WO2025008392A1 - Coated substrate, paste, and method for producing said paste - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a coated substrate made of glass or a glass ceramic, as well as a paste for producing such a coated substrate and a corresponding method for producing the paste.
- Coated substrates made of glass or glass ceramic and in particular transparent substrates made of glass or glass ceramic with a coating in the form of a decoration are known in the prior art in a variety of designs.
- coated substrates made of glass and glass ceramic are used as fireplace viewing panels and create a separation between the combustion chamber of the fireplace stove and the surrounding area.
- a coating in the form of an opaque decoration is often applied to an edge area of the substrate and serves to conceal the transition areas between the fireplace viewing panel and the stove door in which the fireplace viewing panel is mounted.
- the use as a fireplace viewing panel places high demands on the decoration and substrate.
- the fireplace viewing panel is sometimes exposed to high temperatures of well over 100 °C.
- Heating the substrate and decoration in this way usually causes a non-negligible thermal expansion of the substrate and decoration, which can lead to the decoration detaching from the substrate if the extent of the expansion varies.
- Glass-ceramic substrates are often used as fireplace viewing panels, with a thermal expansion coefficient in the range of 0 to 2 x 10' 7 K' 1 in a temperature range of 20-700 °C.
- coated glass substrates are also used in vehicle construction in the form of viewing windows, for example.
- the glass substrates are only provided with a decorative coating in certain areas, with the coating usually serving to cover mounting areas of the window or wires running in the window or electronic components located behind the window.
- the substrates used in such applications are often made of borosilicate glass or soda-lime glass and have thermal expansion coefficients in the range of 10' 6 K -1 to 10' 5 K -1 .
- Coated glass substrates are also used as viewing windows for oven doors, although in this case substrates made of borosilicate glass or soda-lime glass are also often used.
- an enamel usually consists of a melted glass frit and pigment(s), whereby a paste comprising the glass frit, the pigment and a binder is applied to the substrate and then fired to produce the enamel. During the firing process, the glass frit melts and forms a glass matrix that is bonded to the substrate and in which the pigment is embedded.
- a glass frit that melts well in this range.
- Such glass frits usually have a coefficient of thermal expansion (CTE) of at least 4 x 10' 6 K' 1 or more.
- Pigments that are stable in such a firing process are usually oxides, especially above all non-ferrous metal spinels.
- Such spinels have a CTE of around 10 x 10' 6 K' 1 .
- the resulting CTE of the decorative layer is then around 6 x 10' 6 K -1 and, at the above-mentioned layer thicknesses of more than 4 pm, creates a tension between the substrate and the decorative layer, which can lead to a reduction in the mechanical strength of the component.
- the present invention is based on the object of specifying a coated substrate and a paste for producing such a coated substrate, which overcomes the above-mentioned disadvantages of the prior art and at the same time provides a decoration that is opaque and at the same time resistant to thermal stress.
- the invention relates to a coated substrate made of glass or a glass ceramic, wherein the coating has pigment particles embedded in a glass matrix, wherein the coating has an average layer thickness of 2 to 5 pm, preferably 2 to 4 pm, particularly preferably 2 to 3.5 pm, wherein the coating has a transmittance Tvis of at most 2%, preferably at most 1%, particularly preferably at most 0.5%, very particularly preferably at most 0.3%, wherein the pigment particles have an average particle size dso of less than 1.0 pm, preferably less than 0.8 pm, particularly preferably less than 0.6 pm, wherein the polydispersity index PI of the particle size distribution of the pigment particles is at most 2.0, preferably at most 1.5, particularly preferably at most 1.
- a particle size dso of less than 1.0 pm, in particular less than 0.8 pm, and especially less than 0.6 pm of the pigment particles in conjunction with a polydispersity index of maximum 2 results in a particularly high opacity even with a low layer thickness.
- a low layer thickness in turn has the advantage that the risk of mechanical failure of the coating due to different thermal expansion coefficients of the coating and substrate is reduced.
- the opacity of a coating is understood to be the reciprocal of the transmission.
- the specification of the particle size dso as less than 1.0 pm describes that when looking at all the pigment particles in the coating, 50% of the particles have a particle size of less than 1.0 pm.
- the particle size is usually measured using laser diffraction, with the diameter determined in this way indicating the diameter of a spherical pigment that has the same scattering behavior as the determined pigment. Because the particles are usually not perfectly round, for example in the case of a pigment particle with a determined diameter of 1.0 pm, the dimensions of the pigment particle in different spatial directions can deviate from this value. In this case, one also speaks of a volume-equivalent sphere diameter.
- the polydispersity index PI of the particle size distribution in the sense of the invention is understood to be the decimal logarithm of the quotient of dgo and di o values of the distribution and is calculated as follows:
- the polydispersity index provides information about how much the particle sizes of the pigment particles fluctuate around a mean value. The closer the value of the polydispersity index approaches the value 0, the more homogeneous the particle size distribution is.
- a homogeneous particle size distribution also enables a more homogeneous distribution of the pigment particles in the coating, so that a high pigment density in the layer can be achieved with less pigment and therefore a lower layer thickness. This in turn causes the coating to be highly opaque.
- the specified value of the transmittance Tvis refers to a wavelength of 700 nm of light incident on the coating and can be determined, for example, using a clamp photometer.
- the substrate can be any form of glass or glass ceramic.
- borosilicate glass can be used.
- Such a borosilicate glass can, for example, have a composition with the following components, each given in % by weight on an oxide basis:
- AI2O3 0 to 12, preferably greater than 0 to 11, particularly preferably 0 to 7
- refining agents are usually included in the glass in a content of no more than 2% by weight.
- deviations from 100% in the total weight fraction may occur due to rounding errors in the analysis.
- An exemplary glass is given in the following composition range in wt.% on an oxide basis:
- Another glass is given in the following composition range in wt.% on oxide basis:
- composition of a glass in this composition range in wt.% on an oxide basis is given as follows:
- Such glasses in the composition range mentioned above, in particular with the concrete compositions mentioned above as examples, are advantageous because they not only have thermal expansion coefficients, which can advantageously be between 2 * 10' 6 /K and 6 * 10 -6 /K, depending on the exact composition, but also because they can have sufficient mechanical resistance, for example also to surface loads.
- the substrate is a glass ceramic, in particular a lithium aluminum silicate (LAS) glass ceramic.
- LAS lithium aluminum silicate
- Such glass ceramics are known in many different designs in the prior art and are characterized by very low thermal expansion, with the corresponding thermal expansion coefficient of such a LAS glass ceramic usually being in a range from 0 to 2 x 10' 7 K -1 .
- the substrate can be either a transparent or a colored substrate.
- transparent substrates are particularly preferred.
- such a substrate may have a composition comprising the following components, each given in % by weight on an oxide basis:
- an exemplary substrate can further contain 0.5 - 1.5 wt.% AS2O3 or 0.05 - 0.5 wt.% SnO2 .
- the substrate is preferably disk-shaped, with a thickness of 2 mm to 10 mm, preferably 2.5 mm to 6 mm, particularly preferably 4 mm.
- a disk is generally understood to mean a plate-shaped molded body.
- a glass pane (which can be coated or uncoated) is a pane comprising or made of glass.
- a molded body is plate-shaped if its spatial dimensions in one spatial direction of a Cartesian coordinate system are at least one order of magnitude smaller than the spatial dimensions in the two other spatial directions of the Cartesian coordinate system perpendicular to the first spatial direction.
- the thickness of the molded body is at least one order of magnitude smaller than its length and width.
- the two main surfaces or main surfaces of the disk i.e. those whose size is determined by length and width are also referred to simply as sides in the context of the present disclosure.
- the substrate can also be a curved disk.
- a “curved disc” is understood to mean both curved discs and discs that are otherwise rounded. Furthermore, such a curved disc can have both a constant radius of curvature and a profile with locally variable curvature. A disc with one or more angularly curved sections would also be understood as a “curved disc” in the above sense.
- the coating can in particular be designed as a decoration that is not applied to the entire surface of the substrate, but is only deposited on partial areas of the substrate surface.
- a decoration can be composed of one or more coated areas.
- the surface coverage of the substrate with the coating is at least 10% and at most 80%, preferably at least 15% and at most 65% of the entire surface of the side of the substrate on which the coating is applied.
- the coating can be a surrounding decoration in the edge area of the substrate.
- a pattern can also be applied to the substrate over the entire surface.
- the entirety of the decorations on the substrate is understood as a "coating".
- a pigment is understood to mean a particle-based color body.
- the pigment according to the present disclosure is also advantageously designed to be temperature-stable, and is preferably a ceramic color body.
- a color body (or pigment) is generally understood to mean that the color body consists of particles, which can also be referred to here as pigment particles. If it is therefore stated in the context of the present disclosure that a coating comprises a pigment, this is understood to mean that the coating comprises particles of a specific pigment or color body, i.e. particles with the composition of the pigment or color body.
- a uniform distribution of the pigment particles in the decoration is supported by the pigment particles having a sphericity MJ of at least 0.6, preferably at least 0.7, particularly preferably at least 0.8.
- the sphericity MJ is a parameter for how spherical the particle is.
- the sphericity MJ of a particle is preferably calculated as the ratio of the surface of a sphere of the same volume to the surface of the particle: where V P is the volume of the particle and A P is its surface area.
- Exemplary sphericity values M-J for different particle types are:
- Needle-shaped particle 0.2 - 0.45
- Platelet-shaped particle 0.06 - 0.16 Particles with a highly fractured surface: 10 -8 — 10' 4
- High sphericities M-J in the sense of the present invention are achieved when M-J has a value of at least 0.6.
- the interplay of a low polydispersity index of less than 2.0, preferably about 1.0, and a high sphericity of at least 0.6, preferably at least 0.8, has a particularly advantageous effect on the opacity of the coating at low layer thicknesses.
- a spherical, preferably polyhedral shape of the pigment particles in conjunction with a uniform size distribution of the pigment particles can achieve a very regular and dense arrangement of the pigment particles in the coating. In this way, even very thin layers can provide an opacity that corresponds to the claimed limit values, while the thermal resistance of the coating is improved by the low thickness of the layer.
- the combination of a small diameter Dso of the pigment particles and a low polydispersity index with high sphericity MJ of the pigment particles also results in a very large specific surface area of the pigment particles in the coating of 35 to 55 m 2 /g, which also has a beneficial effect on the scattering properties of the layer and thus on the opacity.
- a further effect of the described high sphericity and low polydispersity index of the pigment particles is that the pigment particles in the coating form a very fine porous structure. In this way, in particular, different CTE of the coating and substrate can be compensated, since stresses in the coating resulting from the different thermal expansion are at least can be partially compensated. Accordingly, the described design of the pigment particles also directly supports the mechanical and thermal strength of the coating.
- the homogeneity of the distribution of the pigments in the coating is also shown in that the coating does not have any pigment agglomerates that have a diameter of more than 1.0 pm, preferably more than 0.9 pm, particularly preferably more than 0.8 pm, very particularly preferably more than 0.7 pm.
- An agglomerate is understood to be a collection of pigments in which the pigments are in direct contact, so that there is an area between the pigments in which there is no binding agent.
- the maximum diameter is understood to be the maximum extent of the agglomerate in any spatial direction.
- the coating has a waviness Wt of less than 0.3 pm.
- the waviness Wt corresponds to the vertical distance from a lowest point of the coating surface relative to the substrate to a highest point of the coating surface relative to the substrate.
- the waviness provides direct information about the fluctuation in the layer thickness, which in turn correlates with the homogeneity of the distribution of the pigments.
- the waviness of the coating surface can be determined in accordance with DIN EN ISO 4287.
- the uniform distribution of the pigment particles in the decorative layer is also reflected in a very low roughness Ra of the decorative layer according to DIN EN ISO 4287, which according to a further embodiment is less than 0.4 pm, preferably less than 0.35 pm, particularly preferably less than 0.3 pm.
- a low waviness has the advantage that the optical impression of the coating and in particular the transmission is evenly distributed across the coating.
- a low waviness of the surface also has a positive effect on the abrasion resistance and generally the mechanical durability of the coating.
- the coating contains 7.5 to 50 vol.%, preferably 15 to 40 vol.%, particularly preferably 25 to 38 vol.% pigment particles. In this range, a particularly good compromise is achieved between mechanical hardness of the layer and low transmission.
- the proportion of pigment particles in the coating can also depend on the substrate.
- the coating for a substrate made of glass for example borosilicate glass, particularly preferably has a proportion of 20 to 26 vol.% pigment particles in the coating, while the coating for a substrate made of glass ceramic particularly preferably has a proportion of 32 to 38 vol.% pigment particles in the coating.
- a high impact resistance of the coating can be achieved.
- a substrate made of glass in particular borosilicate glass
- a high bending tensile strength of up to 60 MPa can also be achieved, which represents an improvement of more than 50% compared to coatings for borosilicate glasses known in the prior art.
- the bending tensile strength is preferably determined using a double ring method in accordance with DIN 1288-5.
- the respective area of the coating subjected to the measurement is preferably coated over the entire surface, so that uncoated areas of the substrate had essentially no influence on the measurement results. According to a further embodiment, it is further provided that further coatings different from the coating are arranged on the substrate.
- these further coatings can in particular be functional layers, such as layers with a high reflectivity in the infrared spectral range.
- the sequence and arrangement of the coatings is initially not restricted. It can thus be provided that the further coatings are arranged on the same side of the substrate as the previously described coating, or alternatively on the opposite side. Furthermore, further coatings can also be arranged on both sides of the substrate. It is also possible for the further coatings to overlap completely or only partially with the described coating. It is also fundamentally possible for a further coating to be arranged above and/or below the described coating, so that a stack of coatings of any configuration is created.
- the invention relates to a paste for producing a coated substrate, as described above, comprising a glass-based binder, a pigment and a carrier medium, the pigment particles having a particle size dso of less than 1.0 pm, preferably less than 0.8 pm, particularly preferably less than 0.6 pm.
- a paste is understood to mean in particular a so-called decorative or color paste.
- the paste can be applied to the areas of the substrate to be printed using a suitable printing process, in particular screen printing, and then fired. If the substrate of the end product is a glass ceramic, the paste can be fired both together with the ceramization of the substrate, i.e.
- the glass-based binder can in particular be a glass frit, i.e. finely ground glass powder with a grain size of a maximum of 5 pm, preferably between 0.5 pm and 1.5 pm, which melts on the substrate during the firing of the paste and in this way forms a glass matrix in which the pigment particles are embedded.
- a layer created in this way is also referred to as enamel.
- An example of a glass frit can contain the following components in % by weight on an oxide basis: SiO 2 10 to 70
- AI2O3 more than 0 to 9.
- the composition can be tailored to the substrate to be printed on. Particular attention can be paid to keeping the difference between the CTE of the glass frit and the CTE of the substrate as small as possible.
- the coating comprises, in addition to a glass frit, another glass-based binder that does not consist of a glass frit or is not derived from it, for example a sol-gel-based binder.
- the binder of the coating is formed as a mixture of the different binders.
- the pigment particles can be, for example, metal oxides such as spinels, in particular non-ferrous metal spinels, or hematites.
- the pigment can contain cobalt oxide (CoO), chromium oxide (Cr2O3), manganese oxide (MnO) and iron oxide (Fe 2 O3), with the following ranges being preferred in terms of weight percent on an oxide basis: Co 20 - 35, Cr 15 - 25, Mn 20 - 35,
- compositions can be used as black pigments:
- Solvents with a vapor pressure of less than 10 bar, in particular less than 5 bar and especially less than 1 bar are preferably used as the carrier medium or dispersion medium for screen-printable coating solutions.
- These can be, for example, combinations of water, n-butanol, diethylene glycol monoethyl ether, tripropylene glycol monomethyl ether, terpineol, n-butyl acetate.
- appropriate organic and inorganic additives are used.
- Organic additives can be, for example, hydroxyethyl cellulose and/or hydroxypropyl cellulose and/or xanthan gum and/or polyvinyl alcohol and/or polyethylene alcohol and/or polyethylene glycol, block copolymers and/or triblock copolymers and/or tree resins and/or polyacrylates and/or polymethacrylates.
- commercially available screen printing media based on e.g. glycol or terpineol are suitable, but others are also suitable.
- the paste contains the following proportions in % by weight:
- Solid consisting of binder and pigment: 35 - 60 Carrier medium 40 - 65 (particularly preferred 45 - 62.5) This composition is particularly preferred when a pseudoplastic carrier medium with viscosities between 2 and 3.5 Pas at 50/s is used.
- the paste contains the following proportions in % by weight:
- Solids consisting of binder and pigment: 60-80 Carrier medium 20 - 40. (particularly preferred 25-33) wt% This composition is particularly preferred when a Newtonian screen printing medium with viscosities between ⁇ 1 Pas between 50/s and 300/s is used.
- the solid consists of 30-70% by weight of binder (frit) and 70-30% by weight of pigment and thus determines the final layer composition.
- the polydispersity index PI of the particle size distribution of the pigment particles is a maximum of 2.0, preferably a maximum of 1.5, particularly preferably a maximum of 1.
- the pigment particles have a sphericity MJ of at least 0.6, preferably at least 0.7, particularly preferably at least 0.8.
- the application of the paste to a substrate for producing the previously described coated substrate is improved according to a further embodiment in that the paste has a viscosity of 2000 to 8000 mPas, preferably 2500 to 6000 mPas, very particularly preferably 3000 to 4500 mPas at a shear rate of 200/s.
- the viscosity of the paste can be determined, for example, using a plate viscometer.
- the paste can be applied particularly well to substrates, in particular to glass panes, on a large scale using conventional application methods.
- the paste can advantageously be applied to the substrate using a printing method such as screen printing.
- Other printing methods such as screen printing, pad printing, jet printing or inkjet printing can also be used here.
- the invention relates to a method for producing a paste as described above.
- the method comprises the following steps:
- the precursor solution is preferably a metal-containing nitrate, sulfate, carbonate or chloride solution, whereby the precursor solution preferably contains Mn and/or Fe and/or Co and/or Ni and/or Cu and/or Cr.
- the starting media for pigment production are salts of the metal types desired for pigment production, which are dissolved in water, whereby the optical properties of the pigment can be influenced by the selection of the metal types.
- the precursor solution can also be a solvent-based system, for example on a sol-gel basis.
- (co)precipitation of the precursor solution but also processes such as flame hydrolysis, thermal spray drying, gas condensation, laser ablation, plasma spray methods (CVS processes), sol-gel methods, hydrothermal methods, combustion or similar can be used.
- the particles produced are initially in the very fine nanometer range and have a grain size of around 2-20 nm.
- the grain shape and grain fraction in the starting powder are highly dependent on the precipitation conditions.
- the precipitation medium carbonate precipitation, hydroxide precipitation, oxalate precipitation
- a wide range of different starting powders can be produced.
- Powders of different qualities and starting properties can also be achieved by using different drying methods for the filter cake produced from the precipitation (simple drying in air, freeze drying, azeotropic distillation).
- a large number of other parameters (pH value, stirrer speeds, temperature, precipitation volume, etc.) also influence the starting powder produced and its physical and chemical properties.
- the particles of the starting powder are only connected to one another by weak bridges in the form of sinter necks.
- the particles of the dried powder have a sphericity MJ of at least 0.6.
- the starting powder is produced by means of a hot gas process, in particular with the aid of a pulsation reactor.
- a pulsation reactor to produce the starting powder has the advantage that the properties of the particles of the starting powder can be adjusted very precisely by selecting the process parameters of the pulsation reactor accordingly.
- the second process step of calcining the starting powder can also be carried out directly using the pulsation reactor.
- the calcination serves to remove volatile residues (carbonates, sulfates, etc.) that remain in the particles of the starting powder, for example after precipitation of the precursor solution. At the same time, the calcination serves to fully form the crystal phases of the particles.
- the calcination can also be carried out in a chamber furnace, rotary kiln or roller kiln at temperatures between 800°C and 1400°C, in particular 900°C and 1200°C, particularly preferably 900°C and 1100°C, in particular 900 to 1000°C, or 950 to 1100°C for a period of 0.5h to 12h, preferably 0.5 to 10h, in particular 2h to 8h, particularly preferably 3h to 6h. Furthermore, the calcination can also be carried out over a period of 0.5 to 8 hours, particularly preferably 0.5 to 5 hours.
- Calcination can cause the powder particles to cake together, depending on the method used, so that a subsequent de-agglomeration step may be necessary, which can be achieved in particular by a grinding process.
- Grinding can be carried out dry or wet, whereby in the case of wet grinding, alcohols, liquid hydrocarbons such as heptanes or water-based media can be used.
- the grinding times can be up to 24 hours, but should be chosen so that It must be ensured that no abrasion can occur from the grinding media or the grinding drum lining, as this can lead to contamination of the particles with Al2O3 or ZrÜ2, for example, depending on the material of the grinding media/grinding drum.
- resonance mixers for dry grinding, resonance mixers, sieve mills, jet mills, tumblers or a roller bank can be used, for example, while wet grinding can be carried out using an annular gap mill, disk mill, attritor, basket mill or agitator cone mill.
- the dried powder is mixed with the binder and the carrier medium of the paste.
- the paste is preferably designed such that the glass frit encompassed by the paste has a linear thermal expansion coefficient of between at least 2*10' 6 /K and at most 10*10' 6 /K, preferably between at least 3*10' 6 /K and at most 6*10' 6 /K. In this way, it is possible to obtain coatings when using the paste which enable the glass pane to be sufficiently strong, particularly in the case of preferably opaque coatings. Thermal expansion coefficients in the range between at least 3*10' 6 /K and at most 6*10' 6 /K are particularly advantageous here. Screen printing is preferably used as the printing method for applying the paste to the substrate.
- a screen thickness of 54-64, 54-70, 68-64, 68-70, 71-55, 77-48, 77-55, 100-40, 110-34W, 110-35Y, 120-35W, 130-34Y, 140-31, 140-31 W or 165-27Y is preferably used to achieve the layer thicknesses described.
- a screen thickness of 100-40, 110-34W or 140-31 is particularly preferred. This corresponds to a theoretical ink volume of the screen used of 10 to 30 cm 3 /m 2 .
- the layer created in this way is fired to produce the coating.
- the carrier medium essentially evaporates in the process, so that the composition of the coating essentially results from the proportions of solids in the paste used.
- coatings are produced which consist of 30-70% by weight of binder, i.e. the melted glass frit, and 70-30% by weight of pigment. This is equivalent to proportions of 85 and 50% by volume of binder and 15 - 50% by volume of pigment in the coating.
- a binder content in the coating of between 80 and 60% by volume is preferred, particularly preferably between 75 and 60% by volume, which corresponds to preferred proportions of pigment in the coating of 20 - 40% by volume, particularly preferably 25 and 40% by volume.
- coatings can be obtained which have sufficient covering power (or opacity) while at the same time having sufficient scratch resistance and adhesion strength of the coating - particularly for the thicknesses of the coating disclosed here.
- Figure 2 is a sectional view of an exemplary coated substrate compared to a coated substrate according to the prior art
- Figure 3 is a flow chart of an exemplary process for producing a paste
- Figure 1 shows detailed images of exemplary pigment particles 100 for producing a coating in comparison to a pigment from the prior art.
- Figure 1 a) shows pigment particles as used according to the invention to produce an exemplary coated substrate
- Figure 1 b) shows pigment particles 102 as used in comparable coated substrates according to the prior art.
- the images in Figure 1 were taken using a scanning electron microscope, with the scale of the two images being identical.
- the geometries of the exemplary pigment particles in Figure 1 a) differ greatly from the geometry of the pigment particles used to date in Figure 1 b).
- the exemplary pigment particles 100 in Figure 1 a) are much more homogeneous in their shape and generally have a polyhedral shape that largely resembles a sphere. Accordingly, the pigment particles 100 preferably have a sphericity, i.e. a computationally determined "sphericity" MJ of at least 0.6. A sphericity MJ of 1 would describe a perfect sphere. Such a particle shape is particularly advantageous for the scattering cross section of the particles in the coating and thus for the opacity of the coating on the substrate.
- the pigment particles 102 according to the prior art have a significantly lower sphericity, which is usually less than 0.5. Overall, the particles 102 have a shard shape
- the size distribution of the pigment particles 100 in Figure 1 a) is very homogeneous, with few outliers, such as the comparatively large particles 104.
- the pigment particles 100 have an average particle size dso of approximately 0.3 pm.
- the pigment particles 102 shown in Figure 1 b) have an average particle size dso of more than 0.6 pm, with the size varying greatly from particle to particle and the particle size being difficult to determine in some cases due to agglomeration of the particles.
- the pigment particles 100, as shown in Figure 1 a) can be produced, for example, by a process as described below with reference to Figure 3.
- Figure 2 a) shows a sectional view of an exemplary substrate 106 with a coating 110 in comparison to a substrate 108 with a coating 112 according to the prior art, which is shown in Figure 2 b).
- the substrates 106 and 108 are made of the same material.
- Figures 2 a) and 2 b) have the same scale, so that a direct comparison of the coatings is simplified.
- the thickness d of the coating 110 of the substrate 106 indicated in Figure 2 a) is 3.5 pm in the embodiment shown.
- the coating 110 of Figure 2 a) has a significantly improved opacity compared to the coating 112 with the same layer thickness.
- a further effect of the homogeneous particle size distribution and the uniform distribution of the pigment particles in the coating 110 of Figure 2 a) can be seen in the comparison of the course of the respective surfaces 114 and 116 of the coatings 110 and 112. While the coating 112 has a strongly wavy surface 116, the surface 114 of the coating 110 is significantly smoother. The reason for this can already be seen in Figure 2 b) in the fact that local agglomerations 118 of pigment particles 102 occur in the coating 112, with relatively large pigment particles 102 being present in these agglomerations. At the same time, there are areas 120 in the coating 112 in which the density of the pigment particles 102 is clearly reduced compared to the rest of the coating.
- Figure 3 shows a flow chart 200 of an exemplary method for producing a paste as used to produce the coating of Figure 2a.
- a precursor solution is first prepared.
- salts of the starting materials required for pigment production are preferably dissolved so that the precursor solution is a metal-containing nitrate, sulfate, carbonate or chloride solution, with the precursor solution preferably containing Mn and/or Fe and/or Co and/or Ni and/or Cu and/or Cr.
- the precursor solution can also be a solvent-based system, for example on a sol-gel basis.
- a starting powder is produced from the precursor solution.
- the precursor solution can in particular be an aqueous salt solution in the form of nitrates, carbonates and/or sulfates, and/or the precursor solution can be produced on the basis of a solvent-based system, for example as a sol-gel.
- a pulsation reactor known in the prior art can be used, for example, to produce the pigment particles.
- the particle size can be controlled by a suitable choice of the reaction time in the pulsation reactor.
- the particles contained in the starting powder which were obtained, for example, from the reactor process and usually initially have a few fine crystallites with sizes in the low nanometer range (about 2 - 20 nm), are then subjected to calcination in process step 206.
- Such calcination is preferably carried out at a temperature of 800 to 1400°C, particularly preferably at 900 to 1200°C, very particularly preferably at 900 to 1100°C, in particular 900 to 1000°C, or 950 to 1100°C for a period of 1 to 12 hours, preferably 0.5 to 10 hours, particularly preferably 2 to 8 hours, very particularly preferably 3 to 6 hours.
- the calcination can also take place over a period of 0.5 to 8 hours, particularly preferably 0.5 to 5 hours.
- the calcination serves to remove volatile residues (carbonates, sulfates, etc.) from the starting powder and to fully form the crystal phases.
- deagglomeration of the pigment particles is provided in process step 208.
- Deagglomeration is usually necessary because the particles of the starting powder can cake together as a result of calcination, so that the particle size after calcination usually does not yet meet the respective requirements. Grinding processes, in particular dry grinding or wet grinding, can be used for deagglomeration.
- process step 210 the powder de-agglomerated according to step 208 is dried.
- Different drying methods can be used for this, such as spray drying or freeze drying.
- a drying cabinet or rotary evaporator can also be used.
- a pigment produced in this way can, for example, contain cobalt oxide (CoO), chromium oxide (Cr2O3), manganese oxide (MnO) and iron oxide (Fe2Os), with the following ranges being preferred in terms of weight percent on an oxide basis: Co 20 - 35, Cr 15 - 25, Mn 20 - 35,
- the pigment produced in the form of the dried powder is mixed in a final process step 212 with a glass-based binder and a carrier medium (also referred to as dispersion medium) to produce the paste.
- a carrier medium also referred to as dispersion medium
- Figures 4 to 6 show detailed images of the particles during the production of the pigment at different stages of the process.
- the figures each show two images at different magnifications, with a scale indicated for each figure at the bottom right edge of the figure.
- Figure 4 shows detailed images of the particles of an example starting powder, such as can be produced by precipitation of a precursor solution.
- the particles are a CoMnFeCr spinel.
- the individual particles are still agglomerated into large clumps and do not yet have a recognizable crystalline structure. This is particularly clearly visible in Figure 4 b) in the area of the agglomerate shown in the right half of the image, in which some of the particles have flaked off the agglomerate.
- the agglomerates shown in Figure 4 also contain some volatile residues (carbonates, sulfates, etc.) that come from the precursor solution. These residues are removed during the calcination of the particles. In addition, the calcination stimulates the growth of the crystal phases of the pigment particles.
- Figures 5 and 6 show detailed images of particles after calcination for different parameters of the calcination process.
- the particles were calcined at about 800°C for a period of 4 hours.
- the detailed image shows Figure 4 b) clearly shows that the surface of the agglomerate shown has changed compared to the representation in Figure 4 in that the previously comparatively smooth surface appears increasingly porous. Individual particles are already clearly visible in the surface of the agglomerate, whereas this was not yet the case with the agglomerates of particles shown in Figure 4.
- the following examples show the respective optical properties for different layer compositions with different pigments on different substrates.
- the pigments were each obtained by a precipitation reaction of a nitrate solution and subsequent calcination at a temperature between 900°C and 1100°C for a period of 3 to 5 hours and subsequent grinding.
- a layer composition with a weight ratio of 45 wt.% binder (i.e. a glass frit) and 55 wt.% pigment the following properties were determined for the different pigments when coating a transparent substrate made of glass ceramic (CERAN® Cleartrans) with a thickness of 4 mm and firing the coating during the ceramization of the substrate (so-called primary firing) at a temperature of about 920 °C:
- the values L* a* and b* refer to the CIELab color system.
- the pasting ratio indicates the ratio of solids (pigment and binder) to carrier medium of the paste used to produce the coating.
- the optical density refers to the decimal logarithm of the opacity.
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Abstract
Description
Beschichtetes Substrat, Paste und Verfahren zur Herstellung der Paste Coated substrate, paste and method for producing the paste
Beschreibung Description
Die Erfindung betrifft ein beschichtetes Substrat aus Glas oder einer Glaskeramik, sowie eine Paste zur Herstellung eines solchen beschichteten Substrates und ein entsprechendes Verfahren zur Herstellung der Paste. The invention relates to a coated substrate made of glass or a glass ceramic, as well as a paste for producing such a coated substrate and a corresponding method for producing the paste.
Beschichtete Substrate aus Glas oder Glaskeramik und insbesondere transparente Substrate aus Glas oder Glaskeramik mit einer Beschichtung in Form eines Dekors sind im Stand der Technik in vielfältigen Ausgestaltungen bekannt. Coated substrates made of glass or glass ceramic and in particular transparent substrates made of glass or glass ceramic with a coating in the form of a decoration are known in the prior art in a variety of designs.
Beispielsweise werden solche beschichteten Substrate aus Glas und Glaskeramik als Kaminsichtscheiben eingesetzt und stellen hierbei eine Trennung zwischen dem Brennraum des Kaminofens und der Umgebung her. Dabei ist eine Beschichtung in Form eines blickdichten Dekors häufig in einem Randbereich des Substrats aufgebracht und dient dazu, die Übergangsbereiche zwischen der Kaminsichtscheibe und der Ofentür, in der die Kaminsichtscheibe gelagert ist, zu kaschieren. For example, such coated substrates made of glass and glass ceramic are used as fireplace viewing panels and create a separation between the combustion chamber of the fireplace stove and the surrounding area. A coating in the form of an opaque decoration is often applied to an edge area of the substrate and serves to conceal the transition areas between the fireplace viewing panel and the stove door in which the fireplace viewing panel is mounted.
Die Verwendung als Kaminsichtscheibe stellt dabei hohe Anforderungen an Dekor und Substrat. Im Betrieb des Kaminofens ist die Kaminsichtscheibe mitunter hohen Temperaturen von deutlich über 100 °C ausgesetzt. Eine derartige Aufheizung von Substrat und Dekor bewirkt üblicherweise eine nicht verschwindende thermische Ausdehnung von Substrat und Dekor, die bei unterschiedlichem Ausmaß der Ausdehnung zu einem Ablösen des Dekors von dem Substrat führen kann. Dabei werden als Kaminsichtscheiben häufig glaskeramische Substrate verwendet, deren thermischer Ausdehnungskoeffizient im Bereich von 0 bis 2 x 10’7 K’1 in einem Temperaturbereich von 20-700°C liegt. In einem weiteren Anwendungsszenario werden beschichtete Glassubstrate beispielsweise auch im Fahrzeugbau in Form von Sichtscheiben verwendet. Dabei werden auch hier die Glassubstrate nur in bestimmten Bereichen mit einer Dekor-Beschichtung versehen, wobei die Beschichtung üblicherweise dazu dient, Montagebereiche der Scheibe oder in der Scheibe verlaufende Drähte oder hinter der Scheibe liegende elektronische Baugruppen zu verdecken. Die in solchen Anwendungsbereichen verwendeten Substrate bestehen häufig aus Borosilikatglas oder Kalk-Natron-Glas und weisen thermische Ausdehnungskoeffizienten im Bereich von 10’6 K-1 bis zu 10’5 K-1 auf. The use as a fireplace viewing panel places high demands on the decoration and substrate. When the fireplace is in operation, the fireplace viewing panel is sometimes exposed to high temperatures of well over 100 °C. Heating the substrate and decoration in this way usually causes a non-negligible thermal expansion of the substrate and decoration, which can lead to the decoration detaching from the substrate if the extent of the expansion varies. Glass-ceramic substrates are often used as fireplace viewing panels, with a thermal expansion coefficient in the range of 0 to 2 x 10' 7 K' 1 in a temperature range of 20-700 °C. In another application scenario, coated glass substrates are also used in vehicle construction in the form of viewing windows, for example. Here, too, the glass substrates are only provided with a decorative coating in certain areas, with the coating usually serving to cover mounting areas of the window or wires running in the window or electronic components located behind the window. The substrates used in such applications are often made of borosilicate glass or soda-lime glass and have thermal expansion coefficients in the range of 10' 6 K -1 to 10' 5 K -1 .
Auch als Sichtscheibe für Backofentüren finden beschichtete Glassubstrate Verwendung, wobei in diesem Fall häufig ebenfalls Substrate aus Borosilikatglas oder Kalk-Natron-Glas eingesetzt werden. Coated glass substrates are also used as viewing windows for oven doors, although in this case substrates made of borosilicate glass or soda-lime glass are also often used.
In den oben geschilderten Anwendungsszenarien für Dekore zur Kaschierung bestimmter Bereiche besteht grundsätzlich die Anforderung an das Dekor, vollständig opak, also blickdicht, zu sein. Um solche opaken Schichten auf transparenten Substraten zu erzeugen, werden häufig Emaille-Systeme mit hohem Pigmentierungsgrad und einer Schichtdicke von wenigstens 5 pm eingesetzt. Eine Emaille besteht dabei üblicherweise aus einer aufgeschmolzenen Glasfritte und Pigment(en), wobei zur Herstellung der Emaille eine Paste, umfassend die Glasfritte, das Pigment und ein Bindemittel auf dem Substrat aufgebracht und anschließend eingebrannt wird. Im Zuge des Einbrands schmilzt die Glasfritte auf und bildet eine mit dem Substrat verbundene Glasmatrix, in der das Pigment eingebettet ist. In the application scenarios described above for decorations to conceal certain areas, the basic requirement for the decoration is to be completely opaque, i.e. not to be seen through. In order to produce such opaque layers on transparent substrates, enamel systems with a high degree of pigmentation and a layer thickness of at least 5 pm are often used. An enamel usually consists of a melted glass frit and pigment(s), whereby a paste comprising the glass frit, the pigment and a binder is applied to the substrate and then fired to produce the enamel. During the firing process, the glass frit melts and forms a glass matrix that is bonded to the substrate and in which the pigment is embedded.
Bei üblichen Prozesstemperaturen zum Einbrand einer solchen Dekorschicht von 600-950°C, wird eine Glasfritte benötigt, die in diesem Bereich gut aufschmilzt. Solche Glasfritten weisen üblicherweise mindestens einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTE) von mindestens 4 x 10’6 K’1 oder mehr auf. Pigmente, welche in solch einem Einbrandprozess stabil sind, sind üblicherweise Oxide, vor allen Dingen Buntmetall-Spinelle. Solche Spinelle haben einen CTE um 10 x 10’6 K’1. Der resultierende CTE der Dekorschicht liegt dann bei etwa 6 x 10’6 K-1 und erzeugt bei den oben genannten Schichtdicken von mehr als 4 pm eine Spannung zwischen Substrat und Dekorschicht, die zu einer Erniedrigung der mechanischen Festigkeit der Komponente führen kann. At typical process temperatures for firing such a decorative layer of 600-950°C, a glass frit is required that melts well in this range. Such glass frits usually have a coefficient of thermal expansion (CTE) of at least 4 x 10' 6 K' 1 or more. Pigments that are stable in such a firing process are usually oxides, especially above all non-ferrous metal spinels. Such spinels have a CTE of around 10 x 10' 6 K' 1 . The resulting CTE of the decorative layer is then around 6 x 10' 6 K -1 and, at the above-mentioned layer thicknesses of more than 4 pm, creates a tension between the substrate and the decorative layer, which can lead to a reduction in the mechanical strength of the component.
Der vorliegenden Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, ein beschichtetes Substrat und eine Paste zur Herstellung eines solchen beschichteten Substrats anzugeben, das die vorstehend genannten Nachteile des Standes der Technik überwindet und dabei ein blickdichtes und gleichzeitig gegenüber thermischen Belastungen beständiges Dekor bereitstellt. In contrast, the present invention is based on the object of specifying a coated substrate and a paste for producing such a coated substrate, which overcomes the above-mentioned disadvantages of the prior art and at the same time provides a decoration that is opaque and at the same time resistant to thermal stress.
In ersten Aspekt betrifft die Erfindung ein beschichtetes Substrat aus Glas oder einer Glaskeramik, wobei die Beschichtung in eine Glasmatrix eingebettete Pigmentpartikel aufweist, wobei die Beschichtung eine mittlere Schichtdicke von 2 bis 5 pm, bevorzugt 2 bis 4 pm, besonders bevorzugt 2 bis 3,5 pm aufweist, wobei die Beschichtung einen Transmissionsgrad Tvis von höchstens 2%, bevorzugt höchstens 1 %, besonders bevorzugt höchstens 0,5%, ganz besonders bevorzugt höchstens 0,3 % aufweist, wobei die Pigmentpartikel eine mittlere Partikelgröße dso von weniger als 1 ,0 pm, bevorzugt weniger als 0,8 pm, besonders bevorzugt weniger als 0,6 pm aufweisen, wobei der Polydispersitätsindex PI der Partikelgrößenverteilung der Pigmentpartikel maximal 2,0, bevorzugt maximal 1 ,5, besonders bevorzugt maximal 1 beträgt. In a first aspect, the invention relates to a coated substrate made of glass or a glass ceramic, wherein the coating has pigment particles embedded in a glass matrix, wherein the coating has an average layer thickness of 2 to 5 pm, preferably 2 to 4 pm, particularly preferably 2 to 3.5 pm, wherein the coating has a transmittance Tvis of at most 2%, preferably at most 1%, particularly preferably at most 0.5%, very particularly preferably at most 0.3%, wherein the pigment particles have an average particle size dso of less than 1.0 pm, preferably less than 0.8 pm, particularly preferably less than 0.6 pm, wherein the polydispersity index PI of the particle size distribution of the pigment particles is at most 2.0, preferably at most 1.5, particularly preferably at most 1.
Durch eine Partikelgröße dso von weniger als 1 ,0 pm, insbesondere von weniger als 0,8 pm, ganz besonders von weniger als 0,6 pm der Pigmentpartikel in Verbindung mit einem Polydispersitätsindex von maximal 2 wird dabei eine besonders hohe Opazität bereits bei geringer Schichtdicke erreicht. Eine geringe Schichtdicke hat wiederum den Vorteil, dass das Risiko eines mechanischen Versagens der Beschichtung infolge unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten von Beschichtung und Substrat reduziert wird. Unter der Opazität einer Beschichtung wird dabei der Kehrwert der Transmission verstanden. A particle size dso of less than 1.0 pm, in particular less than 0.8 pm, and especially less than 0.6 pm of the pigment particles in conjunction with a polydispersity index of maximum 2 results in a particularly high opacity even with a low layer thickness. A low layer thickness in turn has the advantage that the risk of mechanical failure of the coating due to different thermal expansion coefficients of the coating and substrate is reduced. The opacity of a coating is understood to be the reciprocal of the transmission.
Die Angabe der Partikelgröße dso mit weniger als 1 ,0 pm beschreibt dabei, dass bei einer Betrachtung über alle Pigmentpartikel der Beschichtung 50% der Partikel eine Partikelgröße von weniger als 1 ,0 pm aufweisen. Die Partikelgröße wird dabei üblicherweise mittels Laserbeugung gemessen, wobei der hierbei ermittelte Durchmesser den Durchmesser eines kugelförmigen Pigments angibt, das das gleiche Streuverhalten wie das ermittelte Pigment aufweist. Aufgrund der üblicherweise nicht perfekt runden Partikel können beispielsweise bei einem Pigmentpartikel mit einem ermittelten Durchmesser von 1 ,0 pm die Abmessungen des Pigmentpartikels in unterschiedliche Raumrichtungen von diesem Wert abweichen. Man spricht in diesem Fall auch von einem volumenäquivalenten Kugeldurchmesser. The specification of the particle size dso as less than 1.0 pm describes that when looking at all the pigment particles in the coating, 50% of the particles have a particle size of less than 1.0 pm. The particle size is usually measured using laser diffraction, with the diameter determined in this way indicating the diameter of a spherical pigment that has the same scattering behavior as the determined pigment. Because the particles are usually not perfectly round, for example in the case of a pigment particle with a determined diameter of 1.0 pm, the dimensions of the pigment particle in different spatial directions can deviate from this value. In this case, one also speaks of a volume-equivalent sphere diameter.
Unter dem Polydispersitätsindex PI der Partikelgrößenverteilung im Sinne der Erfindung wird der dekadische Logarithmus des Quotienten aus dgo- und di o-Wert der Verteilung verstanden und berechnet sich nach: The polydispersity index PI of the particle size distribution in the sense of the invention is understood to be the decimal logarithm of the quotient of dgo and di o values of the distribution and is calculated as follows:
PI = log (dgo/dio) PI = log (dgo/dio)
Der Polydispersitätsindex gibt dabei im vorliegenden Fall eine Aussage darüber, wie stark die Partikelgrößen der Pigmentpartikel um einen Mittelwert schwanken. Je näher dabei der Wert des Polydispersitätsindex sich dem Wert 0 annähert, desto homogener ist die Partikelgrößenverteilung. Eine homogene Partikelgrößenverteilung ermöglicht dabei auch eine homogenere Verteilung der Pigmentpartikel in der Beschichtung, sodass sich mit weniger Pigment und mithin geringerer Schichtdicke bereits eine hohe Pigmentdichte in der Schicht erzielen lässt. Dies bewirkt wiederum eine hohe Opazität der Beschichtung. Bei einem Wert des Polydispersitätsindex PI der Partikelgrößenverteilung der Pigmentpartikel von maximal 2,0, bevorzugt maximal 1 ,5, besonders bevorzugt maximal 1 wird dabei eine besonders homogene und mithin opake Schicht erreicht. In this case, the polydispersity index provides information about how much the particle sizes of the pigment particles fluctuate around a mean value. The closer the value of the polydispersity index approaches the value 0, the more homogeneous the particle size distribution is. A homogeneous particle size distribution also enables a more homogeneous distribution of the pigment particles in the coating, so that a high pigment density in the layer can be achieved with less pigment and therefore a lower layer thickness. This in turn causes the coating to be highly opaque. With a value of the polydispersity index PI of the particle size distribution of the pigment particles of a maximum of 2.0, preferably a maximum of 1.5, particularly preferably a maximum of 1, a particularly homogeneous and therefore opaque layer is achieved.
Der angegebene Wert des Transmissionsgrads Tvis bezieht sich auf eine Wellenlänge des auf die Beschichtung einfallen Lichts von 700 nm und kann beispielsweise mittels einem Zangenphotometer ermittelt werden. The specified value of the transmittance Tvis refers to a wavelength of 700 nm of light incident on the coating and can be determined, for example, using a clamp photometer.
Bei dem Substrat kann es sich zunächst um jede Form von Glas oder Glaskeramik handeln. Insbesondere kann hierbei ein Borosilikatglas verwendet werden. Ein solches Borosilikatglas kann bei beispielsweise eine Zusammensetzung mit den folgenden Komponenten, jeweils angegeben in Gew.-% auf Oxidbasis, aufweisen: The substrate can be any form of glass or glass ceramic. In particular, borosilicate glass can be used. Such a borosilicate glass can, for example, have a composition with the following components, each given in % by weight on an oxide basis:
SiÜ2 60 bis 85, besonders bevorzugt bis 82 SiO2 60 to 85, particularly preferably up to 82
B2O3 7 bis 26 B2O3 7 to 26
AI2O3 0 bis 12, vorzugsweise größer als 0 bis 11 , besonders bevorzugt 0 bis 7 AI2O3 0 to 12, preferably greater than 0 to 11, particularly preferably 0 to 7
Ü2O 0 bis 1 Ü2O 0 to 1
Na2Ü 0,5 bis 6 Na2Ü 0.5 to 6
K2O 0 bis 3 K2O 0 to 3
MgO 0 bis 6 MgO 0 to 6
CaO 0 bis 5 CaO 0 to 5
SrO 0 bis 4 SrO 0 to 4
ZnO 0 bis 3 ZnO 0 to 3
ZrÜ2 0 bis 3. ZrÜ2 0 to 3.
Weiterhin können noch sonstige Bestandteile, wie sie in der Glasherstellung üblicherweise zum Einsatz kommen, umfasst, sein, beispielsweise Läutermittel. Diese sind in der Regel in einem Gehalt von nicht mehr als 2 Gew.-% vom Glas umfasst. Bei den folgenden Zusammensetzungen können Abweichungen von 100% im gesamten Gewichtsanteil aufgrund analysebedingter Rundungsfehler auftreten. Furthermore, other components that are usually used in glass production can also be included, such as refining agents. These are usually included in the glass in a content of no more than 2% by weight. For the following compositions, deviations from 100% in the total weight fraction may occur due to rounding errors in the analysis.
Ein beispielhaftes Glas ist gegeben im folgenden Zusammensetzungsbereich in Gew.-% auf Oxidbasis: An exemplary glass is given in the following composition range in wt.% on an oxide basis:
SiO2 75 - 85 SiO 2 75 - 85
B2O3 10-15 B2O3 10-15
AI2O3 1-3 AI2O3 1-3
Na2O 2-5 Na 2 O 2-5
K2O 0-1 K2O 0-1
NaCI weniger als 0,5 NaCI less than 0.5
Eine beispielhafte Zusammensetzung eines Glases in diesem Zusammensetzungsbereich in Gew.-% auf Oxidbasis ist wie folgt gegeben: An exemplary composition of a glass in this composition range in wt.% on an oxide basis is given as follows:
SiO2 80,8 SiO 2 80.8
B2O3 12,7 B2O3 12.7
AI2O3 2,4 AI2O3 2.4
Na2O 3,5 Na 2 O 3.5
K2O 0,6 K2O 0.6
NaCI 0,1 NaCI 0.1
Ein weiteres Glas ist gegeben im folgenden Zusammensetzungsbereich in Gew.- % auf Oxidbasis: Another glass is given in the following composition range in wt.% on oxide basis:
SiO2 73-83 SiO 2 73-83
B2O3 8-12 B2O3 8-12
AI2O3 1-4 AI2O3 1-4
Na2O 2-4 Na 2 O 2-4
K2O 1-3 MgO 1 -3 K2O 1-3 MgO 1 -3
CaO 1 -3 CaO 1 -3
Eine nochmals weitere beispielhafte Zusammensetzung eines Glases in diesem Zusammensetzungsbereich in Gew.-% auf Oxidbasis ist wie folgt gegeben: Another exemplary composition of a glass in this composition range in wt.% on an oxide basis is given as follows:
SiO2 78,1 SiO 2 78.1
B2O3 9,8 B2O3 9.8
AI2O3 2,5 AI2O3 2.5
Na2O 2,8 Na 2 O 2.8
K2O 2,5 K2O 2.5
MgO 1 ,8 MgO 1.8
CaO 2,5 CaO 2.5
Solche Gläser im weiter oben genannten Zusammensetzungsbereich, insbesondere mit den konkreten, vorstehend beispielhaft genannten Zusammensetzungen, sind vorteilhaft, weil sie nicht nur thermische Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, welche vorteilhaft zwischen 2 * 10’6/K und 6 * 10-6/K, je nach genauer Zusammensetzung liegen können, sondern vielmehr auch, weil sie ausreichende mechanische Beständigkeiten, beispielsweise auch gegenüber Oberflächenbelastungen, aufweisen können. Such glasses in the composition range mentioned above, in particular with the concrete compositions mentioned above as examples, are advantageous because they not only have thermal expansion coefficients, which can advantageously be between 2 * 10' 6 /K and 6 * 10 -6 /K, depending on the exact composition, but also because they can have sufficient mechanical resistance, for example also to surface loads.
Bevorzugt handelt es sich bei dem Substrat jedoch um eine Glaskeramik, insbesondere eine Lithium-Aluminium-Silikat (LAS) Glaskeramik. Solche Glaskeramiken sind in vielfachen Ausgestaltungen im Stand der Technik bekannt und zeichnen sich durch eine sehr niedrige thermische Ausdehnung aus, wobei der entsprechende thermische Ausdehnungskoeffizient einer solchen LAS Glaskeramik üblicherweise in einem Bereich von 0 bis 2 x 10’7 K-1 liegt. Dabei kann es sich bei dem Substrat grundsätzlich sowohl um ein transparentes als auch gefärbtes Substrat handeln. Besonders bevorzugt sind jedoch transparente Substrate. Beispielhaft kann ein solches Substrat eine Zusammensetzung mit den folgenden Komponenten, jeweils angegeben in Gew.-% auf Oxidbasis, aufweisen: Preferably, however, the substrate is a glass ceramic, in particular a lithium aluminum silicate (LAS) glass ceramic. Such glass ceramics are known in many different designs in the prior art and are characterized by very low thermal expansion, with the corresponding thermal expansion coefficient of such a LAS glass ceramic usually being in a range from 0 to 2 x 10' 7 K -1 . In principle, the substrate can be either a transparent or a colored substrate. However, transparent substrates are particularly preferred. By way of example, such a substrate may have a composition comprising the following components, each given in % by weight on an oxide basis:
SiO2 65 - 69 SiO 2 65 - 69
AI2O3 18 - 24 AI2O3 18 - 24
Li2O 3,0 - 4,2 Li 2 O 3.0 - 4.2
Na2O 0 - 0,8 Na 2 O 0 - 0.8
K2O 0 - 0,5 K2O 0 - 0.5
MgO 0 - 1 ,5 MgO 0 - 1 ,5
BaO 0,5 - 1 ,2 BaO 0.5 - 1.2
ZnO 1 ,0 - 2,0 ZnO 1.0 - 2.0
TiO2 1 ,8 - 3,0 TiO 2 1.8 - 3.0
ZrO2 1 ,5 - 2,5 ZrO 2 1.5 - 2.5
Die Läuterung eines Grünglases zur Herstellung einer Glaskeramik entsprechend der vorstehend beschriebenen Zusammensetzung kann dabei beispielsweise mit AS2O3 oder SnO2 erfolgen. Dementsprechend kann ein beispielhaftes Substrat ferner 0,5 - 1 ,5 Gew.-% AS2O3 oder 0,05 - 0,5 Gew.-% SnO2 enthalten. The refining of a green glass to produce a glass ceramic according to the composition described above can be carried out, for example, with AS2O3 or SnO2 . Accordingly, an exemplary substrate can further contain 0.5 - 1.5 wt.% AS2O3 or 0.05 - 0.5 wt.% SnO2 .
Das Substrat ist dabei bevorzugt scheibenförmig, mit einer Dicke von 2 mm bis 10 mm, bevorzugt 2,5 mm bis 6 mm, besonders bevorzugt 4 mm. Unter einer Scheibe wird im Rahmen der vorliegenden Offenbarung allgemein ein plattenförmiger Formkörper verstanden. Eine Glasscheibe (die beschichtet und unbeschichtet vorliegen kann) ist eine Scheibe umfassend bzw. aus Glas. Plattenförmig ist ein Formkörper dann, wenn seine räumlichen Abmessungen in einer Raumrichtung eines kartesischen Koordinatensystems wenigstens eine Größenordnung geringer ist als die räumlichen Abmessungen in den beiden weiteren, zur ersten Raumrichtung senkrechten, Raumrichtungen des kartesischen Koordinatensystems. Mit anderen Worten ist die Dicke des Formkörpers wenigstens eine Größenordnung geringer als seine Länge und Breite. Die beiden Hauptflächen oder Hauptoberflächen der Scheibe, also die, deren Größe durch Länge und Breite bestimmt werden, werden im Rahmen der vorliegenden Offenbarung auch abkürzend lediglich Seiten genannt. Grundsätzlich kann es sich bei dem Substrat auch um eine gebogene Scheibe handeln. The substrate is preferably disk-shaped, with a thickness of 2 mm to 10 mm, preferably 2.5 mm to 6 mm, particularly preferably 4 mm. In the context of the present disclosure, a disk is generally understood to mean a plate-shaped molded body. A glass pane (which can be coated or uncoated) is a pane comprising or made of glass. A molded body is plate-shaped if its spatial dimensions in one spatial direction of a Cartesian coordinate system are at least one order of magnitude smaller than the spatial dimensions in the two other spatial directions of the Cartesian coordinate system perpendicular to the first spatial direction. In other words, the thickness of the molded body is at least one order of magnitude smaller than its length and width. The two main surfaces or main surfaces of the disk, i.e. those whose size is determined by length and width are also referred to simply as sides in the context of the present disclosure. In principle, the substrate can also be a curved disk.
Unter einer“ gebogenen Scheibe“ sind dabei sowohl gebogene als auch anderweitig rundverformte Scheiben zu verstehen. Ferner kann bei einer solchen gebogenen Scheibe sowohl ein konstanter Krümmungsradius als auch ein Profil mit lokal veränderlicher Krümmung vorliegen. So wäre auch eine Scheibe mit einem oder mehreren winklig gebogenen Abschnitten als „gebogene Scheibe“ im obigen Sinne zu verstehen. A “curved disc” is understood to mean both curved discs and discs that are otherwise rounded. Furthermore, such a curved disc can have both a constant radius of curvature and a profile with locally variable curvature. A disc with one or more angularly curved sections would also be understood as a “curved disc” in the above sense.
Die Beschichtung kann dabei insbesondere als Dekor ausgebildet sein, das nicht vollflächig auf dem Substrat aufgebracht ist, sondern nur auf Teilbereichen der Substratoberfläche abgeschieden ist. Ein solches Dekor kann sich aus einem oder mehreren beschichteten Bereichen zusammensetzen. Dabei kann nach einer Ausführungsform vorgesehen sein, dass der flächige Belegungsgrad des Substrats mit der Beschichtung mindestens 10% und höchstens 80%, bevorzugt mindestens 15% und höchstens 65% der gesamten Oberfläche der Seite des Substrats ist, auf welcher die Beschichtung aufgetragen ist. The coating can in particular be designed as a decoration that is not applied to the entire surface of the substrate, but is only deposited on partial areas of the substrate surface. Such a decoration can be composed of one or more coated areas. According to one embodiment, it can be provided that the surface coverage of the substrate with the coating is at least 10% and at most 80%, preferably at least 15% and at most 65% of the entire surface of the side of the substrate on which the coating is applied.
Insbesondere kann es sich bei der Beschichtung um ein umlaufendes Dekor im Randbereich des Substrats handeln. Ferner kann auch flächig auf dem Substrat ein Muster aufgebracht sein. Dabei die Gesamtheit der Dekore auf dem Substrat insgesamt als „Beschichtung“ verstanden. Grundsätzlich ist dabei auch nicht limitiert, auf welcher Seite des Substrats die Beschichtung angeordnet ist. Insbesondere ist es grundsätzlich auch möglich, dass auf beiden Seiten des Substrats jeweils eine Beschichtung aufgebracht ist, wobei die Beschichtung der Oberseite des Substrats nicht identisch zur Beschichtung der Unterseite des Substrats sein muss. Unter einem Pigment wird im Rahmen der vorliegenden Offenbarung ein partikelbasierter Farbkörper verstanden. Vorteilhaft ist auch das Pigment nach der vorliegenden Offenbarung temperaturstabil ausgebildet, und es handelt sich dabei vorzugsweise um einen keramischen Farbkörper. Hierbei wird allgemein im Rahmen der vorliegenden Offenbarung unter einem Farbkörper (oder Pigment) verstanden, dass der Farbkörper aus Partikeln besteht, welche hier auch als Pigmentpartikel bezeichnet werden können. Sofern im Rahmen der vorliegenden Offenbarung daher ausgeführt wird, dass eine Beschichtung ein Pigment umfasst, wird darunter verstanden, dass die Beschichtung Partikel eines bestimmten Pigments oder Farbkörpers umfasst, also Partikel mit der Zusammensetzung des Pigments oder Farbkörpers In particular, the coating can be a surrounding decoration in the edge area of the substrate. Furthermore, a pattern can also be applied to the substrate over the entire surface. The entirety of the decorations on the substrate is understood as a "coating". In principle, there is no limitation as to which side of the substrate the coating is arranged on. In particular, it is also possible in principle for a coating to be applied to both sides of the substrate, whereby the coating on the top of the substrate does not have to be identical to the coating on the bottom of the substrate. In the context of the present disclosure, a pigment is understood to mean a particle-based color body. The pigment according to the present disclosure is also advantageously designed to be temperature-stable, and is preferably a ceramic color body. In the context of the present disclosure, a color body (or pigment) is generally understood to mean that the color body consists of particles, which can also be referred to here as pigment particles. If it is therefore stated in the context of the present disclosure that a coating comprises a pigment, this is understood to mean that the coating comprises particles of a specific pigment or color body, i.e. particles with the composition of the pigment or color body.
Eine gleichmäßige Verteilung der Pigmentpartikel in dem Dekor wird dabei nach einer weiteren Ausführungsform dadurch unterstützt, dass die Pigmentpartikel eine Sphärizität M-J von mindestes 0,6, bevorzugt mindestens 0,7, besonders bevorzugt mindestens 0,8 aufweisen. Dabei ist die Sphärizität M-J eine Kenngröße dafür, wie kugelförmig der Partikel ist. Dabei berechnet sich die Sphärizität M-J eines Partikels bevorzugt als das Verhältnis der Oberfläche einer Kugel gleichen Volumens zur Oberfläche des Partikels: wobei VP das Volumen des Partikels und AP seine Oberfläche bezeichnet. According to a further embodiment, a uniform distribution of the pigment particles in the decoration is supported by the pigment particles having a sphericity MJ of at least 0.6, preferably at least 0.7, particularly preferably at least 0.8. The sphericity MJ is a parameter for how spherical the particle is. The sphericity MJ of a particle is preferably calculated as the ratio of the surface of a sphere of the same volume to the surface of the particle: where V P is the volume of the particle and A P is its surface area.
Exemplarische Sphärizitätswerte M-J für verschiedene Partikeltypen sind: Exemplary sphericity values M-J for different particle types are:
Kugel: 1 ,0 ball: 1 ,0
Tropfen, Blase, rundes Korn: 0,7 - 1 ,0 Drop, bubble, round grain: 0.7 - 1.0
Eckiges Korn: 0,45 - 0,6 Angular grain: 0.45 - 0.6
Nadelförmiges Partikel: 0,2 - 0,45 Needle-shaped particle: 0.2 - 0.45
Plättchenförmiges Partikel: 0,06 - 0,16 Partikel mit stark zerklüfteter Oberfläche: 10-8 — 10’4 Platelet-shaped particle: 0.06 - 0.16 Particles with a highly fractured surface: 10 -8 — 10' 4
Hohe Sphärizitäten M-J im Sinne der hier vorliegenden Erfindung werden erreicht, wenn M-J ein Wert von wenigstens 0,6 aufweist. Je kugelförmiger die Pigmentpartikel in der Beschichtung sind, desto dichter können die Pigmentpartikel in der Schicht gepackt werden. Dies bedeutet wiederum eine hohe Opazität bei geringer Menge an Pigmentpartikeln. High sphericities M-J in the sense of the present invention are achieved when M-J has a value of at least 0.6. The more spherical the pigment particles in the coating are, the more densely the pigment particles can be packed in the layer. This in turn means a high opacity with a small amount of pigment particles.
Insbesondere das Zusammenspiel aus niedrigem Polydispersitätsindex von weniger als 2,0, vorzugsweise etwa 1 ,0 und einer hohen Sphärizität von mindestens 0,6, bevorzugt mindestens 0,8 bewirkt sich dabei besonders vorteilhaft auf die Opazität der Beschichtung bei geringen Schichtdicken aus. In diesem Fall kann durch eine kugelartige, bevorzugt polyedrische Form der Pigmentpartikel in Verbindung mit einer einheitlichen Größenverteilung der Pigmentpartikel eine sehr regelmäßige und Dichte Anordnung der Pigmentpartikel in der Beschichtung erreicht werden. Auf diese Weise können bereits sehr dünne Schichten eine Opazität bereitstellen, die den beanspruchten Grenzwerten entspricht, während durch die geringe Dicke der Schicht die thermische Beständigkeit der Beschichtung verbessert ist. In particular, the interplay of a low polydispersity index of less than 2.0, preferably about 1.0, and a high sphericity of at least 0.6, preferably at least 0.8, has a particularly advantageous effect on the opacity of the coating at low layer thicknesses. In this case, a spherical, preferably polyhedral shape of the pigment particles in conjunction with a uniform size distribution of the pigment particles can achieve a very regular and dense arrangement of the pigment particles in the coating. In this way, even very thin layers can provide an opacity that corresponds to the claimed limit values, while the thermal resistance of the coating is improved by the low thickness of the layer.
Aus der Kombination eines geringen Durchmessers Dso der Pigmentpartikel und einem geringen Polydispersitätsindex bei hoher Sphärizität M-J der Pigmentpartikel ergibt sich ferner eine sehr große spezifische Oberfläche der Pigmentpartikel in der Beschichtung von 35 bis 55 m2/g, die sich ebenfalls vorteilhaft auf die Streueigenschaften der Schicht und mithin auf die Opazität auswirkt. Ein weiterer Effekt aus der beschriebenen hohen Sphärizität und geringen Polydispersitätsindex der Pigmentpartikel besteht darin, dass die Pigmentpartikel in der Beschichtung eine sehr fein poröse Struktur ausbilden. Auf diese Weise können insbesondere auch unterschiedliche CTE von Beschichtung und Substrat ausgeglichen werden, da durch die unterschiedliche Wärmeausdehnung resultierende Spannungen in der Beschichtung durch die Feinporigkeit der Beschichtung zumindest teilweise kompensiert werden können. Dementsprechend unterstützt die beschriebene Ausgestaltung der Pigmentpartikel auch direkt die mechanische und thermische Festigkeit der Beschichtung. The combination of a small diameter Dso of the pigment particles and a low polydispersity index with high sphericity MJ of the pigment particles also results in a very large specific surface area of the pigment particles in the coating of 35 to 55 m 2 /g, which also has a beneficial effect on the scattering properties of the layer and thus on the opacity. A further effect of the described high sphericity and low polydispersity index of the pigment particles is that the pigment particles in the coating form a very fine porous structure. In this way, in particular, different CTE of the coating and substrate can be compensated, since stresses in the coating resulting from the different thermal expansion are at least can be partially compensated. Accordingly, the described design of the pigment particles also directly supports the mechanical and thermal strength of the coating.
Die Homogenität der Verteilung der Pigmente in der Beschichtung zeigt sich nach einer weiteren Ausführungsform auch darin, dass die Beschichtung keine Pigment-Agglomerate aufweist, die einen Durchmesser von mehr als 1 ,0 pm, bevorzugt mehr als 0,9 pm, besonders bevorzugt mehr als 0,8 pm, ganz besonders bevorzugt mehr als 0,7 pm aufweisen. Unter einem Agglomerat wird dabei eine Ansammlung von Pigmenten verstanden, in der die Pigmente in direktem Kontakt sind, sodass zwischen den Pigmenten ein Bereich besteht, in dem sich kein Bindemittel befindet. Als maximaler Durchmesser wird dabei die maximale Erstreckung des Agglomerates in einer beliebigen Raumrichtung verstanden. According to a further embodiment, the homogeneity of the distribution of the pigments in the coating is also shown in that the coating does not have any pigment agglomerates that have a diameter of more than 1.0 pm, preferably more than 0.9 pm, particularly preferably more than 0.8 pm, very particularly preferably more than 0.7 pm. An agglomerate is understood to be a collection of pigments in which the pigments are in direct contact, so that there is an area between the pigments in which there is no binding agent. The maximum diameter is understood to be the maximum extent of the agglomerate in any spatial direction.
Die zuvor beschriebenen Eigenschaften der Pigmentpartikel in der Dekorschicht, insbesondere die gleichmäßige Verteilung der Partikel und die hohe Sphärizität der Partikel schlägt sich auch in weiteren Eigenschaften der Dekorschicht, insbesondere bezüglich deren Oberfläche nieder. So ist nach einer weiteren Ausführungsform ferner vorgesehen, dass die Beschichtung eine Welligkeit Wt von weniger als 0,3 pm aufweist. Die Welligkeit Wt entspricht dabei dem senkrechten Abstand von einem tiefsten Punkt der Beschichtungsoberfläche relativ zum Substrat zu einem höchsten Punkt der Beschichtungsoberfläche relativ zum Substrat. Die Welligkeit gibt dabei eine direkte Auskunft über die Schwankung der Schichtdicke, die wiederum mit der Homogenität der Verteilung der Pigmente korreliert. Die Welligkeit der Beschichtungsoberfläche kann dabei entsprechend der DIN EN ISO 4287 bestimmt werden. The previously described properties of the pigment particles in the decorative layer, in particular the uniform distribution of the particles and the high sphericity of the particles, are also reflected in other properties of the decorative layer, in particular with regard to its surface. According to a further embodiment, it is further provided that the coating has a waviness Wt of less than 0.3 pm. The waviness Wt corresponds to the vertical distance from a lowest point of the coating surface relative to the substrate to a highest point of the coating surface relative to the substrate. The waviness provides direct information about the fluctuation in the layer thickness, which in turn correlates with the homogeneity of the distribution of the pigments. The waviness of the coating surface can be determined in accordance with DIN EN ISO 4287.
Ferner zeigt sich die gleichmäßige Verteilung der Pigmentpartikel in der Dekorschicht auch in einer sehr geringen Rauigkeit Ra der Dekorschicht nach DIN EN ISO 4287, die nach einer weiteren Ausführungsform kleiner als 0,4 pm, bevorzugt kleiner 0,35 pm, besonders bevorzugt kleiner als 0,3 pm ist. Eine geringe Welligkeit hat dabei den Vorteil, dass der optische Eindruck der Beschichtung und insbesondere die Transmission über die Beschichtung gleichmäßig verteilt ist. Ferner wird durch eine geringe Welligkeit der Oberfläche auch die Abriebfestigkeit bzw. allgemein die mechanische Beständigkeit der Beschichtung positiv beeinflusst. Furthermore, the uniform distribution of the pigment particles in the decorative layer is also reflected in a very low roughness Ra of the decorative layer according to DIN EN ISO 4287, which according to a further embodiment is less than 0.4 pm, preferably less than 0.35 pm, particularly preferably less than 0.3 pm. A low waviness has the advantage that the optical impression of the coating and in particular the transmission is evenly distributed across the coating. Furthermore, a low waviness of the surface also has a positive effect on the abrasion resistance and generally the mechanical durability of the coating.
Nach einer weiteren Ausführungsform ist ferner vorgesehen, dass die Beschichtung 7,5 bis 50 Vol.-%, bevorzugt 15 bis 40 Vol.-%, besonders bevorzugt 25 bis 38 Vol.-% Pigmentpartikel enthält. In diesem Bereich wird ein besonders guter Kompromiss zwischen mechanischer Härte der Schicht und geringer Transmission erreicht. Dabei kann der Anteil Pigmentpartikel in der Beschichtung auch von dem Substrat abhängen. So weist die Beschichtung für ein Substrat aus Glas, beispielsweise Borosilikatglas, besonders bevorzugt einen Anteil von 20 bis 26 Vol.-% Pigmentpartikeln in der Beschichtung auf, während die Beschichtung für ein Substrat aus Glaskeramik besonders bevorzugt einen Anteil von 32 bis 38 Vol.-% Pigmentpartikeln in der Beschichtung aufweist. According to a further embodiment, it is further provided that the coating contains 7.5 to 50 vol.%, preferably 15 to 40 vol.%, particularly preferably 25 to 38 vol.% pigment particles. In this range, a particularly good compromise is achieved between mechanical hardness of the layer and low transmission. The proportion of pigment particles in the coating can also depend on the substrate. Thus, the coating for a substrate made of glass, for example borosilicate glass, particularly preferably has a proportion of 20 to 26 vol.% pigment particles in the coating, while the coating for a substrate made of glass ceramic particularly preferably has a proportion of 32 to 38 vol.% pigment particles in the coating.
Bei Verwendung eines glaskeramischen Substrats kann dabei insbesondere eine hohe Stoßfestigkeit der Beschichtung erreicht werden. Bei Verwendung eines Substrats aus einem Glas, insbesondere einem Borosilikatglas, kann dabei ferner eine hohe Biegezugfestigkeit der Beschichtung von bis zu 60 MPa erreicht werden, was einer Verbesserung von mehr als 50% gegenüber im Stand der Technik bekannten Beschichtungen für Borosilikatgläser bedeutet. Die Biegezugfestigkeit wird dabei bevorzugt jeweils mit einem Doppelringverfahren gemäß DIN 1288-5 ermittelt. Dabei ist bevorzugt der jeweilige der Messung unterzogene Bereich der Beschichtung jeweils vollflächig beschichtet, sodass unbeschichtete Bereiche des Substrats auf die Messungen im Wesentlichen keinen Einfluss auf die Messergebnisse hatten. Nach einer weiteren Ausführungsform ist dabei ferner vorgesehen, dass auf dem Substrat weitere von der Beschichtung verschiedene Beschichtungen angeordnet sind. Bei diesen weiteren Beschichtungen kann es sich insbesondere um funktionale Schichten, wie beispielsweise Schichten mit einer hohen Reflektivität im infraroten Spektralbereich handeln. Dabei ist die Abfolge und Anordnung der Beschichtungen zunächst auch nicht beschränkt. So kann es vorgesehen sein, dass die weiteren Beschichtungen auf der gleichen Seite des Substrats wie die zuvor beschriebene Beschichtung angeordnet sind, oder alternativ auf der gegenüberliegenden Seite. Ferner können weitere Beschichtungen auch auf beiden Seiten des Substrats angeordnet sein. Es ist auch möglich, dass die weiteren Beschichtungen mit der beschriebenen Beschichtung ganz oder nur teilweise überlappen. Auch ist es grundsätzlich möglich, dass eine weitere Beschichtung über und/oder unter der beschriebenen Beschichtung angeordnet ist, sodass ein beliebig konfigurierter Stapel aus Beschichtungen entsteht. When using a glass-ceramic substrate, a high impact resistance of the coating can be achieved. When using a substrate made of glass, in particular borosilicate glass, a high bending tensile strength of up to 60 MPa can also be achieved, which represents an improvement of more than 50% compared to coatings for borosilicate glasses known in the prior art. The bending tensile strength is preferably determined using a double ring method in accordance with DIN 1288-5. The respective area of the coating subjected to the measurement is preferably coated over the entire surface, so that uncoated areas of the substrate had essentially no influence on the measurement results. According to a further embodiment, it is further provided that further coatings different from the coating are arranged on the substrate. These further coatings can in particular be functional layers, such as layers with a high reflectivity in the infrared spectral range. The sequence and arrangement of the coatings is initially not restricted. It can thus be provided that the further coatings are arranged on the same side of the substrate as the previously described coating, or alternatively on the opposite side. Furthermore, further coatings can also be arranged on both sides of the substrate. It is also possible for the further coatings to overlap completely or only partially with the described coating. It is also fundamentally possible for a further coating to be arranged above and/or below the described coating, so that a stack of coatings of any configuration is created.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine Paste zur Herstellung eines beschichteten Substrats, wie es zuvor beschrieben wurde, umfassend ein glasbasiertes Bindemittel, ein Pigment und ein Trägermedium, wobei die Pigmentpartikel eine Partikelgröße dso von weniger als 1 ,0 pm, bevorzugt weniger als 0,8 pm, besonders bevorzugt weniger als 0,6 pm aufweisen. Unter einer Paste wird im Rahmen der vorliegenden Offenbarung insbesondere eine sogenannte Dekor- oder Farbpaste verstanden. Zur Erzeugung eines erfindungsgemäßen beschichteten Substrats kann dabei die Paste durch ein geeignetes Druckverfahren, insbesondere Siebdruck, auf die zu bedruckenden Bereiche des Substrats aufgebracht und nachfolgende eingebrannt werden. Handelt es sich bei dem Substrat des Endprodukts um eine Glaskeramik, kann der Einbrand der Paste sowohl zusammen mit der Keramisierung des Substrats, also der Umwandlung des Grünglases zu einer Glaskeramik, erfolgen (auch als Primäreinbrand bezeichnet), als auch nachträglich, also nach der Keramisierung des Substrats erfolgen (auch als Sekundäreinbrand bezeichnet). Bei dem glasbasierten Bindemittel kann es sich insbesondere um eine Glasfritte, also fein vermahlenes Glaspulver mit einer Korngröße von maximal 5 pm, bevorzugt zwischen 0,5 pm und 1 ,5 pm handeln, das im Zuge eines Einbrands der Paste auf dem Substrat aufschmilzt und auf diese Weise eine Glasmatrix ausbildet, in der die Pigmentpartikel eingebettet sind. Eine so entstandene Schicht wird auch als Emaille bezeichnet. Eine beispielhafte Glasfritte kann dabei die nachfolgenden Bestandteile in Gew.-% auf Oxidbasis beinhalten: SiO2 10 bis 70 In a further aspect, the invention relates to a paste for producing a coated substrate, as described above, comprising a glass-based binder, a pigment and a carrier medium, the pigment particles having a particle size dso of less than 1.0 pm, preferably less than 0.8 pm, particularly preferably less than 0.6 pm. In the context of the present disclosure, a paste is understood to mean in particular a so-called decorative or color paste. To produce a coated substrate according to the invention, the paste can be applied to the areas of the substrate to be printed using a suitable printing process, in particular screen printing, and then fired. If the substrate of the end product is a glass ceramic, the paste can be fired both together with the ceramization of the substrate, i.e. the conversion of the green glass to a glass ceramic (also referred to as primary firing), and subsequently, i.e. after the ceramization of the substrate (also referred to as secondary firing). The glass-based binder can in particular be a glass frit, i.e. finely ground glass powder with a grain size of a maximum of 5 pm, preferably between 0.5 pm and 1.5 pm, which melts on the substrate during the firing of the paste and in this way forms a glass matrix in which the pigment particles are embedded. A layer created in this way is also referred to as enamel. An example of a glass frit can contain the following components in % by weight on an oxide basis: SiO 2 10 to 70
B2O3 10 bis 26 B2O3 10 to 26
AI2O3 mehr als 0 bis 9. AI2O3 more than 0 to 9.
Die konkrete Ausgestaltung der Glasfritte und insbesondere deren chemischeThe specific design of the glass frit and in particular its chemical
Zusammensetzung kann dabei auf das zu bedruckende Substrat abgestimmt werden. Dabei kann insbesondere darauf geachtet werden, dass der Unterschied bzgl. des CTE der Glasfritte und des CTE des Substrats so gering wie möglich gehalten wird. The composition can be tailored to the substrate to be printed on. Particular attention can be paid to keeping the difference between the CTE of the glass frit and the CTE of the substrate as small as possible.
Allgemein ist es auch möglich, dass die Beschichtung neben einer Glasfritte noch ein anderes glasbasiertes Bindemittel, welches nicht aus einer Glasfritte besteht bzw. aus dieser hervorgegangen ist, umfasst, beispielsweise ein Sol- Gel-basiertes Bindemittel. In diesem Fall wird das Bindemittel der Beschichtung als Gemisch aus den unterschiedlichen Bindemitteln gebildet. In general, it is also possible for the coating to comprise, in addition to a glass frit, another glass-based binder that does not consist of a glass frit or is not derived from it, for example a sol-gel-based binder. In this case, the binder of the coating is formed as a mixture of the different binders.
Bei den Pigmentpartikeln kann es sich beispielsweise um Metalloxide, wie Spinelle, insbesondere Buntmetall-Spinelle, oder Hämatite handeln. Beispielsweise kann dabei das Pigment Cobaltoxid (CoO), Chromoxid (Cr2O3), Manganoxid (MnO) und Eisenoxid (Fe2O3) aufweisen, wobei jeweils bezogen auf Gew.-% auf Oxidbasis folgende Bereiche bevorzugt sind: Co 20 - 35, Cr 15 - 25, Mn 20 - 35, The pigment particles can be, for example, metal oxides such as spinels, in particular non-ferrous metal spinels, or hematites. For example, the pigment can contain cobalt oxide (CoO), chromium oxide (Cr2O3), manganese oxide (MnO) and iron oxide (Fe 2 O3), with the following ranges being preferred in terms of weight percent on an oxide basis: Co 20 - 35, Cr 15 - 25, Mn 20 - 35,
Fe 20 - 30. Als Schwarzpigmente können beispielsweise die nachfolgenden Zusammensetzungen verwendet werden: Fe 20 - 30. The following compositions can be used as black pigments:
(Fe, Mn)3O4 (Fe, Mn)3O4
(Cr,Fe)(Fe,Co)2O4 (Cr,Fe)(Fe,Co) 2 O 4
CuCr2O4 CuCr 2 O4
(Ni,Fe)(Fe,Cr)2O4 (Ni,Fe)(Fe,Cr) 2 O 4
(Fe,Mn)2O3 (Fe,Mn) 2 O3
CrFe2Ü4 CrFe 2 Ü4
Als Trägermedium bzw. Dispersionsmedium für siebdruckfähige Beschichtungslösungen werden bevorzugt Lösungsmittel mit einem Dampfdruck von weniger als 10 bar, insbesondere von weniger als 5 bar und ganz besonders von weniger als 1 bar eingesetzt. Dies können beispielsweise Kombinationen aus Wasser, n- Butanol, Diethylenglycolmonoethylether, Tripropylenglycolmonomethylether, Terpineol, n-Butylacetat sein. Um die gewünschte Viskosität einstellen zu können, werden entsprechende organische und anorganische Additive verwendet. Organische Additive können etwa Hydroxyethyl-Cellulose und/oder Hydroxypropyl- Cellulose und/oder Xanthan-gum und/oder Polyvinylalkohol und/oder Polyethylenalkohol und/oder Polyethylenglycol, Blockcopolymere und/oder Triblockcopolymere und/oder Baumharze und/oder Polyacrylate und/oder Polymethacrylate sein. Generell eignen sich handelsübliche Siebdruckmedien auf z.B. Glykol-Basis, bzw. Terpineol-Basis aber auch weitere. Solvents with a vapor pressure of less than 10 bar, in particular less than 5 bar and especially less than 1 bar, are preferably used as the carrier medium or dispersion medium for screen-printable coating solutions. These can be, for example, combinations of water, n-butanol, diethylene glycol monoethyl ether, tripropylene glycol monomethyl ether, terpineol, n-butyl acetate. In order to be able to set the desired viscosity, appropriate organic and inorganic additives are used. Organic additives can be, for example, hydroxyethyl cellulose and/or hydroxypropyl cellulose and/or xanthan gum and/or polyvinyl alcohol and/or polyethylene alcohol and/or polyethylene glycol, block copolymers and/or triblock copolymers and/or tree resins and/or polyacrylates and/or polymethacrylates. In general, commercially available screen printing media based on e.g. glycol or terpineol are suitable, but others are also suitable.
Nach einer weiteren Ausführungsform ist ferner vorgesehen, dass die Paste folgende Anteile in Gew.-% enthält: According to a further embodiment, it is further provided that the paste contains the following proportions in % by weight:
Feststoff (bestehend aus Bindemittel und Pigment): 35 - 60 Trägermedium 40 - 65 (besonders bevorzugt 45 - 62,5) Diese Zusammensetzung ist insbesondere dann bevorzugt, wenn ein pseudoplastisches Trägermedium mit Viskositäten zwischen 2 und 3,5 Pas bei 50/s verwendet wird. Solid (consisting of binder and pigment): 35 - 60 Carrier medium 40 - 65 (particularly preferred 45 - 62.5) This composition is particularly preferred when a pseudoplastic carrier medium with viscosities between 2 and 3.5 Pas at 50/s is used.
Alternativ enthält die Paste folgende Anteile in Gew.-%: Alternatively, the paste contains the following proportions in % by weight:
Feststoff (bestehend aus Bindemittel und Pigment): 60-80 Trägermedium 20 - 40. (besonders bevorzugt 25-33) wt% Diese Zusammensetzung ist insbesondere dann bevorzugt, wenn ein New- tonsches Siebdruckmedium mit Viskositäten zwischen <1 Pas zwischen 50/s und 300/s verwendet wird. Solids (consisting of binder and pigment): 60-80 Carrier medium 20 - 40. (particularly preferred 25-33) wt% This composition is particularly preferred when a Newtonian screen printing medium with viscosities between <1 Pas between 50/s and 300/s is used.
Die vorstehend genannten Bereiche für die Anteile an Feststoff und Trägermedium in der Paste wurden mit dem Ziel gewählt, eine bevorzugte Pastenviskosität von 2500-4000 mPas einzustellen. Da die Pastenviskosität wiederum von den Eigenschaften des verwendeten Trägermediums abhängt werden die Gewichtsverhältnisse der Zusammensetzung bevorzugt an das verwendete Trägermedium angepasst. The above-mentioned ranges for the proportions of solid and carrier medium in the paste were chosen with the aim of setting a preferred paste viscosity of 2500-4000 mPas. Since the paste viscosity in turn depends on the properties of the carrier medium used, the weight ratios of the composition are preferably adapted to the carrier medium used.
Dabei besteht in beiden Fällen der Feststoff aus 30-70 Gewichts-% Bindemittel (Fritte) und 70-30 Gewichts-% Pigment und bestimmt somit die Endschichtzusammensetzung. In both cases, the solid consists of 30-70% by weight of binder (frit) and 70-30% by weight of pigment and thus determines the final layer composition.
Analog zur vorstehenden Beschreibung des beschichteten Substrats ist bezüglich der Paste nach eine bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass der Polydispersitätsindex PI der Partikelgrößenverteilung der Pigmentpartikel maximal 2,0, bevorzugt maximal 1 ,5, besonders bevorzugt maximal 1 beträgt. Analogous to the above description of the coated substrate, with regard to the paste, a preferred embodiment provides that the polydispersity index PI of the particle size distribution of the pigment particles is a maximum of 2.0, preferably a maximum of 1.5, particularly preferably a maximum of 1.
Ebenfalls analog zur vorstehenden Beschreibung des beschichteten Substrats ist ferner nach einer weiteren Ausführungsform vorgesehen, dass die Pigmentpartikel eine Sphärizität M-J von mindestens 0,6, bevorzugt mindestens 0,7, besonders bevorzugt mindestens 0,8 aufweisen. Die Applikation der Paste auf einem Substrat zur Herstellung des zuvor beschriebenen beschichteten Substrats wird nach einer weiteren Ausführungsform dadurch verbessert, dass die Paste eine Viskosität von 2000 bis 8000 mPas, bevorzugt 2500 bis 6000 mPas, ganz besonders bevorzugt 3000 bis 4500 mPas bei einer Scherrate von 200/s aufweist. Die Viskosität der Paste kann dabei beispielsweise mittels eines Plattenviskosimeters ermittelt werden. Bei den beschriebenen Werten der Viskosität ist die Paste besonders gut mittels üblicher Auftragsverfahren großtechnisch auf Substrate, insbesondere auf Glasscheiben, auftragbar. Vorteilhaft kann die Paste dabei mittels eines Druckverfahrens wie beispielsweise Siebdruck auf das Substrat aufgebracht werden. Ferner können hier auch andere Druckverfahren, wie beispielsweise Siebdruck, Tampondruck, Jet-Druck oder Inkjet-Druck verwendet werden. Also analogous to the above description of the coated substrate, according to a further embodiment it is further provided that the pigment particles have a sphericity MJ of at least 0.6, preferably at least 0.7, particularly preferably at least 0.8. The application of the paste to a substrate for producing the previously described coated substrate is improved according to a further embodiment in that the paste has a viscosity of 2000 to 8000 mPas, preferably 2500 to 6000 mPas, very particularly preferably 3000 to 4500 mPas at a shear rate of 200/s. The viscosity of the paste can be determined, for example, using a plate viscometer. With the viscosity values described, the paste can be applied particularly well to substrates, in particular to glass panes, on a large scale using conventional application methods. The paste can advantageously be applied to the substrate using a printing method such as screen printing. Other printing methods such as screen printing, pad printing, jet printing or inkjet printing can also be used here.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Paste, wie sie zuvor beschrieben wurde. Das Verfahren weist dabei die folgenden Schritte auf: In a further aspect, the invention relates to a method for producing a paste as described above. The method comprises the following steps:
• Erzeugung eines Ausgangspulvers aus einer Precursorlösung, wobei die in dem Ausgangspulver enthaltenen Partikel eine Partikelgröße von höchstens 20 nm aufweisen, • Production of a starting powder from a precursor solution, wherein the particles contained in the starting powder have a particle size of at most 20 nm,
• Kalzinierung des Ausgangspulvers, um mögliche flüchtige Reststoffe zu entfernen und Kristallite wachsen zu lassen • Calcination of the starting powder to remove possible volatile residues and allow crystallites to grow
• Trocknung des kalzinierten Ausgangspulvers, • Drying of the calcined starting powder,
• Mischung des getrockneten Pulvers mit dem Bindemittel und dem Trägermedium zur Erzeugung der Paste. • Mixing the dried powder with the binder and the carrier medium to produce the paste.
Bei der Precursorlösung handelt es sich dabei bevorzugt um eine metallhaltige nitratische, sulfatische, carbonatische oder chloridische Lösung handelt, wobei die Precursorlösung bevorzugt Mn und/oder Fe und/oder Co und/oder Ni und/oder Cu und/oder Cr enthält. Die Ausgangsmedien der Pigmentherstellung sind dementsprechend Salze der für die Pigmentherstellung gewünschten Metallarten, die mit Wasser in Lösung gebracht werden, wobei durch die Auswahl der Metallarten die optischen Eigenschaften des Pigments beeinflusst werden können. The precursor solution is preferably a metal-containing nitrate, sulfate, carbonate or chloride solution, whereby the precursor solution preferably contains Mn and/or Fe and/or Co and/or Ni and/or Cu and/or Cr. The starting media for pigment production are salts of the metal types desired for pigment production, which are dissolved in water, whereby the optical properties of the pigment can be influenced by the selection of the metal types.
Alternativ kann es sich bei der Precursorlösung allerdings auch um ein Lösern it- tel-basiertes System handeln, beispielsweise auf Sol-Gel Basis. Alternatively, the precursor solution can also be a solvent-based system, for example on a sol-gel basis.
Zur Erzeugung des Ausgangspulvers können dabei unterschiedliche Ansätze verfolgt werden. Beispielsweise können hierzu (Co)-Fällungen der Precursorlösung, aber auch Verfahren wie Flammenhydrolyse, thermische Sprühtrocknung, Gaskondensation, Laserablation, Plasmaspray- Methoden (CVS Verfahren), Sol- Gel- Methoden, Hydrothermal-Methoden, Verbrennungen oder ähnliches eingesetzt werden. Die dabei erzeugten Partikel sind zunächst noch im sehr feinen Nanometer-Bereich und haben eine Korngröße von etwa 2-20 nm. Different approaches can be used to produce the starting powder. For example, (co)precipitation of the precursor solution, but also processes such as flame hydrolysis, thermal spray drying, gas condensation, laser ablation, plasma spray methods (CVS processes), sol-gel methods, hydrothermal methods, combustion or similar can be used. The particles produced are initially in the very fine nanometer range and have a grain size of around 2-20 nm.
Bei Verwendung einer Fällungsreaktion ist die Kornform und Kornfraktion im Ausgangspulver stark abhängig von den Fällungsbedingungen. So ist durch die Wahl des Fällungsmediums (Carbonatfällung, Hydroxidfällung, Oxalatfällung) einer z.B. nitratischen oder chloridischen Lösung, ein weites Spektrum unterschiedlicher Ausgangspulver herstellbar. Auch durch unterschiedliche Trocknungsmethoden des aus der Fällung erzeugten Filterkuchens (einfache Trocknung an Luft, Gefriertrocknung, azeotrope Destillation) sind Pulver unterschiedlicher Qualitäten und Ausgangseigenschaften (z.B. spezielle Oberflächen) erzielbar. Bei den Fällungen haben weiterhin eine Vielzahl von weiteren Parametern (pH-Wert, Rührerdrehzahlen, Temperatur, Fällungsvolumen etc.) einen Einfluss auf das erzeugte Ausgangspulver und dessen physikalische und chemische Eigenschaften. Idealerweise sind dabei die Partikel des Ausgangspulvers nur durch schwache Brücken in Form von Sinterhälsen miteinander verbunden. Dabei weisen die Partikel des getrockneten Pulvers nach einer bevorzugten Ausführungsform eine Sphärizität M-J von mindestens 0,6 auf. When using a precipitation reaction, the grain shape and grain fraction in the starting powder are highly dependent on the precipitation conditions. By choosing the precipitation medium (carbonate precipitation, hydroxide precipitation, oxalate precipitation) of a nitrate or chloride solution, for example, a wide range of different starting powders can be produced. Powders of different qualities and starting properties (e.g. special surfaces) can also be achieved by using different drying methods for the filter cake produced from the precipitation (simple drying in air, freeze drying, azeotropic distillation). During precipitation, a large number of other parameters (pH value, stirrer speeds, temperature, precipitation volume, etc.) also influence the starting powder produced and its physical and chemical properties. Ideally, the particles of the starting powder are only connected to one another by weak bridges in the form of sinter necks. According to a preferred embodiment, the particles of the dried powder have a sphericity MJ of at least 0.6.
Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Erzeugung des Ausgangspulvers mittels eines Heißgasverfahrens, insbesondere unter Zuhilfenahme eines Pulsationsreaktors. Die Verwendung eines Pulsationsreaktors zur Erzeugung des Ausgangspulvers hat dabei den Vorteil, dass die Eigenschaften der Partikel des Ausgangspulvers durch entsprechende Wahl der Prozessparameter des Pulsationsreaktors sehr genau eingestellt werden können. Gleichzeitig kann durch den Pulsationsreaktor auch direkt der zweite Verfahrensschritt der Kalzinierung des Ausgangspulvers realisiert werden. According to a particularly preferred embodiment, the starting powder is produced by means of a hot gas process, in particular with the aid of a pulsation reactor. The use of a pulsation reactor to produce the starting powder has the advantage that the properties of the particles of the starting powder can be adjusted very precisely by selecting the process parameters of the pulsation reactor accordingly. At the same time, the second process step of calcining the starting powder can also be carried out directly using the pulsation reactor.
Die Kalzinierung dient dabei dazu, flüchtige Reststoffe (Carbonate, Sulfate, etc) zu entfernen, die beispielsweise nach einer Fällung der Precursorlösung in den Partikeln des Ausgangspulvers verbleiben. Gleichzeitig dient die Kalzinierung dazu, die Kristallphasen der Partikel vollständig auszubilden. Die Kalzinierung kann dabei unter anderem auch in einem Kammerofen, Drehrohrofen oder Rollenofen bei Temperaturen zwischen 800°C und 1400°C, insbesondere 900°C und 1200°C, besonders bevorzugt 900°C und 1100°C, insbesondere 900 bis 1000°C, oder 950 bis 1100°C für eine Dauer von 0,5h bis 12h, bevorzugt 0,5 bis 10h insbesondere 2h bis 8h, besonders bevorzugt 3h bis 6h erfolgen. Ferner kann die Kalzinierung auch über eine Zeitspanne von 0,5 bis 8h, besonders bevorzugt 0,5 bis 5h erfolgen. The calcination serves to remove volatile residues (carbonates, sulfates, etc.) that remain in the particles of the starting powder, for example after precipitation of the precursor solution. At the same time, the calcination serves to fully form the crystal phases of the particles. The calcination can also be carried out in a chamber furnace, rotary kiln or roller kiln at temperatures between 800°C and 1400°C, in particular 900°C and 1200°C, particularly preferably 900°C and 1100°C, in particular 900 to 1000°C, or 950 to 1100°C for a period of 0.5h to 12h, preferably 0.5 to 10h, in particular 2h to 8h, particularly preferably 3h to 6h. Furthermore, the calcination can also be carried out over a period of 0.5 to 8 hours, particularly preferably 0.5 to 5 hours.
Durch die Kalzinierung können die Partikel des Pulvers je nach verwendeter Methode zusammenbacken, so dass gegebenenfalls ein nachfolgender De-Ag- glomerations-Schritt notwendig ist, der insbesondere durch einen Mahlprozess realisiert werden kann. Die Mahlung kann dabei trocken oder feucht erfolgen, wobei im Falle einer feuchten Mahlung z.B. Alkohole, flüssiger Kohlenwasserstoff wie Heptane oder wasserbasierte Medien verwendet werden können. Die Zeiten des Mahlens können bis 24 Stunden betragen, sollten jedoch so gewählt werden, dass kein Abrieb von den Mahlkörpern bzw. der Mahltrommelauskleidung erfolgen kann, da dies je nach Material der Mahlkörper/Mahltrommel beispielsweise zu einer Verunreinigung der Partikel mit AI2O3 oder ZrÜ2 führen kann. Für eine trockene Mahlung können beispielsweise Resonanzmischer, Siebmühlen, Jet-Mühlen, Taumler oder eine Rollenbank eingesetzt werden, während die nasse Mahlung mittels Ringspaltmühle, Scheibenmühle, Attritor, Korbmühle, Rührwerkskegelmühle erfolgen kann. Calcination can cause the powder particles to cake together, depending on the method used, so that a subsequent de-agglomeration step may be necessary, which can be achieved in particular by a grinding process. Grinding can be carried out dry or wet, whereby in the case of wet grinding, alcohols, liquid hydrocarbons such as heptanes or water-based media can be used. The grinding times can be up to 24 hours, but should be chosen so that It must be ensured that no abrasion can occur from the grinding media or the grinding drum lining, as this can lead to contamination of the particles with Al2O3 or ZrÜ2, for example, depending on the material of the grinding media/grinding drum. For dry grinding, resonance mixers, sieve mills, jet mills, tumblers or a roller bank can be used, for example, while wet grinding can be carried out using an annular gap mill, disk mill, attritor, basket mill or agitator cone mill.
Die Trocknung der Gemenge kann wiederum an Luft bei geringen Temperaturen erfolgen. Beispielsweise kann die Mahlsuspension mittels Sprühtrockung getrocknet werden. Bevorzugt erzeugt die Sprühtrockung weiche Agglomerate, welche in der nachfolgenden Pastenherstellung gut im Dreiwalzenstuhl zerkleinert werden können. Ferner kann die Trocknung auch mittels Trockenschrank, Gefriertrockner oder Rotationsverdampfer umgesetzt werden. Dabei weisen die Partikel des Pulvers nach der Trocknung bevorzugt eine mittlere Partikelgröße dso von weniger als 1 pm auf. The mixture can again be dried in air at low temperatures. For example, the grinding suspension can be dried by spray drying. Spray drying preferably produces soft agglomerates, which can be easily crushed in the three-roll mill in the subsequent paste production. Drying can also be carried out using a drying cabinet, freeze dryer or rotary evaporator. The particles of the powder after drying preferably have an average particle size dso of less than 1 pm.
Zur Erzeugung der Paste, die zur Herstellung des beschichteten Substrats verwendet wird, wird das getrocknete Pulver mit dem Bindemittel und dem Trägermedium der Paste vermischt. To produce the paste used to manufacture the coated substrate, the dried powder is mixed with the binder and the carrier medium of the paste.
Die Paste ist vorzugsweise so ausgestaltet, dass die von der Paste umfasste Glasfritte einen linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen mindestens 2*10’6/K und höchstens 10*10’6/K aufweist, bevorzugt zwischen mindestens 3*10’6/K und höchstens 6*10’6/K. Auf diese Weise ist es möglich, dass bei Verwendung der Paste Beschichtungen erhalten werden, welche eine ausreichende Festigkeit der Glasscheibe ermöglichen, insbesondere bei vorzugsweise deckenden Beschichtungen. Besonders vorteilhaft sind hier gerade thermische Ausdehnungskoeffizienten im Bereich zwischen mindestens 3*10’6/K und höchstens 6*10'6/K. Als Druckverfahren zur Applikation der Paste auf dem Substrat wird dabei bevorzugt Siebdruck eingesetzt. Dabei wird bevorzugt eine Siebstärke von 54-64, 54- 70, 68-64, 68-70, 71-55, 77-48, 77-55, 100-40, 110-34W, 110-35Y, 120-35W, 130-34Y, 140-31 , 140-31 W oder 165-27Y eingesetzt, um die beschriebenen Schichtdicken zu erzielen. Besonders bevorzugt ist dabei eine Siebstärke von 100-40, 110-34W oder 140-31 . Dies entspricht einem theoretischen Farbvolumen des verwendeten Siebes von 10 bis 30 cm3/m2. The paste is preferably designed such that the glass frit encompassed by the paste has a linear thermal expansion coefficient of between at least 2*10' 6 /K and at most 10*10' 6 /K, preferably between at least 3*10' 6 /K and at most 6*10' 6 /K. In this way, it is possible to obtain coatings when using the paste which enable the glass pane to be sufficiently strong, particularly in the case of preferably opaque coatings. Thermal expansion coefficients in the range between at least 3*10' 6 /K and at most 6*10' 6 /K are particularly advantageous here. Screen printing is preferably used as the printing method for applying the paste to the substrate. A screen thickness of 54-64, 54-70, 68-64, 68-70, 71-55, 77-48, 77-55, 100-40, 110-34W, 110-35Y, 120-35W, 130-34Y, 140-31, 140-31 W or 165-27Y is preferably used to achieve the layer thicknesses described. A screen thickness of 100-40, 110-34W or 140-31 is particularly preferred. This corresponds to a theoretical ink volume of the screen used of 10 to 30 cm 3 /m 2 .
Nachdem die Paste auf das Substrat aufgedruckt wurde, wird die so erzeugte Schicht eingebrannt, um die Beschichtung zu erzeugen. Dabei verdampft das Trägermedium im Wesentlichen, sodass sich die Zusammensetzung der Beschichtung im Wesentlichen aus den Anteilen der Feststoffe in der verwendeten Paste ergibt. Mit den zuvor beschriebenen Zusammensetzungsbereichen der Paste ergeben sich so Beschichtungen, die zu 30-70 Gew.-% aus Bindemittel, also der aufgeschmolzenen Glasfritte und zu 70-30 Gew.-% aus Pigment bestehen. Dies ist gleichbedeutend mit Anteilen 85 und 50 Vol.-% Bindemittel und 15 - 50 Vol.-% Pigment in der Beschichtung. Bevorzugt ist dabei ein Gehalt an Bindemittel in der Beschichtung zwischen 80 und 60 Vol.-%, besonders bevorzugt zwischen 75 und 60 Vol.-%, was bevorzugten Anteilen an Pigment in der Beschichtung von 20 - 40 Vol.%, besonders bevorzugt 25 und 40 Vol.% entspricht. After the paste has been printed onto the substrate, the layer created in this way is fired to produce the coating. The carrier medium essentially evaporates in the process, so that the composition of the coating essentially results from the proportions of solids in the paste used. With the composition ranges of the paste described above, coatings are produced which consist of 30-70% by weight of binder, i.e. the melted glass frit, and 70-30% by weight of pigment. This is equivalent to proportions of 85 and 50% by volume of binder and 15 - 50% by volume of pigment in the coating. A binder content in the coating of between 80 and 60% by volume is preferred, particularly preferably between 75 and 60% by volume, which corresponds to preferred proportions of pigment in the coating of 20 - 40% by volume, particularly preferably 25 and 40% by volume.
Auf diese Weise können nämlich - insbesondere für die vorliegend offenbarten Dicken der Beschichtung - Beschichtungen erhalten werden, die eine ausreichende Deckkraft (oder auch Blickdichte) aufweisen, bei gleichzeitig ausreichender Kratz- und Haftfestigkeit der Beschichtung. In this way, coatings can be obtained which have sufficient covering power (or opacity) while at the same time having sufficient scratch resistance and adhesion strength of the coating - particularly for the thicknesses of the coating disclosed here.
Im Folgenden werden bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen: Figur 1 Detailaufnahmen beispielhafte Pigmentpartikel zur Erzeugung einer Beschichtung im Vergleich zu Pigmentpartikeln aus dem Stand der Technik, In the following, preferred embodiments of the invention are explained in more detail with reference to the drawings. Figure 1 Detailed images of exemplary pigment particles for producing a coating in comparison to pigment particles from the prior art,
Figur 2 eine Schnittansicht eines beispielhaften beschichteten Substrats im Vergleich zu einem beschichteten Substrat nach dem Stand der Technik, Figure 2 is a sectional view of an exemplary coated substrate compared to a coated substrate according to the prior art,
Figur 3 ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zur Herstellung einer Paste, Figure 3 is a flow chart of an exemplary process for producing a paste,
Figur 4 Detailaufnahmen der Partikel eines beispielhaften Ausgangspulvers, Figure 4 Detailed images of the particles of an exemplary starting powder,
Figur 5 Detailaufnahmen der Partikel nach einer Kalzinierung bei 800°C für 4h, und Figure 5 Detailed images of the particles after calcination at 800°C for 4h, and
Figur 6 Detailaufnahmen der Partikel nach einer Kalzinierung bei 1000°C für 4h., Figure 6 Detailed images of the particles after calcination at 1000°C for 4h.,
Im Folgenden werden identische oder funktional ähnliche Merkmale mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet. In the following, identical or functionally similar features are identified with the same reference symbols.
Die Figur 1 zeigt Detailaufnahmen beispielhafte Pigmentpartikel 100 zur Erzeugung einer Beschichtung im Vergleich zu einem Pigment aus dem Stand der Technik. Dabei zeigt die Figur 1 a) Pigmentpartikel, wie sie erfindungsgemäß zur Herstellung eines beispielhaften beschichteten Substrats verwendet werden, während die Figur 1 b) Pigmentpartikel 102 zeigt, wie sie bei vergleichbaren beschichteten Substraten nach dem Stand der Technik verwendet werden. Die Aufnahmen der Figur 1 wurden dabei mittels eines Rasterelektronenmikroskops ermittelt, wobei der Maßstab der beiden Abbildungen identisch ist. Wie im Vergleich der Figuren 1 a) und 1 b) gut zu erkennen ist, weichen die Geometrien der beispielhaften Pigmentpartikel der Figur 1 a) stark von der Geometrie der bisher verwendeten Pigmentpartikel der Figur 1 b). Während die bisher verwendeten Pigmentpartikel 102 eine sehr unregelmäßige Form mit scharfen Kanten und je Partikel sehr unterschiedlichen Verhältnissen von Länge, Breit und Dicke des Partikels aufweisen, sind die beispielhaften Pigmentpartikel 100 der Figur 1 a) in ihrer Form deutlich homogener und weisen im Allgemeinen eine polyedrische Form auf, die weitgehend einer Kugelform ähnelt. Dementsprechend weisen die Pigmentpartikel 100 bevorzugt eine Sphärizität, also eine rechnerisch ermittelte „Kugelhaftigkeit“ M-J von wenigstens 0,6 auf. Dabei würde eine Sphärizität M-J von 1 eine perfekte Kugel beschreiben. Eine solche Partikelform ist besonders vorteilhaft für den Streuquerschnitt der Partikel in der Beschichtung und somit für die Opazität der Beschichtung auf dem Substrat. Figure 1 shows detailed images of exemplary pigment particles 100 for producing a coating in comparison to a pigment from the prior art. Figure 1 a) shows pigment particles as used according to the invention to produce an exemplary coated substrate, while Figure 1 b) shows pigment particles 102 as used in comparable coated substrates according to the prior art. The images in Figure 1 were taken using a scanning electron microscope, with the scale of the two images being identical. As can be clearly seen in the comparison of Figures 1 a) and 1 b), the geometries of the exemplary pigment particles in Figure 1 a) differ greatly from the geometry of the pigment particles used to date in Figure 1 b). While the pigment particles 102 used to date have a very irregular shape with sharp edges and very different ratios of length, width and thickness of the particle for each particle, the exemplary pigment particles 100 in Figure 1 a) are much more homogeneous in their shape and generally have a polyhedral shape that largely resembles a sphere. Accordingly, the pigment particles 100 preferably have a sphericity, i.e. a computationally determined "sphericity" MJ of at least 0.6. A sphericity MJ of 1 would describe a perfect sphere. Such a particle shape is particularly advantageous for the scattering cross section of the particles in the coating and thus for the opacity of the coating on the substrate.
Im Kontrast hierzu weisen die Pigmentpartikel 102 nach dem Stand der Technik eine deutlich geringere Sphärizität auf, die üblicherweise kleiner als 0,5 ist. Insgesamt weisen die Partikel 102 eine Scherbenform In contrast, the pigment particles 102 according to the prior art have a significantly lower sphericity, which is usually less than 0.5. Overall, the particles 102 have a shard shape
Ein weiterer signifikanter Unterschied zwischen den Pigmentpartikeln 100 der Figur 1 a) und den Pigmentpartikeln 102 der Figur 1 b) besteht in der Größenverteilung der Pigmentpartikel 100 bzw. 102. So ist die Größenverteilung der Pigmentpartikel 100 in der Figur 1 a) sehr homogen, mit wenigen Ausreißern, wie beispielsweise den vergleichsweise großen Partikeln 104. Gleichzeitig weisen in der dargestellten Ausführungsform die Pigmentpartikel 100 eine mittlere Partikelgröße dso von etwa 0,3 pm auf. Demgegenüber weisen die in Figur 1 b) dargestellten Pigmentpartikel 102 eine mittlere Partikelgröße dso von mehr als 0,6 pm auf, wobei die Größe von Partikel zu Partikel stark schwankt und teilweise die Partikelgröße aufgrund einer Agglomeration der Partikel nur schwer zu ermitteln ist. Die Pigmentpartikel 100, wie sie in der Figur 1 a) dargestellt sind, können dabei beispielsweise nach einem Verfahren hergestellt werden, wie es im Folgenden noch mit Bezug auf Figur 3 beschrieben wird. Another significant difference between the pigment particles 100 of Figure 1 a) and the pigment particles 102 of Figure 1 b) is the size distribution of the pigment particles 100 and 102, respectively. The size distribution of the pigment particles 100 in Figure 1 a) is very homogeneous, with few outliers, such as the comparatively large particles 104. At the same time, in the embodiment shown, the pigment particles 100 have an average particle size dso of approximately 0.3 pm. In contrast, the pigment particles 102 shown in Figure 1 b) have an average particle size dso of more than 0.6 pm, with the size varying greatly from particle to particle and the particle size being difficult to determine in some cases due to agglomeration of the particles. The pigment particles 100, as shown in Figure 1 a), can be produced, for example, by a process as described below with reference to Figure 3.
Die Figur 2 a) zeigt eine Schnittansicht eines beispielhaften Substrats 106 mit einer Beschichtung 110 im Vergleich zu einem Substrat 108 mit einer Beschichtung 112 nach dem Stand der Technik, das in der Figur 2 b) dargestellt ist. Die Substrate 106 und 108 bestehen dabei aus demselben Material. Auch hier haben die Figuren 2 a) und 2 b) den gleichen Maßstab, sodass ein direkter Vergleich der Beschichtungen vereinfacht wird. Die in der Figur 2 a) angegebene Dicke d der Beschichtung 110 des Substrats 106 beträgt in der dargestellten Ausführungsform 3,5 pm. Figure 2 a) shows a sectional view of an exemplary substrate 106 with a coating 110 in comparison to a substrate 108 with a coating 112 according to the prior art, which is shown in Figure 2 b). The substrates 106 and 108 are made of the same material. Here too, Figures 2 a) and 2 b) have the same scale, so that a direct comparison of the coatings is simplified. The thickness d of the coating 110 of the substrate 106 indicated in Figure 2 a) is 3.5 pm in the embodiment shown.
Im Vergleich der Figuren 2 a) und b) ist dabei gut zu erkennen, dass in der Beschichtung 110 der Figur 2 a) die Pigmentpartikel 100 deutlich homogener verteilt sind als die Pigmentpartikel 102 in der Beschichtung 112 der Figur 2 b). Auch die Homogenität der Partikelgrößenverteilung ist in der Beschichtung 110 der Figur 2 a) deutlich besser als in der Beschichtung 112 der Figur 2 b). Dementsprechend weist die Beschichtung 110 der Figur 2 a) bei gleicher Schichtdicke eine deutlich verbesserte Opazität gegenüber der Beschichtung 112 auf. When comparing Figures 2 a) and b), it is clearly evident that in the coating 110 of Figure 2 a), the pigment particles 100 are distributed much more homogeneously than the pigment particles 102 in the coating 112 of Figure 2 b). The homogeneity of the particle size distribution is also much better in the coating 110 of Figure 2 a) than in the coating 112 of Figure 2 b). Accordingly, the coating 110 of Figure 2 a) has a significantly improved opacity compared to the coating 112 with the same layer thickness.
Ein weiterer Effekt der homogenen Partikelgrößenverteilung und der gleichmäßigen Verteilung der Pigmentpartikel in der Beschichtung 110 der Figur 2 a) zeigt sich im Vergleich des Verlaufs der jeweiligen Oberflächen 114 bzw. 116 der Beschichtungen 110 und 112. Während die Beschichtung 112 eine stark wellige Oberfläche 116 aufweist, ist die Oberfläche 114 der Beschichtung 110 deutlich glatter. Die Ursache hierfür ist in der Figur 2 b) bereits darin zu sehen, dass in der Beschichtung 112 lokale Ballungen 118 von Pigmentpartikeln 102 auftreten, wobei in eben diesen Ballungen relativ große Pigmentpartikel 102 vorhanden sind. Gleichzeitig gibt es Bereiche 120 in der Beschichtung 112, in denen augenscheinlich die Dichte der Pigmentpartikel 102 gegenüber der übrigen Beschichtung deutlich reduziert ist. A further effect of the homogeneous particle size distribution and the uniform distribution of the pigment particles in the coating 110 of Figure 2 a) can be seen in the comparison of the course of the respective surfaces 114 and 116 of the coatings 110 and 112. While the coating 112 has a strongly wavy surface 116, the surface 114 of the coating 110 is significantly smoother. The reason for this can already be seen in Figure 2 b) in the fact that local agglomerations 118 of pigment particles 102 occur in the coating 112, with relatively large pigment particles 102 being present in these agglomerations. At the same time, there are areas 120 in the coating 112 in which the density of the pigment particles 102 is clearly reduced compared to the rest of the coating.
Die Figur 3 zeigt ein Flussdiagramm 200 eines beispielhaften Verfahrens zur Herstellung einer Paste, wie sie zur Erzeugung der Beschichtung der Figur 2 a verwendet wurde. Figure 3 shows a flow chart 200 of an exemplary method for producing a paste as used to produce the coating of Figure 2a.
Dabei wird in einem ersten Verfahrensschritt 202 zunächst eine Precursorlösung hergestellt. Hierzu werden bevorzugt Salze der zur Pigmentherstellung benötigten Ausgangsstoffe in Lösung gebracht, sodass als Precursorlösung eine metallhaltige nitratische, sulfatische, carbonatische oder chloridische Lösung vorliegt, wobei die Precursorlösung bevorzugt Mn und/oder Fe und/oder Co und/oder Ni und/oder Cu und/oder Cr enthält. Die Auswahl der enthaltenen Metalle beeinflusst dabei wesentlich die optischen Eigenschaften des Pigments und mithin der erzeugten Beschichtung. Alternativ kann es sich bei der Precursorlösung allerdings auch um ein Lösern ittel-basiertes System handeln, beispielsweise auf Sol- Gel Basis. In a first process step 202, a precursor solution is first prepared. For this purpose, salts of the starting materials required for pigment production are preferably dissolved so that the precursor solution is a metal-containing nitrate, sulfate, carbonate or chloride solution, with the precursor solution preferably containing Mn and/or Fe and/or Co and/or Ni and/or Cu and/or Cr. The selection of the metals contained significantly influences the optical properties of the pigment and thus of the coating produced. Alternatively, the precursor solution can also be a solvent-based system, for example on a sol-gel basis.
In einem nachfolgenden Verfahrensschritt 204 wird aus der Precursorlösung ein Ausgangspulver erzeugt. Bei der Precursorlösung kann es sich insbesondere um eine wässrige Salzlösung in Form von Nitraten, Carbonaten und/oder Sulfaten handeln, und/oder die Precursorlösung kann auf Grundlage eines Lösern ittel-ba- sierten Systems, beispielsweise als Sol-Gel hergestellt werden. Dabei kann zur Herstellung der Pigmentpartikel beispielsweise ein im Stand der Technik bekannter Pulsationsreaktor verwendet werden. Durch eine geeignete Wahl der Reaktionszeit im Pulsationsreaktor kann die Partikelgröße gesteuert werden. In a subsequent process step 204, a starting powder is produced from the precursor solution. The precursor solution can in particular be an aqueous salt solution in the form of nitrates, carbonates and/or sulfates, and/or the precursor solution can be produced on the basis of a solvent-based system, for example as a sol-gel. In this case, a pulsation reactor known in the prior art can be used, for example, to produce the pigment particles. The particle size can be controlled by a suitable choice of the reaction time in the pulsation reactor.
Die in dem Ausgangspulver enthaltenen Partikel, die beispielsweise aus dem Reaktorprozess erhalten wurden und üblicherweise zunächst wenige feine Kris- tallite mit Größen im niedrigen Nanometerbereich aufweisen (etwa 2 - 20 nm), werden anschließend in Verfahrensschritt 206 einer Kalzinierung unterzogen. Eine solche Kalzinierung erfolgt dabei bevorzugt bei einer Temperatur von 800 bis 1400°C, besonders bevorzugt bei 900 bis 1200°C, ganz besonders bevorzugt bei 900 bis 1100°C, insbesondere 900 bis 1000°C, oder 950 bis 1100°C für eine Zeitspanne von 1 bis 12h, bevorzugt 0,5 bis 10h, besonders bevorzugt 2 bis 8h, ganz besonders bevorzugt 3 bis 6h. Ferner kann die Kalzinierung auch über eine Zeitspanne von 0,5 bis 8h, besonders bevorzugt 0,5 bis 5h erfolgen. Die Kalzinierung dient dabei dazu, flüchtige Reststoffe (Carbonate, Sulfate, etc.) aus dem Ausgangspulver zu entfernen und die Kristallphasen vollständig auszubilden. The particles contained in the starting powder, which were obtained, for example, from the reactor process and usually initially have a few fine crystallites with sizes in the low nanometer range (about 2 - 20 nm), are then subjected to calcination in process step 206. Such calcination is preferably carried out at a temperature of 800 to 1400°C, particularly preferably at 900 to 1200°C, very particularly preferably at 900 to 1100°C, in particular 900 to 1000°C, or 950 to 1100°C for a period of 1 to 12 hours, preferably 0.5 to 10 hours, particularly preferably 2 to 8 hours, very particularly preferably 3 to 6 hours. Furthermore, the calcination can also take place over a period of 0.5 to 8 hours, particularly preferably 0.5 to 5 hours. The calcination serves to remove volatile residues (carbonates, sulfates, etc.) from the starting powder and to fully form the crystal phases.
Nach der Kalzinierung der Pigmentpartikel ist in Verfahrensschritt 208 eine De- Agglomeration der Pigmentpartikel vorgesehen. Die De-Agglomeration ist dabei üblicherweise erforderlich, da die Partikel des Ausgangspulvers infolge der Kalzinierung zusammenbacken können, sodass die Partikelgröße nach der Kalzinierung meist den jeweiligen Anforderungen noch nicht entspricht. Zur De-Agglome- ration kann auf Mahlprozesse, insbesondere Trockenmahlung oder Nassmahlung zurückgegriffen werden. After the calcination of the pigment particles, deagglomeration of the pigment particles is provided in process step 208. Deagglomeration is usually necessary because the particles of the starting powder can cake together as a result of calcination, so that the particle size after calcination usually does not yet meet the respective requirements. Grinding processes, in particular dry grinding or wet grinding, can be used for deagglomeration.
Anschließend findet in Verfahrensschritt 210 eine Trocknung des nach Schritt 208 de-agglomerierten Pulvers statt. Hierzu können unterschiedliche Trocknungsverfahren angewendet werden, wie beispielsweise Sprühtrocknung oder Gefriertrocknung. Ferner kann auch ein Trockenschrank oder Rotationsverdampfer zum Einsatz kommen. Subsequently, in process step 210, the powder de-agglomerated according to step 208 is dried. Different drying methods can be used for this, such as spray drying or freeze drying. Furthermore, a drying cabinet or rotary evaporator can also be used.
Ein so erzeugtes Pigment kann beispielsweise Cobaltoxid (CoO), Chromoxid (Cr2O3), Manganoxid (MnO) und Eisenoxid (Fe2Os) aufweisen, wobei jeweils bezogen auf Gew.-% auf Oxidbasis folgende Bereiche bevorzugt sind: Co 20 - 35, Cr 15 - 25, Mn 20 - 35, A pigment produced in this way can, for example, contain cobalt oxide (CoO), chromium oxide (Cr2O3), manganese oxide (MnO) and iron oxide (Fe2Os), with the following ranges being preferred in terms of weight percent on an oxide basis: Co 20 - 35, Cr 15 - 25, Mn 20 - 35,
Fe 20 - 30. Das erzeugte Pigment in Form des getrockneten Pulvers wird in einem abschließenden Verfahrensschritt 212 mit einem glasbasierten Bindemittel und einem Trägermedium (auch als Dispersionsmedium bezeichnet) zur Erzeugung der Paste vermischt. Fe 20 - 30. The pigment produced in the form of the dried powder is mixed in a final process step 212 with a glass-based binder and a carrier medium (also referred to as dispersion medium) to produce the paste.
Die Figuren 4 bis 6 zeigen Detailaufnahmen der Partikel während der Herstellung des Pigments zu unterschiedlichen Verfahrensständen. Dabei zeigen die Figuren jeweils zwei Abbildungen in unterschiedlicher Vergrößerung, wobei zu den Figuren jeweils ein Maßstab am unteren rechten Rand der Figur angegeben ist. Figures 4 to 6 show detailed images of the particles during the production of the pigment at different stages of the process. The figures each show two images at different magnifications, with a scale indicated for each figure at the bottom right edge of the figure.
Dabei zeigt die Figur 4 Detailaufnahmen der Partikel eines beispielhaften Ausgangspulvers, wie es beispielsweise durch Fällung einer Precursorlösung erzeugt werden kann. Bei den Partikeln handelt es sich dabei um ein CoMnFeCr- Spinell. Wie in den gezeigten Abbildungen gut erkennbar ist, sind die einzelnen Partikel noch zu großen Klumpen agglomeriert und weisen noch keine erkennbar kristalline Struktur auf. Dies ist insbesondere in der Figur 4 b) gut an demjenigen Bereich des in der rechten Bildhälfte gezeigten Agglomerats erkennbar, in dem ein Teil der Partikel von dem Agglomerat abgeblättert ist. Figure 4 shows detailed images of the particles of an example starting powder, such as can be produced by precipitation of a precursor solution. The particles are a CoMnFeCr spinel. As can be clearly seen in the images shown, the individual particles are still agglomerated into large clumps and do not yet have a recognizable crystalline structure. This is particularly clearly visible in Figure 4 b) in the area of the agglomerate shown in the right half of the image, in which some of the particles have flaked off the agglomerate.
Die in der Figur 4 gezeigten Agglomerate enthalten zudem teilweise noch flüchtige Reststoffe (Carbonate, Sulfate, etc.) die von der Precursorlösung stammen. Diese Reststoffe werden im Zuge der Kalzinierung der Partikel entfernt. Zudem wird durch die Kalzinierung das Wachstum der Kristallphasen der Pigmentpartikel angeregt. Hierzu sind in den Figuren 5 und 6 jeweils Detailaufnahmen von Partikeln nach der Kalzinierung für unterschiedliche Parameter des Kalzinierungsprozesses gezeigt, The agglomerates shown in Figure 4 also contain some volatile residues (carbonates, sulfates, etc.) that come from the precursor solution. These residues are removed during the calcination of the particles. In addition, the calcination stimulates the growth of the crystal phases of the pigment particles. Figures 5 and 6 show detailed images of particles after calcination for different parameters of the calcination process.
Bei dem in Figur 5 gezeigten Beispiel wurden die Partikel bei etwa 800°C für einen Zeitraum von 4 h kalziniert. Dabei ist insbesondere in der Detailaufnahme der Figur 4 b) gut erkennbar, dass sich die Oberfläche des gezeigten Agglomerats gegenüber der Darstellung der Figur 4 dahingehend verändert hat, dass die zuvor noch vergleichsweise glatt wirkende Oberfläche zunehmend porös wirkt. Dabei sind in der Oberfläche des Agglomerats bereits deutlich einzelne Partikel erkennbar, während dies bei den in Figur 4 gezeigten Agglomeraten von Partikeln noch nicht der Fall war. In the example shown in Figure 5, the particles were calcined at about 800°C for a period of 4 hours. In particular, the detailed image shows Figure 4 b) clearly shows that the surface of the agglomerate shown has changed compared to the representation in Figure 4 in that the previously comparatively smooth surface appears increasingly porous. Individual particles are already clearly visible in the surface of the agglomerate, whereas this was not yet the case with the agglomerates of particles shown in Figure 4.
Bei dem in Figur 6 gezeigten Beispiel wird die Wirkung der Kalzinierung demgegenüber noch deutlicher. Dabei wurde die Kalzinierung bei einer Temperatur von 1000°C über einen Zeitraum von 4h durchgeführt, was zu einer gegenüber Figur 5 deutlich stärker ausgeprägten Kristallstruktur der in den gezeigten Agglomeraten zusammengeballten Pigmentpartikel geführt hat. Ein Mahlen der so erhaltenen Agglomerate und eine anschließende Trocknung der so erhaltenen Pigmentpartikel führt dann zu dem eingangs in Figur 1 a) gezeigten Pigmenten. In the example shown in Figure 6, the effect of calcination is even clearer. Calcination was carried out at a temperature of 1000°C over a period of 4 hours, which led to a much more pronounced crystal structure of the pigment particles clustered together in the agglomerates shown compared to Figure 5. Grinding the agglomerates thus obtained and subsequent drying of the pigment particles thus obtained then leads to the pigments shown at the beginning in Figure 1 a).
Nachfolgend werden beispielhaft für unterschiedliche Schichtzusammensetzungen mit unterschiedlichen Pigmenten auf unterschiedlichen Substraten die jeweiligen optischen Eigenschaften angegeben. The following examples show the respective optical properties for different layer compositions with different pigments on different substrates.
Für die Pigmentherstellung wurden dabei die folgenden Pigmentzusammensetzungen verwendet (Angaben in Gew.-%): The following pigment compositions were used for pigment production (data in % by weight):
Die Pigmente wurden jeweils durch eine Fällungsreaktion einer nitratischen Lösung und anschließende Kalzinierung bei einer Temperatur zwischen 900°C und 1100°C für eine Dauer von 3 bis 5 h und anschließender Mahlung gewonnen. Für eine Schichtzusammensetzung mit einem Gewichtsverhältnis von 45 Gew.- % Bindemittel (also einer Glasfritte) und 55 Gew.-% Pigment wurden so für die unterschiedlichen Pigmente bei Beschichtung eines transparenten Substrats aus Glaskeramik (CERAN® Cleartrans) mit einer Dicke von 4 mm und einem Einbrand der Beschichtung im Zuge der Keramisierung des Substrats (sog. Primäreinbrand) bei einer Temperatur von etwa 920 °C folgende Eigenschaften ermittelt: The pigments were each obtained by a precipitation reaction of a nitrate solution and subsequent calcination at a temperature between 900°C and 1100°C for a period of 3 to 5 hours and subsequent grinding. For a layer composition with a weight ratio of 45 wt.% binder (i.e. a glass frit) and 55 wt.% pigment, the following properties were determined for the different pigments when coating a transparent substrate made of glass ceramic (CERAN® Cleartrans) with a thickness of 4 mm and firing the coating during the ceramization of the substrate (so-called primary firing) at a temperature of about 920 °C:
Pigment 1 : Pigment 1 :
Pigment 2: Pigment 2:
Pigment 3: Pigment 3:
Pigment 3: Pigment 3:
Pigment 4: Pigment 4:
Die Werte L* a* und b* beziehen sich dabei auf das CIELab Farbsystem. Das Anpastverhältnis gibt das Verhältnis von Feststoff (Pigment und Bindemittel) zu Trägermedium der Paste zur Herstellung der Beschichtung wieder. The values L* a* and b* refer to the CIELab color system. The pasting ratio indicates the ratio of solids (pigment and binder) to carrier medium of the paste used to produce the coating.
Bei Verwendung eines Glassubstrats aus BOROFLOAT® 33 und einer Zusammensetzung der Beschichtung von 65 Gewichts-% Bindemittel und 35 Gew.-% Pigment wurden nach einem Einbrand der Beschichtung bei 680 °C folgende Parameter der Beschichtung ermittelt: When using a glass substrate made of BOROFLOAT® 33 and a coating composition of 65% by weight binder and 35% by weight pigment, the following coating parameters were determined after firing the coating at 680 °C:
Die Optische Dichte bezeichnet dabei den dekadischen Logarithmus der Opazität. The optical density refers to the decimal logarithm of the opacity.
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