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Dokumentenidentifikation DE102004024968A1 09.03.2006
Titel Ionische Flüssigkeiten als Anti-Beschlagmittel
Anmelder Bösmann, Andreas, 79252 Stegen, DE;
Schubert, Thomas Jürgen Siegfried, Dr., 79100 Freiburg, DE
Erfinder Bösmann, Andreas, 79252 Stegen, DE;
Schubert, Thomas Jürgen Siegfried, Dr., 79100 Freiburg, DE
DE-Anmeldedatum 21.05.2004
DE-Aktenzeichen 102004024968
Offenlegungstag 09.03.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 09.03.2006
IPC-Hauptklasse C09K 3/18(2006.01)A, F, I, ,  ,  ,   
Zusammenfassung Aufgabe der Erfindung ist es, ein neuartiges Mittel zur Verhinderung des Beschlagens von Oberflächen zur Verfügung zu stellen. Hierzu werden die für diese Anwendung vorteilhaften Eigenschaften ionischer Flüssigkeiten wie ihr nicht vorhandener Dampfdruck, einstellbare Hygroskopizität, gute Benetzungseigenschaften und der starke oberflächenspannungsmindernde Effekt ausgenutzt.

Beschreibung[de]

Üblicherweise werden als Oberflächenaktive Substanzen die z.B. in US3856534 genannten wie Natriumlaurylsulfat, Kalium-n-dodecylbenzolsulfonat, Kaliumkokosalkylpolyethynoxysulfat, Stearyldimethyl aminoxid, Trimethyloctadecylammoniumchlorid oder Polyoxyethylenoctylphenylether verwendet. Diese Substanzen sind in der Regel Feststoffe. Die Polykondensate weisen zudem im Regelfall niedermolekulare, flüchtige Bestandteile auf.

Ein wesentlicher Nachteil insbesondere der verwendeten Feststoffe bei dem Einsatz als Antibeschlagmittel ist die nur geringe Menge an Substanz, die ohne Beeinträchtigung der Duchsichtigkeit der zu schützenden Oberfläche aufzubringen ist. Insbesondere unter kalte, trockenen Bedingungen können aus Zubereitungen mit den o.g. Stoffen diese Auskristallisieren und die Durchsicht mindern.

Ein weiterer Nachteil dieser Stoffe ist darin zu sehen, das sie nur eine begrenzte Aufnahmefähigkeit für Wasser haben. Die meisten dieser Stoffe sind nicht unbegrenzt wassermischbar, insbesondere bei tiefen Temperaturen wie sie bei Anwendung in winterlichen oder besonders kalten Gegenden auftreten.

Die Erfindung als Problemlösung

Ionische Flüssigkeiten sind hervorragend geeignet, aktive Komponente von Anti-Beschlagmitteln zu sein.

Seit Ende der vierziger Jahre sind ionische Flüssigkeiten (engl. „ionic liquids") bekannt. Es handelt sich dabei um bei Raumtemperatur und darunter flüssige Salzschmelzen, die eine neuartige Klasse von Lösungsmitteln mit nicht-molekularem, ionischem Charakter darstellen. Eine gängige Definition Ionischer Flüssigkeiten mit Abgrenzung gegen die bekannten Salzschmelzen ist ein Schmelzpunkt von unter 80°C. Andere Stellen nennen hier einen Schmelzpunkt unterhalb Raumtemperatur. Im Rahmen dieses Patentes sollen unter Ionischen Flüssigkeiten solche Salze verstanden werden, die im Reinzustand einen Schmelzpunkt von unterhalb 80°C bevorzugt unterhalb Raumtemperatur besitzen.

Typische Kation-/Anion Kombinationen, die zu ionischen Flüssigkeiten führen sind z.B. Dialkylimidazolium, Pyridinium, Ammonium und Phosphonium mit Halogenid, Tetrafluoroborat, Methylsulfat. Daneben sind viele weiter Kombinationen von Kationen und Anionen denkbar, die zu niedrigschmelzenden Salzen führen. Im Hinblick auf den Einsatz in technischen Verfahren sind die grundlegenden Eigenschaften dieser Materialklasse von Interesse:

  • – Gute Lösungseigenschaften für viele Stoffe
  • – Praktisch kein Dampfdruck (dadurch keine Azeotropbildung)
  • – Unbrennbarkeit
  • – großer Flüssigbereich von –60°C bis 400°

Übersichten zu den Ionischen Flüssigkeiten, ihrer Herstellung, Eigenschaften und Verwendung finden sich z.B. in: Ionic Liquids in Synthesis, P. Wasserscheid, T. Welton (eds), Wiley; Green Industrial Applications of Ionic Liquids (NATO Science Series. Ii. Mathematics, Physics and Chemistry, 92); Ionic Liquids: Industrial Applications for Green Chemistry (Acs Symposium Series, 818) by Robin D. Rogers (Editor).

Die Ionischen Flüssigkeiten weisen nicht die Nachteile der üblicherweise verwendeten Stoffe auf.

So können Ionische Flüssigkeiten ohne Zugabe von Hilfsstoffen aufgrund ihrer flüssigen Natur unverdünnt als Film auf die zu schützende Oberfläche aufgebracht werden. Da sich ein gleichmäßiger Flüssigkeitsfilm ausbildet, wird die Durchsicht nicht beeinträchtigt.

Da Ionische Flüssigkeiten bis zu Temperaturen von –60°C flüssig bleiben können, bilden sich auch unter kalten trockenen Bedingungen keine Kristalle oder Ausfällungen, die die Durchsicht mindern können.

Zudem unterdrücken Ionische Flüssigkeiten die Bildung von Eiskristallen, so das auch ein Frostbeschlag vermieden wird.

Des weiteren werden erfindungsgemäß bevorzugt solche Ionische Flüssigkeiten verwendet, die unbegrenzt wassermischbar sind. Diese weisen somit den Vorteil einer stark erhöhten, im Prinzip unbegrenzten Wasseraufnahmekapazität auf.

Letzlich ist auch der nicht vorhandene Dampfdruck der Ionischen Flüssigkeiten ein Vorteil gegenüber der herkömmlich verwendeten Stoffen, insbesondere gegenüber den molekular aufgebauten Stoffen. Ionische Flüssigkeiten können im Prinzip unbegrenzt lange Zeit ihre Wirkung entfalten, da sie nicht wie z.B. die Alkylphenylether verdampfen. Hierdurch können auch Gegenstände behandelt werden, die nur schwer oder gar nicht für eine regelmäßige Nachbehandlung mit Antibeschlagmittel geöffnet werden können wie z.B. Kameraobjektive. Ein weiterer Vorteil des nicht vorhandenen Dampfdrucks der Ionischen Flüssigkeiten ist die Geruchlosigkeit dieser Substanzen. Während z.B. Alkylphenylether zwar einen geringen, aber doch meßbaren Damfdruck und damit einen charakteristischen Eigengeruch aufweisen, sind Ionische Flüssigkeiten vollständig geruchlos. Damit sind sie besonders geeignet für Anwendungen, in denen Gerüche störend sein können wie z.B. die Behandlung von Helmvisieren und Brillen.

Die Ionischen Flüssigkeiten können erfindungsgemäß als Reinstoff, als Mischung mehrerer Ionischer Flüssigkeiten oder als Lösung einer oder mehrerer Ionischer Flüssigkeiten in einem Lösemittel auf die zu schützende Fläche aufgebracht werden. Als Lösemittel dient bevorzugt demineralisiertes Wasser, jedoch können auch andere Lösemittel wie normales Wasser, Alkohole oder dergleichen verwendet werden. Als Mittel der Aufbringung der Ionischen Flüssigkeit oder der Lösung können Sprühverfahren oder Wischverfahren unter zuhilfenahme von Schwämmen, Vliesen oder dergleichen angewendet werden.

Besonders bevorzugt ist die Aufbringung von Ionischen Flüssigkeiten in unverdünnter oder nur wenig verdünnter Form unter Verwendung von Schwämmen oder dergleichen.

Wenn so behandelte Oberflächen auf z.B. 0°C gekühlt einer Athmophäre von 40°C und einer relativen Feuchte von 80%, ausgesetzt werden, so bildet sich kein Beschlag auf diesen Flächen. Die nicht vermeidbare Kondensation des Wassers auf der behandelten Oberfläche führt auf Dauer dazu, das sich die Ionische Flüssigkeit mit Wasser anreichert, dabei allerdings eine klar duchsichtige Schicht bildet. Im Extremfall fließt die sich bildende Lösung von Ionischer Flüssigkeit in Wasser in flachen Tropfen von der Oberfläche ab, ohne dabei jedoch die Durchsicht durch z.B. ein Helmvisier wesentlich zu beeinträchtigen.

Praxistest mit Motorradhelmvisieren ergaben, das selbst bei Temperaturen unter 0°C und relativen Luftfeuchten bis 80%RH bei geschlossenen Visier für deutlich über 10h Betriebsdauer eine Beschlagfreiheit gewährleistet werden kann.

Beispiel 1:

Ca. 100 mg der Ionischen Flüssigkeit Methyloctylimidazoliumchlorid werden auf ein Papiertaschentuch aufgebracht und gleichmäßig auf der Innenseite eines Visiers eines Motorradhelmes in der Art verrieben, das die gesamte Fläche des Visieres mit einem streifenfreien Film bedeckt ist. Das Visier zeigt im Gebrauch keinerlei Beschlagsneigung.

Beispiel 2:

1 Gramm der Ionischen Flüssigkeit N-Butyl-N,N-diethanol-N-methylammoniumtosylat werden in 100g demineralisiertem Wasser gelöst. Mit Hilfe eines Pumpzerstäubers werden die Gläser einer Skibrille von der Innenseite leicht eingesprüht. Nach dem Verdampfen des überschüssigen Wassers wird die Innenseite der Gläser mit einem Tuch streifenfrei gewischt. Die so behandelte Brille zeigt im Gebrauch keinerlei Beschlagsneigung.


Anspruch[de]
  1. Eine Oberflächenaktive Substanz zur Verhinderung von Feuchtebeschlag an Oberflächen, dadurch gekennzeichnet, das es sich bei der Substanz um eine Ionische Flüssigkeit der allgemeinen Formel aAm+ bXn– handelt, wobei n=1 oder n=2 und m=1 oder m=2 und a·m=b·n ist und das Kation A ausgewählt ist aus

    quarternären Ammonium-Kationen der allgemeinen Formel [R'''][N+]([R'])([R''])[R] quarternären Phosphonium-Kationen der allgemeinen Formel [R'''][P+]([R'])([R''])[R] Imidazoliumkationen der allgemeinen Formel [R]N1C=C[N+]([R'])=C1, wobei der Imidazoliumkern substituiert sein kann durch wenigsten eine Gruppe, die ausgewählt ist aus

    Halogeniden, Hydroxyl, linearen oder verzweigten substituierten oder unsubstituierten Alkylresten bis 20 Kohlenstoffatomen die mit einer oder mehreren Gruppen ausgewählt aus den Halogeniden, Hydroxyl, Nitril, Amin, Thiol substituiert sein können,

    Resten der allgemeinen Formel -(R-X)n-R' mit n=1–10, wobei R eine lineare oder verzweigte Alkylgruppe mit 1 bis 20 Kohlenstoffatomen ist, R' Wasserstoff oder eine lineare oder verzweigte Alkylgruppe ist und X eine Ethergruppe, Thioethergruppe, Estergruppe, Siloxangruppe oder Amidgruppe ist.

    Morpholiniumkationen der allgemeinen Formel [R][N+]1CC[O]CC1, wobei der Morpholiniumkern substituiert sein kann durch wenigsten eine Gruppe, die ausgewählt ist aus

    Halogeniden, Hydroxyl, linearen oder verzweigten substituierten oder unsubstituierten Alkylresten bis 20 Kohlenstoffatomen die mit einer oder mehreren Gruppen ausgewählt aus den Halogeniden, Hydroxyl, Nitril, Amin, Thiol substituiert sein können,

    Resten der allgemeinen Formel -(R-X)n-R' mit n=1–10, wobei R eine lineare oder verzweigte Alkylgruppe mit 1 bis 20 Kohlenstoffatomen ist, R' Wasserstoff oder eine lineare oder verzweigte Alkylgruppe ist und X eine Ethergruppe, Thioethergruppe, Estergruppe, Siloxangruppe oder Amidgruppe ist.

    Oxazoliniumkationen der allgemeinen Formel [R][N+]1=COCC1, wobei der Oxazoliniumkern substituiert sein kann durch wenigsten eine Gruppe, die ausgewählt ist aus Halogeniden, Hydroxyl, linearen oder verzweigten substituierten oder unsubstituierten Alkylresten bis

    20 Kohlenstoffatomen die mit einer oder mehreren Gruppen ausgewählt aus den Halogeniden, Hydroxyl, Nitril, Amin, Thiol substituiert sein können,

    Resten der allgemeinen Formel -(R-X)n-R' mit n=1–10, wobei R eine lineare oder verzweigte Alkylgruppe mit 1 bis 20 Kohlenstoffatomen ist, R' Wasserstoff oder eine lineare oder verzweigte Alkylgruppe ist und X eine Ethergruppe, Thioethergruppe, Estergruppe, Siloxangruppe oder Amidgruppe ist.

    Pyridinium-Kationen der allgemeinen Formel [R][N+]1=CC=CC=C1, wobei der Pyridiniumkern substituiert sein kann durch wenigsten eine Gruppe, die ausgewählt ist aus

    Halogeniden, Hydroxyl, linearen oder verzweigten substituierten oder unsubstituierten Alkylresten bis 20 Kohlenstoffatomen die mit einer oder mehreren Gruppen ausgewählt aus den Halogeniden, Hydroxyl, Nitril, Amin, Thiol substituiert sein können,

    Resten der allgemeinen Formel -(R-X)n-R' mit n=1–10, wobei R eine lineare oder verzweigte Alkylgruppe mit 1 bis 20 Kohlenstoffatomen ist, R' Wasserstoff oder eine lineare oder verzweigte Alkylgruppe ist und X eine Ethergruppe, Thioethergruppe, Estergruppe, Siloxangruppe oder Amidgruppe ist.

    Pyrrolidinium-Kationen der allgemeinen Formel [R][N+]1([R'])CCCC1, wobei der Pyrrolidiniumkern substituiert sein kann durch wenigsten eine Gruppe, die ausgewählt ist aus

    Halogeniden, Hydroxyl, linearen oder verzweigten substituierten oder unsubstituierten Alkylresten bis 20 Kohlenstoffatomen die mit einer oder mehreren Gruppen ausgewählt aus den Halogeniden, Hydroxyl, Nitril, Amin, Thiol substituiert sein können,

    Resten der allgemeinen Formel -(R-X)n-R' mit n=1–10, wobei R eine lineare oder verzweigte Alkylgruppe mit 1 bis 20 Kohlenstoffatomen ist, R' Wasserstoff oder eine lineare oder verzweigte Alkylgruppe ist und X eine Ethergruppe, Thioethergruppe, Estergruppe, Siloxangruppe oder Amidgruppe ist.

    Pyrazolium-Kationen der allgemeinen Formel [R][N+]1C=CC=N1, wobei Pyrazoliumkern substituiert sein kann durch wenigsten eine Gruppe, die ausgewählt ist aus

    Halogeniden, Hydroxyl, linearen oder verzweigten substituierten oder unsubstituierten Alkylresten bis 20 Kohlenstoffatomen die mit einer oder mehreren Gruppen ausgewählt aus den Halogeniden, Hydroxyl, Nitril, Amin, Thiol substituiert sein können,

    Resten der allgemeinen Formel -(R-X)n-R' mit n=1–10, wobei R eine lineare oder verzweigte Alkylgruppe mit 1 bis 20 Kohlenstoffatomen ist, R' Wasserstoff oder eine lineare oder verzweigte Alkylgruppe ist und X eine Ethergruppe, Thioethergruppe, Estergruppe, Siloxangruppe oder Amidgruppe ist.

    Triazolium-Kationen der allgemeinen Formeln [R][N+]1([R'])N=CC=N1 oder [R][N+]1([R'])C=NC=N1, wobei der Triazoliumkern substituiert sein kann durch wenigsten eine Gruppe, die ausgewählt ist aus Halogeniden, Hydroxyl, linearen oder verzweigten substituierten oder unsubstituierten Alkylresten bis

    20 Kohlenstoffatomen die mit einer oder mehreren Gruppen ausgewählt aus den Halogeniden, Hydroxyl, Nitril, Amin, Thiol substituiert sein können,

    Resten der allgemeinen Formel -(R-X)n-R' mit n=1–10, wobei R eine lineare oder verzweigte Alkylgruppe mit 1 bis 20 Kohlenstoffatomen ist, R' Wasserstoff oder eine lineare oder verzweigte Alkylgruppe ist und X eine Ethergruppe, Thioethergruppe, Estergruppe, Siloxangruppe oder Amidgruppe ist.

    Guanidinium-Kationen der allgemeinen Formel [R']N([R])C(N([R''])[R''])=[N+]([R'''])[R'''], wobei der Guanidiniumkern substituiert sein kann durch wenigsten eine Gruppe, die ausgewählt ist aus

    Halogeniden, Hydroxyl, linearen oder verzweigten substituierten oder unsubstituierten Alkylresten bis 20 Kohlenstoffatomen die mit einer oder mehreren Gruppen ausgewählt aus den Halogeniden, Hydroxyl, Nitril, Amin, Thiol substituiert sein können,

    Resten der allgemeinen Formel -(R-X)n-R' mit n=1–10, wobei R eine lineare oder verzweigte Alkylgruppe mit 1 bis 20 Kohlenstoffatomen ist, R' Wasserstoff oder eine lineare oder verzweigte Alkylgruppe ist und X eine Ethergruppe, Thioethergruppe, Estergruppe, Siloxangruppe oder Amidgruppe ist.

    und in den allgemeinen Formeln die Reste R, R', R'' , R''' unabhängig voneinander ausgewählt sind aus Wasserstoff;

    Halogeniden; Hydroxyl; linearen oder verzweigten substituierten oder unsubstituierten Alkylresten bis 20 Kohlenstoffatomen die mit einer oder mehreren Gruppen ausgewählt aus den Halogeniden, Hydroxyl, Nitril, Amin, Thiol substituiert sein können;

    Resten der allgemeinen Formel -(R-X)n-R' mit n=1–10, wobei R eine lineare oder verzweigte Alkylgruppe mit 1 bis 20 Kohlenstoffatomen ist, R' Wasserstoff oder eine lineare oder verzweigte Alkylgruppe ist und X eine Ethergruppe, Thioethergruppe, Estergruppe, Siloxangruppe oder Amidgruppe ist

    und das Anion X ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus

    den Halogeniden, Tetrafluoroborat, Sulfat, Phosphat, RR'PO4 , Dicyanamid, Carboxylat R-COO, Sulfonat R-SO3, Benzolsulfonat, Toluolsulfonat, organischen Sulfaten R-O-SO3, bis(sulfon)imiden R-SO2-N-SO2-R', Imiden der Struktur [R']S([N-]C([R])=O)(=O)=O,

    wobei

    R und R' unabhängig voneinander ein linearer oder verzweigter 1 bis 20 Kohlenstoffatome enthaltender aliphatischer oder alicyclischer Alkyl- oder ein C5-C15-Aryl-, C5-C15-Aryl-C1-C6-alkyl-oder C1-C6-Alkyl-C5-C15-aryl-Rest sein können, die durch Halogenatome und/oder Hydroxylgruppen substituiert sein können.
  2. Eine Zubereitung zur Verhinderung von Feuchtebeschlag an Oberflächen, dadurch gekennzeichnet, das es sich bei der Zubereitung um eine Mischung von zwei oder mehr Ionischen Flüssigkeiten nach Anspruch 1 handelt.
  3. Substanzen nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, das sie bei Raumtemperatur Flüssig sind.
  4. Eine Zubereitung zur Verhinderung von Feuchtebeschlag an Oberflächen, dadurch gekennzeichnet, das es sich um Substanzen nach Anspruch 3 handelt, die mit einem Lösungsmittel oder Lösungsmittelgemisch, ausgewählt aus Wasser, Alkoholen, Ethern, Alkane oder Aromaten, gemischt sind.
  5. Eine Zubereitung zur Verhinderung von Feuchtebeschlag an Oberflächen nach einem oder mehreren vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, das sich in den Ionischen Flüssigkeiten bei Raumtemperatur Wasser bis zu einem Massenanteil von 50%, bevorzugt von 75% mischt und die besonders bevorzugt mit Wasser unbegrenzt mischbar sind.
  6. Die Verwendung von oberflächenaktiven Substanzen oder Zubereitungen nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche zum Schutz von Helmvisieren, Brillen, optischen Instrumenten, Fenstern und Spiegeln vor Feuchtebeschlag.
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