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Dokumentenidentifikation DE102005021346A1 16.02.2006
Titel Schaltbare Schicht und Verfahren zum Umschalten der Schicht
Anmelder Koenig & Bauer AG, 97080 Würzburg, DE
Erfinder Richter, Holger, Dr.-Ing., 01097 Dresden, DE;
Risse, Gunter, Dr., 01237 Dresden, DE
DE-Anmeldedatum 04.05.2005
DE-Aktenzeichen 102005021346
Offenlegungstag 16.02.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 16.02.2006
IPC-Hauptklasse G03F 7/004(2006.01)A, F, I, ,  ,  ,   
IPC-Nebenklasse B41C 1/10(2006.01)A, L, I, ,  ,  ,      C09D 5/33(2006.01)A, L, I, ,  ,  ,      
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft eine schaltbare Schicht, die reversibel von einem hydrophoben Zustand in einen hydrophilen Zustand versetzt werden kann. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren, um diese Schicht reversibel von einem hydrophoben Zustand in einen hydrophilen Zustand zu versetzen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, das Umschalten einer schaltbaren Schicht sowohl vom hydrophilen in den hydrophoben Zustand als auch vom hydrophoben in den hydrophilen Zustand wesentlich zu beschleunigen und damit die Wirtschaftlichkeit und Breite der Anwendung von schaltbaren Schichten zu erhöhen. Weiterhin soll durch die erfindungsgemäße Lösung ein großer Schaltbereich möglich werden.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Schicht aus mindestens einem Oxid von einem der Elemente Ti, Zr, W, Zn, Co, Mn, Bi, Nb, Cu, Cr, Ni, V oder Fe und mindestens aus einer als Polymer ausgebildeten Carbonylverbindung oder einer als Säurehalogenid oder als Aldehyd und/oder mindestens einer heteroanalogen Carbonylverbindung besteht.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine schaltbare Schicht, die reversibel von einem hydrophoben Zustand in einen hydrophilen Zustand versetzt werden kann. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren, um diese Schicht reversibel von einem hydrophoben Zustand in einen hydrophilen Zustand zu versetzen.

Schaltbare Schichten finden bisher insbesondere in Form der Oberfläche von Druckplatten im Rahmen von Druckprozessen Verwendung. Bekannt ist ein Prozess zur Herstellung einer photokatalytisch wirksamen amphiphilen Schicht, die durch Aufbringen eines Photokatalysators auf ein Substrat und durch Photoaktivierung dieser Schicht erzeugt wird (US-Patent 5939194). Diese Schicht kann mittels UV-Bestrahlung in den hydrophilen Zustand überführt werden. Das Umschalten vom hydrophilen in den hydrophoben Zustand erfolgt durch Lagerung über einen Zeitraum von mehreren Tagen in der Dunkelheit. Bei Einsatz von TiO2 als Photokatalysator sind Randwinkel eines Wassertropfens auf dieser Schicht zwischen 0° und ca. 60 ° einstellbar. Der TiO2-Schicht kann vorteilhaft folgende Zusätze enthalten: Silber, Eisen, Kupfer und Platinmetalle. Nachteilig sind bei dieser schaltbaren Schicht die relativ geringe Hysterese von ca. 60° und insbesondere die lange Zeitdauer, die für den Schaltvorgang zwischen dem hydrophilen und dem hydrophoben Zustand nötig ist.

Im US-Patent 6318264 wird die Verwendung einer photokatalytisch wirksamen Schicht als schaltbare Schicht in einer Druckmaschine und einem damit realisierbaren Druckprozess vorgeschlagen. Dabei besteht die photokatalytisch wirksame Schicht vorteilhaft aus TiO2, die auch mit Fremdatomen dotiert sein kann oder aus anderen Oxiden der 4. Hauptgruppe des Periodensystems. Der hydrophobe Zustand wird bei diesen Schichten durch Lagern in dunkler, trockener Umgebung eingestellt. Das Umschalten in den hydrophilen Zustand erfolgt durch UV-Bestrahlung. Bei diesen Schichten wird im hydrophoben Zustand einen N2O-Randwinkel von ca. 70° erreicht.

Im US-Patent 6564713 wird eine Methode zur Herstellung und Wiederverwendung einer Druckplatte, die einen Photokatalysator enthält, beschrieben, wobei hydrophobe Bildpunkte auf der Druckplatte durch das Auftragen einer Flüssigkeit erzeugt werden, welche organische Verbindungen enthält. Der Einsatz der genannten organischen Verbindungen hat den Vorteil, dass im Vergleich zu reinen Photokatalysator-Oberflächen eine stärkere Hydrophobie erreicht werden kann. Die organischen Verbindungen können durch die Einstrahlung von Licht photokatalytisch oxidiert und von der Oberfläche der Druckplatte entfernt werden, wenn das Licht eine größere Energie besitzt als sie der Bandlücke des Photokatalysators entspricht. Das bedeutet, dass die Zersetzung der organischen Verbindung auf einer TiO2-Oberfläche durch UV-Licht mit einer Wellenlänge kürzer als 390 nm erfolgen kann. Durch die Zersetzung und Entfernung der auf der Druckplatte befindlichen organischen Verbindungen mittels der genannten hochenergetischen Strahlung werden die hydrophoben Bildpunkte von der Druckplatte entfernt und die Druckplatte auf diese Weise regeneriert.

Nachteilig an dem in US-Patent 6564713 beschriebenen Prozess ist die nicht ausreichende Geschwindigkeit der Entfernung der organischen Verbindungen von der Druckplatte mittels photokatalytischer Oxidation. Das ist gleichbedeutend mit einer nicht ausreichenden Geschwindigkeit des Umschaltens vom hydrophoben in den hydrophilen Zustand. Die Ursache für dieses Verhalten liegt darin, dass es sich bei der Oxidation von organischen Verbindungen an der Oberfläche von Photokatalysatoren um eine relativ komplizierte Reaktion unter Beteiligung mehrerer Moleküle handelt, bei dem auch der zeitabhängige Transport der Reaktionsteilnehmer über Diffusionsprozesse eine wichtige Rolle spielt. Bei dem im US-Patent 6564713 beschriebenen Prozess werden die auf der Druckplatte befindlichen organischen Verbindungen bei der Regenerierung der Druckplatte zu den Reaktionsprodukten Kohlendioxid und Wasser oxidiert. Das ist das Ergebnis eines photokatalytischen Oxidationsprozesses unter Mitwirkung von Hydroxylradikalen und Luftsauerstoff.

Die in EP 1020304 A2 dargestellte erfinderische Lösung beruht auf der Erkenntnis, dass die Oberfläche einer Schicht, die einen Photokatalysator enthält, bei mäßiger Erwärmung (bis ca. 200°C) langsam in einen hydrophoben Zustand übergeht, während bei deutlich höherer Temperatur (oberhalb ca. 300°C) eine zunehmende Hydrophilie beobachtet wird. In EP 1020304 A2 wird deshalb eine schaltbare Schicht für den Einsatz im Druckprozess vorgeschlagen, die mittels Temperaturbehandlung in einem Temperaturbereich von 50 bis 250°C hydrophobiert und mittels Temperaturbehandlung bei Temperaturen im Bereich von 250 bis 700°C hydrophiliert wird. Eine solche Schicht kann aus den photokatalytisch wirksamen Materialien TiO2, ZnO oder SrTiO3 bestehen. Während der Temperaturbehandlung der schaltbaren Schicht in dem Temperaturbereich, bei dem sich ein hydrophober Zustand einstellt, kann die Gasatmosphäre, die im Kontakt mit der schaltbaren Schicht steht, den Dampf einer organischen Verbindung enthalten. Die Anwesenheit einer gasförmigen organischen Verbindung bei der genannten Temperaturbehandlung bewirkt, dass eine erhöhte Hydrophobie erreicht wird. Als geeignete Verbindungsklassen der organischen Verbindungen werden in EP 1020304 A2 genannt: Aliphatische und aromatische Kohlenwasserstoffe, Karbonsäuren, Alkohole, Ether, Amine und organische Siliziumverbindungen. Die vorteilhaft einsetzbaren organischen Verbindungen besitzen lange Kohlenwasserstoffreste mit bis zu 40 Kohlenstoffatomen. Es ist bekannt, dass sich das wasserabweisende Verhalten einer festen Oberfläche erhöht, wenn sich solche Verbindungen auf dieser Oberfläche ablagern. Dieser Effekt wird in EP 1020304 A2 genutzt, um den hydrophilen Zustand der schaltbaren Schicht zu verstärken, der durch die Wärmebehandlung in einem Temperaturbereich zwischen 50 und 250°C erreicht wird. Der hydrophobe Zustand ist bei diesen Schichten nicht allein durch die Wirkung der eingesetzten organischen Verbindungen erreichbar. Um bei den schaltbaren Schichten nach EP 1020304 A2 eine ausreichende Hydrophobie zu erreichen, ist deshalb die Temperaturbehandlung im genannten Temperaturbereich zwischen 50 und 250°C notwendig, wobei die notwendige Temperatur über einen relativ langen Zeitraum aufrecht erhalten werden muss. Das ist verbunden mit einem relativ großen Zeitbedarf von einigen Minuten für den Umschaltvorgang vom hydrophilen in den hydrophoben Zustand. Das bedeutet, dass für jeden Punkt des zu erzeugenden Bildes die entsprechende Fläche auf der schaltbaren Schicht mehrere Minuten auf der zur Hydrophobierung notwendigen Temperatur gehalten werden muss. Insbesondere beim Einsatz von fokussierter IR-Strahlung oder Laserstrahlung für die Wärmeerzeugung führt das aufgrund der mit diesen Wärmequellen verbundenen kleinen gleichzeitig heizbaren Fläche zur Minderung der Wirtschaftlichkeit des Einsatzes dieser schaltbaren Schicht im Druckprozess. Ein weiterer Nachteil dieser Schichten ist die für einige Einsatzgebiete nicht ausreichende maximale Hydrophobie, die durch einen relativ niedrigen maximalen Wasserrandwinkel von ca. 50° gekennzeichnet ist. Das kann insbesondere beim Einsatz von Oberflächen mit erhöhter Rauheit zu einer nicht ausreichenden Wasserabweisung führen, da bei rauen Schichten aufgrund der Oberflächenstruktur eine erhöhte Neigung zur Wasserbenetzung besteht, die durch die Hydrophobie der Oberfläche kompensiert werden muss.

Ein entscheidender Nachteil des gegenwärtigen Standes der Technik von wiederbeschreibbaren Druckplatten unter Verwendung von organischen Verbindungen zur Hydrophilierung der Druckplattenoberfläche ist die unzureichende Stabilität des hydrophoben Schaltzustandes während eines laufenden Druckjobs. Das zeigt sich darin, dass ursprünglich farbführende Punkte mit fortschreitender Nutzungsdauer der Druckplatte wasserbenetzbar und damit farbabweisend werden.

Ursache dieser Erscheinung ist eine nicht ausreichende Nassfestigkeit der Bindung der im gegenwärtigen Stand der Technik angewandten hydrophobierenden Moleküle auf der TiO2-Oberfläche.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, das Umschalten einer schaltbaren Schicht sowohl vom hydrophilen in den hydrophoben Zustand als auch vom hydrophoben in den hydrophilen Zustand wesentlich zu beschleunigen, die Stabilität der Schaltzustände entscheidend zu verbessern und einen großen Schaltbereich zu ermöglichen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmalen des 1. und des 9. Anspruchs gelöst.

Die erfindungsgemäße schaltbare Schicht ist vorteilhaft als Bestandteil von Druckmaschinen im Rahmen von Druckprozessen einsetzbar. Darüber hinaus kann eine Anwendung bei der Strukturierung von Oberflächen, z.B. im Forschungsgerätebau, Herstellung analytischer Instrumente und in der Elektronik erfolgen.

Nachfolgend soll die Ausführung der Erfindung näher beschrieben werden.

Zur Herstellung der Schicht:

Für die Herstellung der schaltbaren Schicht werden Oxide der Elemente Ti, Zr, W, Zn, Co , Mn, Bi, Nb, Cu, Cr, Ni, V und Fe angewendet. Ergänzend könne auch Zusätze von Al2O3, Y2O3, CeO2, Nb2O3, MoO3, B2O3, P2O5, PbO und SiO2 eingetragen werden, wobei auch Verbindungen von zwei oder mehr dieser Oxide eingeschlossen werden können.

Vorteilhaft können zur Herstellung der schaltbaren Schicht Zusätze verwendet werden, die bei Temperaturbehandlung eine Glasphase bilden, welche in der Schicht als Binder wirksam ist. Bei Temperaturen oberhalb der Erweichungstemperatur der Glasphase entstehen damit Schichten mit besonders hoher mechanischer Festigkeit. Besonders vorteilhaft ist der Einsatz niedrigschmelzender Glas-Fritten. Solche Fritten haben typische Glastemperaturen im Bereich von 500 bis 700°C und bestehen zum Beispiel aus Blei-Borosilicat oder Blei-Zink-Borosilicat. Niedrigschmelzende bleifreie Fritten werden beispielsweise im US-Patent 4312951 vorgeschlagen. Diese bestehen beispielsweise aus den Oxiden von Alkalimetallen, Zn, Al, B, P, Si, Ti und enthalten Fluorverbindungen. Ebenfalls vorteilhaft einsetzbar sind niedrigschmelzende Glaszusammensetzungen auf Basis von Zinkphosphat, dem u.a. Alkali- und Erdalkalimetalloxide zugesetzt werden können. Mit diesen Gläsern sind Glastemperaturen unterhalb 450°C erreichbar.

Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Schichten können beispielhaft folgende Methoden angewandt werden: Plasmaspritzen, Sol-Gel-Technologie, ANOF-Verfahren, Elektrophorese. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, die Sol-Gel-Technologie mit anderen Herstellungsverfahren zu verbinden. Durch diese Kombination ist es möglich, die Oberflächenbeschaffenheit der Schichten gezielt einzustellen und damit an den jeweiligen Anwendungsfall optimal anzupassen.

Diese derart hergestellten Schichten sind hydrophil.

Zur Hydrophobierung:

Um eine anwendungsfähige schaltbare Schicht zu erhalten, muss diese in einen reversiblen Zustand versetzt werden, der das Umschalten ermöglicht. Hierzu wird diese Schicht in einen hydrophoben Zustand versetzt. Das erfolgt durch das Aufbringen von einer oder mehreren organischen Verbindungen.

Es wurde gefunden, dass die Stabilität des hydrophoben Zustandes, der durch das Aufbringen einer hydrophobierenden Verbindung auf die schaltbare Schicht entsteht, im Vergleich zum gegenwärtigen Stand der Technik entscheidend verbessert werden kann, wenn an Stelle der bisher verwendeten hydrophobierenden Einzelmoleküle, die jeweils eine funktionelle Gruppe enthalten, die zur Adsorption an einer TiO2-Oberfläche geeignet ist, hydrophob modifizierte Polymere (amphiphile Polymere oder Polymertenside) eingesetzt werden. Dabei handelt es sich um Block- oder Pfropfcopolymere, die hydrophile Gruppen und einen Anteil an hydrophoben Gruppen besitzen.

Als besonders vorteilhaft hat sich die Vernetzung von auf der schaltbaren Schicht adsorbierten hydrophobierenden Makromoleküle zu einem zusammenhängenden „hydrophobierenden Polymerfilm" erwiesen.

Überraschend zeigte sich, dass die durch das Aufbringen der organischen Verbindungen erreichte Hydrophobierung noch deutlich verstärkt werden kann, wenn während des Aufbringens der organischen Verbindungen oder unmittelbar danach eine Bestrahlung der schaltbaren Schicht mittels UV-Strahlung oder einer Kombination von UV-Strahlung und IR-Strahlung erfolgt oder wenn auf die schaltbare Schicht eine elektrische Entladung oder ein Plasma einwirkt. Im Vergleich zu einer reinen IR-Bestrahlung, wie sie in EP 1020304 zur Verstärkung der Hydrophobie vorgeschlagen wird, wird bei Anwendung von UV-Strahlung oder einer Kombination von UV-Strahlung und IR-Strahlung in wesentlich kürzerer Zeit (bis zu wenigen Sekunden) eine erhöhte Hydrophobie der Oberfläche der schaltbaren Schicht erreicht.

Bei den organischen Verbindungen handelt es sich um Carbonylverbindungen oder heteroanaloge Carbonylverbindungen.

Es zeigte sich, dass Carbonsäurehalogenide und Aldehyde besonders vorteilhaft zur Hydrophobierung der erfindungsgemäßen schaltbaren Schichten einsetzbar sind. Das steht in Übereinstimmung mit der Reihenfolge der Reaktivität der Carbonylverbindungen. Es wurde gefunden, dass diejenigen Carbonylverbindungen, bei denen die Carbonylgruppe eine besonders hohe Reaktivität besitzt, besonders gut dazu geeignet sind, in geringer Menge eine starke Hydrophobierung der erfindungsgemäßen schaltbaren Schichten zu bewirken.

Heteroanaloge Carbonylverbindungen sind so ausgebildet, dass der Sauerstoff der Carbonylgruppe durch ein Heteroatom ersetzt ist. Dabei handelt es sich hier um Verbindungen mit einer Thiocarbonylgruppe, einer Azomethingruppe oder einer Nitrilgruppe.

Heteroanaloge Carbonylverbindungen können auch so ausgebildet sein, dass der Kohlenstoff der Carbonylgruppe durch ein Heteroatom ersetzt ist. Dabei handelt es sich hier um Verbindungen mit einer Nitrosogruppe, einer Nitrogruppe oder einer Sulfogruppe.

Überraschend zeigte sich, dass bereits bei Einsatz einer sehr geringen Menge dieser Verbindungen eine im Vergleich zum Stand der Technik deutlich größere Verstärkung der Hydrophobie der schaltbaren Schicht erreicht wird.

Wahrscheinliche Ursache für dieses Verhalten der Carbonylverbindungen ist die hohe Reaktivität der Carbonylgruppe, die in deren starken Polarität und leichten Polarisierbarkeit begründet ist. Die Carbonylverbindungen lassen sich in der folgenden Reihe mit abnehmender Reaktivität einordnen: Carbonsäurehalogenide, Aldehyde, Ketone, Ester, Carbonsäureamide, Carbonsäuren.

Der Prozess des Umschaltens vom hydrophoben in den hydrophilen Zustand mittels Desorption der adsorbierten organischen Verbindungen kann in einer minimalen Zeit erfolgen, wenn nicht mehr als die zur Hydrophobierung gerade ausreichende Menge an organischer Substanz auf die schaltbare Schicht aufgebracht wird.

Die zur Hydrophobierung gerade ausreichende Menge an organischer Substanz steht sehr wahrscheinlich im unmittelbaren Zusammenhang mit der Zahl von nicht abgesättigten reaktiver Zentren auf der Oberfläche der schaltbaren Schicht.

Das Vorhandensein von nicht abgesättigten reaktiven Ti-Ionen auf TiO2-Oberflächen, die als schaltbare Schicht Verwendung finden, wird als Ursache für die starke Hydrophilie dieser Oberflächen betrachtet. Eine deutliche Änderung der Hydrophilie einer schaltbaren Schicht sollte insbesondere dann zu erwarten sein, wenn es gelingt, die für die Hydrophilie verantwortlichen Zentren gezielt auszuschalten. Wahrscheinlich sind die erfindungsgemäß eingesetzten Carbonylverbindungen im Gegensatz zu bisher verwendeten organischen Verbindungen zur spezifischen Adsorption an den genannten reaktiven Zentren der schaltbaren Schicht geeignet. Damit wird die Anlagerung von Wasser an diese Zentren verhindert.

Im Unterschied zu üblichen hydrophobierenden Substanzen, wie zum Beispiel Ölen und Fetten, die nicht zur spezifischen Adsorption an den genannten reaktiven Zentren geeignet sind und einen mehr oder weniger geschlossenen Film auf der gesamten damit benetzten Oberfläche bilden, wird bei der spezifischen Adsorption von dazu geeigneten organischen Verbindungen die gewünschte hydrophobierende Wirkung mit einer minimalen adsorbierten Stoffmenge erzielt.

Ein Überschuss an organischen Verbindungen auf der schaltbaren Fläche, der unvermeidlich ist, wenn organische Verbindungen eingesetzt werden, die nicht zur spezifischen Adsorption geeignet sind, führt zu Verzögerungen beim Zurückschalten in den hydrophilen Zustand, da eine vollständige Wasserbenetzung der Schicht erst erreicht wird, wenn die organische Verbindung von deren Oberfläche beseitigt ist. Es ist deshalb von Vorteil, wenn die Konzentration der organischen Verbindung in der zum Aufbringen genutzten Lösung sehr gering ist. Typisch sind Konzentrationen von unter 1 %.

Die organischen Verbindungen werden als Bestandteil einer Lösung in einer sehr geringen Menge aufgebracht. Vorteilhaft besitzt das Lösungsmittel einen hohen Dampfdruck bei Raumtemperatur, so dass die in geringer Menge aufgebrachte Lösung schnell eindampft, wobei ein dünner Film der in der Lösung enthaltenen organischen Verbindung auf der Oberfläche der schaltbaren Schicht entsteht. Vorteilhaft kann die Bildung eines dünnen Filmes aus den genannten organischen Verbindungen durch eine kurzzeitige leichte Erwärmung bis ca. 100°C unterstützt werden. Nach Entstehung dieses Filmes ist das Umschalten in den hydrophoben Zustand beendet.

Im hydrophoben Zustand sind bei den erfindungsgemäßen Schichten H2O-Randwinkel bis 110° und darüber (bei glatten Schichten) bzw. von bis 140° (bei rauen Schichten) erreichbar.

Zur Hydrophilierung:

Im Unterschied zu bekannten schaltbaren Schichten, bei denen das Umschalten vom hydrophoben in den hydrophilen Zustand durch Einwirkung von UV-Strahlung erfolgt, wobei die UV-Strahlung eine größere Energie besitzt als sie der Bandlücke des in der Schicht vorhandenen Photokatalysators entspricht, erfolgt bei der erfindungsgemäßen Schicht das Umschalten vom hydrophoben in den hydrophilen Zustand durch Einwirkung von IR-Strahlung oder durch die Anwesenheit eines Plasmas oder durch eine elektrische Entladung. Es zeigte sich, dass die Umschaltzeit direkt von der eingebrachten Energiemenge, bezogen auf die Flächeneinheit, abhängig ist und bei Einsatz leistungsfähiger Energiequellen Werte im Bereich von Sekundenbruchteilen erreichen kann. Die Ursache dafür liegt sehr wahrscheinlich darin begründet, dass bei dem erfindungsgemäßen Prozess das Umschalten vom hydrophoben in den hydrophilen Zustand durch die Desorption der auf der Oberfläche der schaltbaren Schicht adsorbierten organischen Verbindungen erfolgt. Dabei handelt es sich um einen Prozess, der mit einer großen Geschwindigkeit verlaufen kann. Der Desorptionsprozess wird thermisch aktiviert oder durch Molekülschwingungen der adsorbierten organischen Verbindungen ausgelöst, die durch IR-Strahlung angeregt werden.

Vorteilhaft ist die Anwendung von fokussierter IR-Strahlung. Es hat sich ebenfalls gezeigt, das durch selektive IR-Absorption eine besonders hohe Umschaltgeschwindigkeit erreicht werden kann, d.h. bei Anwendung von IR-Strahlung mit der Wellenlänge, bei der eine bevorzugte IR-Absorption durch die organische Verbindung erfolgt, die an der Schichtoberfläche adsorbiert ist.

Eine weitere Möglichkeit der Energiezuführung zum Zwecke der Desorption besteht in der Applikation eines Plasmas oder durch eine elektrische Entladung.

Die Regenerierung der Schicht durch Überführung der gesamten Schicht in einen hydrophilen Zustand erfolgt mittels Wärmeeinwirkung, zum Beispiel mittels Bestrahlung der gesamten Oberfläche mit fokussierter IR-Strahlung, wodurch die Temperatur im obersten Bereich der wiederbeschreibbaren Schicht kurzzeitig bis ca. 500°C erreichen kann. Die so behandelte Oberfläche weist einen Wasserrandwinkel von 0° auf und kann durch erneutes Beschichten mit einer Carbonylverbindung wiederum durch Desorption hydrophobiert werden und steht somit für eine weitere Anwendung zur Verfügung.

Anwendungsbeispiele:

Die erfindungsgemäße Lösung ist zur Realisierung von Druckprozessen anwendbar. Das betrifft insbesondere die Herstellung und den Betrieb von wieder benutzbaren Druckplatten für den Offset-Druck unter Anwendung von Wasser.

Darüber hinaus kann die erfindungsgemäße Lösung auch zur Strukturierung von Oberflächen in einer solchen Weise genutzt werden, dass die strukturierten Oberflächen zur Herstellung von Druckplatten für den wasserfreien Druckprozess eingesetzt werden können.

Ein derartiger Anwendungsfall wird nachfolgend beschrieben:

Ein anodisiertes Aluminiumblech wird mittels Plasmaspritzen mit TiO2 beschichtet. Anschließend wird mittels Laminar-Flow Coating TiO2-Sol aufgebracht, dass nach einem bekannten Verfahren aus Titanisopropoxid durch Hydrolyse und partielle Kondensation hergestellt wurde. Anschließend erfolgt eine Temperung für 2 Stunden bei 550°C. Die getemperte Schicht hat einen Wasserrandwinkel von 0°. Die so erhaltene Schicht wird mit einer 0,1 % wässrigen Lösung einer mittels N-Octylamin modifizierten Polyacrylsäure (M w 60000g/mol), bei der der Anteil der modifizierten Monomereinheiten bei 30% liegt, benetzt, getrocknet und anschließend für einen Zeitraum von 30 Sekunden unter Anwendung eines Quecksilber-Mitteldruckstrahlers mit einer Kombination von UV- und IR-Strahlung bestrahlt. Danach beträgt der Wasserrandwinkel der Schicht 128°. Anschließend erfolgt die lokale Bestrahlung der Schicht mittels IR-Laserimpulsen mit einer Intensität unterhalb der Ablationsschwelle. Die Laserbestrahlung erfolgt auf eine solche Weise, dass damit die Flächen abgerastert werden, auf der die Entstehung von farbabweisenden Bereichen gewünscht ist. Dadurch werden die gewünschten Bildinformationen übertragen. Nach der Laserbestrahlung liegt der Wasserrandwinkel auf den bestrahlten Flächen bei 0°.

Die so hergestellten Druckplatten können auf einen geeigneten Träger aufgespannt und im Druckprozess unter Verwendung von Wasser als Befeuchtungsmittel eingesetzt werden.

Die Regenerierung der Druckplatten erfolgt (nach der Reinigung der Druckplatte) mittels Bestrahlung der gesamten Oberfläche mit fokussierter IR-Strahlung, wodurch die Temperatur im obersten Bereich der wiederbeschreibbaren Schicht kurzzeitig ca. 500°C erreicht. Die so behandelte Oberfläche weist einen Wasserrandwinkel von 0° auf und kann nach erneuter Befeuchtung mit einer wässrigen Lösung einer hydrophob modifizierten Polyacrylsäure, Trocknung und UV- und IR-Bestrahlung wiederum durch Lasereinwirkung mit Bildinformationen versehen und im Druckprozess eingesetzt werden.

Die erfindungsgemäße Lösung ist aber nicht nur für die Anwendung im Zusammenhang mit Druckprozessen von Bedeutung, sondern es gibt eine große Zahl von Möglichkeiten, die erfinderische Lösung zu Strukturierung von Oberflächen auf der Grundlage von Benetzbarkeitsunterschieden anzuwenden. Die Anwendung der erfinderischen Lösung ist insbesondere zur effektiven Strukturierung von großen Oberflächen oder bei der Herstellung von großen Stückzahlen von Teilen mit strukturierter Oberfläche vorteilhaft. Ein Beispiel ist die Herstellung von strukturierten Oberflächen, die das Sammeln und den gerichteten Transport von Flüssigkeiten entlang definierter Wege ermöglichen (fluid control films; capillary channels). Solche Strukturen werden im US-Patent 6531206 beschrieben und können zum Beispiel in Analysensystemen oder bei der Kapillarelektrophorese eingesetzt werden.

Beispiele für weitere Anwendungsbereiche der erfindungsgemäßen Lösung sind die Herstellung von Elektrolumineszenz-Systemen, die Herstellung von Geräten für bioanalytische und molekularbiologische Untersuchungen, die Strukturierung von elektronischen Komponenten und die Herstellung von strukturierten elektrisch leitfähigen Filmen, sowie die Strukturierung von Metallfolien.

Ein weiterer Anwendungsfall, die Herstellung von Cu-Leitbahnen auf einem keramischen Substrat, wird nachfolgend beschrieben:

Ein keramisches Substrat wird mittels Tauchen und Ziehen mit einem ZnO-Sol, das nach einem bekannten Verfahren durch alkalische Hydrolyse von Zn-Acetat hergestellt wurde, beschichtet.

Anschließend erfolgt eine Temperung bei 800°C für 30 Minuten. Die dabei entstehende ZnO-Schicht ist 200 nm dick und weist einen Wasserrandwinkel von 0° auf.

Die ZnO-Schicht wird mit einer Lösung von 0,1 % Hexadecansäurechlorid in Hexan benetzt und bei Raumtemperatur getrocknet. Der Wasserrandwinkel der Schicht beträgt in diesem Zustand 90°. Anschließend erfolgt eine lokale Bestrahlung der Schicht mittels IR-Laserimpulsen mit einer Intensität unterhalb der Ablationsschwelle. Die Laserbestrahlung erfolgt auf eine solche Weise, dass damit die Flächen abgerastert werden, auf der die Entstehung von Cu-Leitbahnen gewünscht ist.

Nach der Laserbestrahlung liegt der Wasserrandwinkel auf den bestrahlten Flächen bei 0°.

Im Anschluss daran wird die Schicht mit einer wässrigen Lösung benetzt, in der sich ein Material befindet, dass zur katalytischen Aktivierung der stromlosen Abscheidung von Kupfer geeignet ist. Ein geeignetes Material wird im US-Patent 6680273 beschrieben. Daran anschließend erfolgt die stromlose Abscheidung von Kupfer nach einem bekannten Verfahren. Eine detaillierte Beschreibung der stromlosen Kupferabscheidung findet sich ebenfalls im US-Patent 6680273. Dabei kommt es nur auf den Flächen zur Kupferabscheidung, auf denen die Einwirkung der Laserstrahlung erfolgte.


Anspruch[de]
  1. Schaltbare Schicht, die reversibel von einem hydrophoben Zustand in einen hydrophilen Zustand versetzt werden kann, bestehend aus

    – mindestens einem Oxid von einem der Elemente Ti, Zr, W, Zn, Co, Mn, Bi, Nb, Cu, Cr, Ni, V oder Fe,

    – mindestens einer heteroanalogen Carbonylverbindung und/oder

    – mindestens einer als Polymer ausgebildeten Carbonylverbindung.
  2. Schaltbare Schicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerketten der Carbonylverbindung(en) miteinander vernetzt sind.
  3. Schaltbare Schicht, die reversibel von einem hydrophoben Zustand in einen hydrophilen Zustand versetzt werden kann, bestehend aus

    – mindestens einem Oxid von einem der Elemente Ti, Zr, W, Zn, Co, Mn, Bi, Nb, Cu, Cr, Ni, V oder Fe,

    – mindestens einer heteroanalogen Carbonylverbindung und/oder

    – mindestens einer als Säurehalogenid oder als Aldehyd ausgebildeten Carbonylverbindung.
  4. Schaltbare Schicht nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die schaltbare Schicht ein Gemisch von mindestens zwei Oxiden der Elemente Ti, Zr, W, Zn, Co, Mn, Bi, Nb, Cu, Cr, Ni, V oder Fe enthält.
  5. Schaltbare Schicht nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei der heteroanalogen Carbonylverbindung der Sauerstoff der Carbonylgruppe durch ein Heteroatom ersetzt ist.
  6. Schaltbare Schicht nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass als heteroanalogen Carbonylverbindung Verbindungen mit einer Thiocarbonylgruppe, einer Azomethingruppe oder einer Nitrilgruppe eingesetzt werden.
  7. Schaltbare Schicht nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei der heteroanalogen Carbonylverbindung der Kohlenstoff der Carbonylgruppe durch ein Heteroatom ersetzt ist.
  8. Schaltbare Schicht nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass Verbindungen mit einer Nitrosogruppe, einer Nitrogruppe oder einer Sulfogruppe eingesetzt werden.
  9. Verfahren zum Umschalten einer schaltbaren Schicht, die reversibel von einem hydrophoben Zustand in einen hydrophilen Zustand versetzt werden kann, wobei

    – die schaltbare Schicht mindestens ein Oxid oder ein Gemisch von mindestens einem Oxid von einem der Elemente Ti, Zr, W, Zn, Co, Mn, Bi, Nb, Cu, Cr, Ni, V oder Fe enthält,

    – zur Hydrophobierung der schaltbaren Schicht mindestens eine Carbonylverbindung und/oder mindestens eine heteroanaloge Carbonylverbindung auf die Oberfläche der schaltbaren Schicht aufgebracht wird,

    – die Hydrophobierung der schaltbaren Schicht durch Adsorption der Carbonylverbindung(en) bzw. der heteroanalogen Carbonylverbindung(en) erfolgt,

    – mit der Hydrophobierung und/oder unmittel nach der Hydrophobierung ein Energieeintrag erfolgt,

    – in die nunmehr hydrophobe Schicht ein Energieeintrag erfolgt, so dass

    – durch Desorption der adsorbierten Carbonylverbindung(en) bzw. der heteroanalogen Carbonylverbindung(en) die schaltbare Schicht vollständig oder lokal begrenzt in den hydrophilen Zustand versetzt wird.
  10. Verfahren zum Umschalten einer schaltbaren Schicht nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiezuführung mittels IR-Strahlung und/oder mittels UV-Strahlung erfolgt.
  11. Verfahren zum Umschalten einer schaltbaren Schicht nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiezuführung durch die Applikation eines Plasmas erfolgt.
  12. Verfahren zum Umschalten einer schaltbaren Schicht nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiezuführung durch eine elektrische Entladung erfolgt.
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