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PFAS-frei mit Silikon: Drei Beschichtungslösungen zwischen Anti-Eis, Barriere und Antihaft
Forschende vom Fraunhofer IFAM und Partner Victrex zeigen, wie Polysiloxane PFAS-haltige Systeme in funktionellen High-Performance-Beschichtungen ersetzen können. Vorgestellt werden Ansätze für Anti-Eis-, Barriere- und Antihaft-Anwendungen – inklusive Messergebnissen zur Eisadhäsion und ersten Praxisprüfungen. Dr. Jonas Friebel, Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM) und Dr. Sophie Versavaud, Victrex Europa.
Das Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM) entwickelt seit Jahren PFAS-freie Beschichtungen. Ein Schwerpunkt sind Polysiloxan-basierte Formulierungen, die in Antihaft-, Gleit- und Barrierebeschichtungen ein ähnliches Eigenschaftsprofil wie PFAS-haltige Systeme erzielen. Polysiloxane punkten durch chemische Beständigkeit, Witterungs- und Hochtemperaturstabilität der Si-O-Si-Rückgratstruktur sowie eine niedrige Oberflächenenergie von etwa 20 bis 24 mN/m.
Der Artikel stellt drei PFAS-freie High-Performance-Lösungen vor: Anti-Eis-Beschichtungen auf Basis silanisierter Polyurethane, Barriereaufbauten mit Polyimid/Schichtsilikat sowie Antihaft-Pulverbeschichtungen aus niedrigschmelzenden PAEK-Polymeren, modifiziert mit Silikonölen. Ziel ist es, Funktionalität ohne Fluorchemie zu realisieren und gleichzeitig prozesstaugliche Fenstern zu eröffnen.
Anti-Eis: Silanisierte PUR-Systeme mit geringer Eisadhäsion
Zur Bewertung eisabweisender Eigenschaften reicht der Wasserkontaktwinkel allein nicht aus. Das IFAM nutzt daher eine Eiskammer (Klareis/Reifeis) und den standardisierten Zentrifugentest (ISO/TS 19392-6:2023), um Eisadhäsion quantitativ zu bestimmen. Auf Basis früherer Ergebnisse mit fluor-modifizierten Polyurethanen wurde das Konzept auf silanisierte PUR-Bindemittel übertragen, bei denen Siloxangruppen kovalent eingebunden sind.
Die resultierende Beschichtung zeigt eine glatte Oberfläche (Rz = 0,29 µm) und eine Oberflächenenergie von 18,0 mN/m. Im Vergleich zu einem PTFE-Tape (OFE 15,1 mN/m; Rz = 0,69 µm) ist der Abrollwinkel von Wassertropfen etwas höher, die Eisadhäsion jedoch deutlich geringer: 40 kPa gegenüber 130 kPa. Damit liegt das System unterhalb der häufig zitierten 100-kPa-Schwelle für eisabweisende Oberflächen und nähert sich dem Zielwert von unter 20 kPa für passive Enteisung.
Lesetipp: Funktionelle Beschichtungen
Beschichtungen werden auf Oberflächen hauptsächlich zu dekorativen, funktionellen oder Schutzzwecken angewandt, doch in den meisten Fällen ist es eine Kombination aus all diesen. Das Buch „Funktionelle Beschichtungen“ gibt einen tiefen Einblick in neue Entwicklungen funktioneller Überzüge mit dem Fokus auf organisch-basierten Materialien. Auch hebt es die letzten Entwicklungen der verschiedenen Technologien und neuartigen Oberflächenfunktionen hervor, die Dekoration, Korrosionsschutz und Oberflächenschutz betreffen.
Barriere: Polyimid mit organisch modifizierten Schichtsilikaten
Für Dicht- und Barriereaufgaben setzt das IFAM auf einen Multi-Material-Ansatz. Kern ist eine PFAS-freie Funktionsschicht aus Polyimid (PI), ergänzt durch organisch modifizierte Schichtsilikate. Das Barriereprinzip beruht auf verlängerten Diffusionswegen: plättchenförmige Pigmente mit hohem Aspektverhältnis reduzieren das freie Volumen und blockieren Permeationspfade.
Permeationsmessungen für Sauerstoff und Wasserdampf zeigen eine gesteigerte Barriereleistung gegenüber reinem PI. Solche PI/Schichtsilikat-Aufbauten werden bereits als Schutzbeschichtungen für Elektronik eingesetzt und adressieren Anwendungen mit erhöhten chemischen und thermischen Anforderungen.
Antihaft: PAEK-Pulver plus Silikonöl als PTFE-Ersatz in Pfannen
Im Kochgeschirr zählen PTFE-Beschichtungen zu den etablierten Antihaftlösungen, weisen jedoch Fluorchemie auf. Als Alternative untersucht das Team niedrigschmelzende Polyaryletherketone (PAEK, Serie „Victrex FG 900“) mit um etwa 40 °C reduzierter Schmelztemperatur gegenüber PEEK. Das ermöglicht Aushärtungsfenster, in denen sich Silikonadditive prozesssicher einsetzen lassen.
Im Pulverbeschichtungsprozess wurde ein Zweischichtaufbau aus PAEK-Grundierung und modifizierter PAEK-Deckschicht mit Silikonöl (900-O) entwickelt. Prüfungen gemäß relevanter Normen (u. a. DIN EN ISO 2178/2360/2409/1518-2; Impact nach DIN EN ISO 6272-2; Eibrattest und Soak-Test) zeigen: gute Haft-, Kratz- und Schlagfestigkeit sowie verbesserte Antihaftwirkung durch Silikonmodifikation. Im Eibrattest liegen kommerzielle PTFE- oder Sol-Gel-Produkte teils vorn, doch die PAEK/Silikon-Variante hält ihre Antihaftleistung auch nach Einlagerung bei 70 °C in Spülmaschinenreinigerlösung. Eine laufende Spülmaschinenbeständigkeits-Studie adressiert die Langzeitperformance.
FARBE UND LACK-Abonnent:innen finden im vollständigen Artikel zusätzlich:
– detaillierte Formulierungsansätze und Messwerte zu Kontakt-/Abrollwinkeln sowie Eisadhäsionskräften,
– Aufbau- und Prozessparameter der PAEK-Pulverbeschichtung inklusive Mischungs- und Homogenisierungsschritten,
– Barriereanalysen (O₂-/H₂O-Permeation) der PI/Schichtsilikat-Systeme und Hinweise zur industriellen Umsetzung.
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