12 Kohlenstoffatome enthält, einem Alkylenpolyether, der 1 bis 12 Kohlenstoffatome enthält, einer Aryl-Gruppe, einer Alkylen-substituierten Aryl-Gruppe, einer Alkylen-Gruppe, die ein oder mehrere Olefine enthalten kann, oder S; und worin x = 0 gilt, jedes R8 und R10 unabhängig ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Cl und Br; und worin y 0 ist und eine direkte Silicium-Silicium-Bindung vorgesehen ist.
  9. Zusammensetzung nach Anspruch 1 oder 2, worin die Carbonsäure-funktionelle Verbindung dargestellt wird durch die Formel R12(COOR13)x, worin x eine ganze Zahl 1, 2, 3 oder 4 ist, und worin jede R12-Gruppe unabhängig ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus H, einer Alkyl-Gruppe, einer funktionalisierten Alkyl-Gruppe, einer Alkylen-Gruppe, einer Aryl-Gruppe, einer funktionalisierten Aryl-Gruppe und einem Alkylether, enthaltend 1 bis 10 Kohlenstoffatome, und worin jede R13-Gruppe unabhängig ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus H, einer Formyl-Gruppe, einer Carbonyl-Gruppe oder einer Acyl-Gruppe, wobei die Acyl-Gruppe mit einer Alkyl-Gruppe funktionalisiert sein kann, einer funktionalisierten Alkyl-Gruppe, einer Alkylen-Gruppe, einer Aryl-Gruppe, einer funktionalisierten Aryl-Gruppe und einem Alkylether, enthaltend 1 bis 10 Kohlenstoffatome, und worin R12 und R13 gegebenenfalls über eine chemische Bindung verbunden sein können.
  10. Zusammensetzung nach einem der vorgenannten Ansprüche, worin die in dem wässrigen-organischen Lösemittelgemisch vorhandene Wassermenge eine ausreichende Menge ist, um ein weitgehendes homogenes Gemisch von Hydrolyseprodukten und Teilkondensaten des Epoxy-funktionellen Silans und des Disilans bereitzustellen.
  11. Zusammensetzung nach Anspruch 10, worin mindestens ein Teil der Lösemittelkomponente des wässrigen-organischen Lösemittelgemisches erzeugt wird während der Hydrolyse des Epoxy-funktionellen Silans und des Disilans.
  12. Zusammensetzung nach Anspruch 10, die eine wirksame Menge von Cohydrolysekatalysator aufweisen kann, um die Hydrolyseraten der hydrolysierbaren Komponenten zu erhöhen.
  13. Zusammensetzung nach einem der vorgenannten Ansprüche, ferner aufweisend eine wirksame Menge eines Katalysators, um einer durch das Härten der Zusammensetzung erzeugten Beschichtung eine erhöhte Abriebfestigkeit zu vermitteln.
  14. Zusammensetzung nach Anspruch 13, worin die wirksame Menge des Katalysators 0,1% bis 10 Gew.% bezogen auf die Gesamtfeststoffe der Zusammensetzung beträgt.
  15. Zusammensetzung nach einem der vorgenannten Ansprüche, worin das wässrige-organische Lösemittelgemisch ferner eine wirksame Menge eines Verlaufmittels aufweist, um das wässrige-organische Lösemittelgemisch auf dem Substrat auszubreiten und einen weitgehend gleichförmigen Kontakt des wässrigen organischen Lösemittelgemisches mit dem Substrat zu gewähren.
  16. Zusammensetzung nach Anspruch 1 oder 2, worin das wässrige-organische Lösemittelgemisch ferner 0,1% bis 50 Gew.% bezogen auf die Gesamtfeststoffe der Zusammensetzung eine Mischung von Hydrolyseprodukten und Teilkondensaten eines Silan-Additivs aufweist, das dargestellt wird durch die Formel: R14xSi(OR15)4–x worin x eine ganze Zahl 0, 1, 2 oder 3 ist, jede R14-Gruppe ist unabhängig ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus H, einer Alkyl-Gruppe, die 1 bis 10 Kohlenstoffatome enthält, einer funktionalisierten Alkyl-Gruppe, einer Alkylen-Gruppe, einer Aryl-Gruppe und einer Alkylether-Gruppe, worin jede R15-Gruppe unabhängig ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus H, einer Alkyl-Gruppe, die 1 bis 10 Kohlenstoffatome enthält, und einer Acetyl-Gruppe.
  17. Zusammensetzung nach Anspruch 16, worin die in dem wässrigen-organischen Lösemittelgemisch vorhandene Wassermenge eine ausreichende Menge ist, um ein weitgehend homogenes Gemisch von Hydrolyseprodukten und Teilkondensaten des Epoxy-funktionellen Silans, des Disilans und des Silan-Additivs zu gewähren.
  18. Zusammensetzung nach Anspruch 16 oder 17, worin mindestens ein Teil der Lösemittelkomponente des wässrigen-organischen Lösemittelgemisches während der Hydrolyse des Epoxy-funktionellen Silans und des Disilans erzeugt wird.
  19. Zusammensetzung nach Anspruch 17, die eine wirksame Menge Cohydrolysekatalysator aufweisen kann, um die Hydrolyseraten der Silankomponenten zu erhöhen.
  20. Zusammensetzung nach Anspruch 17, die eine wirksame Menge eines Katalysators aufweisen kann, um der während des Härtens der Zusammensetzung erzeugten Beschichtung eine erhöhte Abriebfestigkeit zu vermitteln.
  21. Zusammensetzung nach Anspruch 20, worin die wirksame Menge des Katalysators 0,1% bis 10 Gew.% bezogen auf die Gesamtfeststoffe der Zusammensetzung beträgt.
  22. Zusammensetzung nach einem der vorgenannten Ansprüche, worin das wässrige-organische Lösemittelgemisch ferner eine wirksame Menge eines Verlaufmittels aufweist, um das wässrige-organische Lösemittelgemisch auf dem Substrat auszubreiten und einen weitgehend gleichförmigen Kontakt des wässrigen-organischen Lösemittelgemisches mit dem Substrat zu gewähren.
  23. Zusammensetzung nach Anspruch 1 oder 2, worin das wässrige-organische Lösemittelgemisch ferner eine wirksame Menge von kolloidalem Siliciumdioxid aufweist, um der Zusammensetzung 0,1% bis 50 Gew.% Siliciumdioxid bezogen auf die Gesamtfeststoffe bereitzustellen, die in der Zusammensetzung vorliegen.
  24. Zusammensetzung nach Anspruch 23, worin die in dem wässrigen-organischen Lösemittelgemisch vorhandene Wassermenge eine ausreichende Menge ist, um ein weitgehend homogenes Gemisch des kolloidalen Siliciumdioxids und der Hydrolyseprodukte und Teilkondensate des Epoxy-funktionellen Silans und des Disilans zu gewähren.
  25. Zusammensetzung nach Anspruch 24, worin mindestens ein Teil der Lösemittelkomponente des wässrigen-organischen Lösemittelgemisches während der Hydrolyse des Epoxy-funktionellen Silans und des Disilans erzeugt wird.
  26. Zusammensetzung nach Anspruch 25, worin das wässrige-organische Lösemittelgemisch ferner eine wirksame Menge eines Katalysators aufweist, um der durch das Härten des wässrigen-organischen Lösemittelgemisches erzeugten Beschichtung eine erhöhte Abriebfestigkeit zu gewähren.
  27. Zusammensetzung nach Anspruch 26, worin die wirksame Menge des in dem wässrigen-organischen Lösemittelgemisches vorliegenden Katalysators 0,1% bis 10 Gew.% bezogen auf die Gesamtfeststoffe des wässrigen-organischen Lösemittelgemisches beträgt.
  28. Zusammensetzung nach einem der vorgenannten Ansprüche, worin das wässrige-organische Lösemittelgemisch ferner eine wirksame Menge eines Verlaufmittels aufweist, um das wässrige-organische Lösemittelgemisch auf dem Substrat auszubreiten und einen weitgehend gleichförmigen Kontakt des wässrigen-organischen Lösemittelgemisches mit dem Substrat zu gewähren.
  29. Zusammensetzung nach Anspruch 1 oder 2, worin das wässrige-organische Lösemittelgemisch ferner aufweist: 0,1% bis 50 Gew.% bezogen auf die Gesamtfeststoffe der Zusammensetzung eine Mischung von Hydrolyseprodukten und Teilkondensaten eines Silan-Additivs, dargestellt durch die Formel: R16xSi(OR17)4–x worin x eine ganze Zahl 0, 1, 2 oder 3 ist, jede R16-Gruppe ist unabhängig ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus H, einer Alkyl-Gruppe, die 1 bis 10 Kohlenstoffatome enthält, einer funktionalisierten Alkyl-Gruppe, einer Alkylen-Gruppe, einer Aryl-Gruppe und einer Alkylether-Gruppe, worin jede R17-Gruppe unabhängig ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus H, einer Alkyl-Gruppe, die 1 bis 10 Kohlenstoffatome enthält, einer Acetyl-Gruppe; und eine wirksame Menge von kolloidalem Siliciumdioxid, um der Zusammensetzung 0,1 bis 50 Gew.% Siliciumdioxid bezogen auf die Gesamtfeststoffe, die in der Zusammensetzung vorliegen, bereitzustellen.
  30. Zusammensetzung nach Anspruch 29, worin die in dem wässrigen-organischen Lösemittelgemisch vorhandene Wassermenge eine ausreichende Menge ist, um ein weitgehend homogenes Gemisch von Hydrolyseprodukten und Teilkondensaten des Epoxy-funktionellen Silans, des Disilans und des Silan-Additivs zu gewähren.
  31. Zusammensetzung nach Anspruch 30, worin mindestens ein Teil der Lösemittelkomponente des wässrigen-organischen Lösemittelgemisches während der Hydrolyse des Epoxy-funktionellen Silans, des Disilans und des Silan-Additivs erzeugt wird.
  32. Zusammensetzung nach Anspruch 31, die eine wirksame Menge Cohydrolysekatalysator aufweisen kann, um die Hydrolyseraten der hydrolysierbaren Komponenten zu erhöhen.
  33. Zusammensetzung nach Anspruch 32, worin das wässrige-organische Lösemittelgemisch ferner eine wirksame Menge eines Katalysators aufweist, um der durch Härten des wässrigen Lösemittelgemisches erzeugten Beschichtung eine erhöhte Abriebfestigkeit zu vermitteln.
  34. Zusammensetzung nach Anspruch 33, worin die wirksame Menge des in dem wässrigen-organischen Lösemittelgemisches vorliegenden Katalysators 0,1% bis 10 Gew.% bezogen auf die Gesamtfeststoffe des wässrigen-organischen Lösemittelgemisches beträgt.
  35. Zusammensetzung nach einem der vorgenannten Ansprüche, worin das wässrige-organische Lösemittelgemisch ferner eine wirksame Menge eines Verlaufmittels aufweist, um das wässrige-organische Lösemittelgemisch auf dem Substrat auszubreiten und einen weitgehend gleichförmigen Kontakt des wässrigen-organischen Lösemittelgemisches mit dem Substrat zu gewähren.
  36. Artikel, aufweisend: ein Substrat und eine weitgehend transparente, abriebfeste Beschichtung mit verbesserter Adhäsion und erhöhter Stabilität gegen Rissbildung, die auf mindestens einer der Substratoberflächen erzeugt ist, wobei die Beschichtung durch Härten einer Beschichtungszusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 35 erzeugt ist.
  37. Verfahren zum Schaffen einer weitgehend transparenten, abriebfesten Beschichtung auf einem Substrat mit verbesserter Adhäsion und erhöhter Stabilität gegen Rissbildung, welches Verfahren umfasst: Aufbringen auf mindestens eine der Oberflächen eines Substrats einer wirksamen Menge einer Beschichtungszusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 35 und Härten der Beschichtungszusammensetzung, um eine weitgehend transparente, abriebfeste Beschichtung auf einem Substrat zu erzeugen, die eine verbesserte Adhäsion und erhöhte Stabilität gegen Rissbildung auf dem Substrat hat.
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