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Interview: „Smart Coatings gehen über den reinen Oberflächenschutz hinaus“
Nanopartikel, intelligente Polymere und Fluorpolymer-Hybride definieren neu, was Oberflächen leisten können. Dr. Eugene Caldona, Assistenzprofessor am Department of Coatings and Polymeric Materials der North Dakota State University, erklärt, wie fortschrittliche Materialien den Korrosionsschutz verbessern, selbstreinigende Eigenschaften ermöglichen und warum die Grenzfläche zwischen Füllstoff und Matrix der Schlüssel zur Leistungsfähigkeit von Beschichtungen ist.Interview von Vanessa Bauersachs
Welche Rolle spielen Nanotechnologie und fortschrittliche Materialien in der nächsten Generation funktionaler Beschichtungen?
Dr. Eugene Caldona: Nanotechnologie und fortschrittliche Materialien haben die nächste Generation funktionaler Beschichtungen grundlegend verändert. Während Beschichtungen früher hauptsächlich Oberflächenschutz und ein ansprechendes Erscheinungsbild boten, zeigen sie heute „intelligentes“ Verhalten und multifunktionale Eigenschaften. Die Zugabe von Nanopartikeln in sehr geringen Mengen verbessert nicht nur die thermischen, mechanischen und elektrischen Eigenschaften von Beschichtungen, sondern verleiht ihnen auch zusätzliche Funktionen. Dazu gehören unter anderem antimikrobielle Wirkung, Selbstreinigung, schaltbare Benetzbarkeit sowie Flammschutz.
Funktionalisierte oder oberflächenbehandelte Nanopartikel sorgen für eine verbesserte Bindung an den Grenzflächen und ermöglichen eine gleichmäßige Spannungsverteilung. Dadurch wird die Ausbreitung von Rissen innerhalb der Beschichtungsmatrix verhindert. Darüber hinaus können Polymere mit intelligenten funktionellen Gruppen Beschichtungen dazu befähigen, auf äußere Reize wie pH-Wert, Temperatur, Licht oder elektrische Signale zu reagieren. Dies eröffnet ein breites Anwendungsspektrum. Besonders wichtig ist dies in Anwendungen, bei denen die Beschichtung ihre strukturelle Integrität bewahren und gleichzeitig die gewünschte Funktion erfüllen muss.
Welche funktionellen Mechanismen sind derzeit am wirksamsten zur Verbesserung des Korrosionsschutzes?
Caldona: Optimierte Wechselwirkungen zwischen Füllstoff und Matrix sind von entscheidender Bedeutung, da die Schutzwirkung von Beschichtungen von den Grenzflächeneigenschaften und der Kompatibilität dieser Phasen abhängt. Daher bieten oberflächenfunktionalisierte Füllstoffe eine deutlich bessere Verstärkung der Beschichtung. Die auf die Füllstoffoberfläche aufgebrachten funktionellen Gruppen fördern eine starke Bindung an die Matrix. Dies führt zu wenigen oder gar keinen Defekten in der Beschichtungsschicht und verlängert den Diffusionsweg für Wasser und andere aggressive Stoffe.
Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Festigkeit der Grenzflächenbindung zwischen Beschichtung und Substrat, da diese die Haftung bestimmt. Schutzwirkung und Haftung einer Beschichtung sind eng miteinander verknüpft: Wasseransammlungen unter der Beschichtung führen zum Verlust der Haftung, während eine schlechte Haftung am Untergrund Wasser leicht bis zur Grenzfläche gelangen lässt und dadurch Unterwanderungskorrosion fördert.
Wie können funktionale Beschichtungen auf Fluorpolymerbasis Korrosionsbeständigkeit mit zusätzlichen Eigenschaften kombinieren?
Caldona: Durch den Einsatz von Nanotechnologie und Hybridformulierungen können Fluorpolymere als Beschichtungsmatrix Korrosionsbeständigkeit mit mechanischer Haltbarkeit und hoher Oberflächenhaftung verbinden. Die Einbindung von Nanopartikeln wie Siliziumdioxid (SiO₂), Nanoton, Titandioxid und Graphenoxid verbessert sowohl die mechanische als auch die thermische Stabilität von Fluorpolymer-Beschichtungen. Gleichzeitig erzeugen diese Partikel verschlungene Diffusionswege innerhalb der Beschichtung, wodurch das Eindringen korrosiver Stoffe verzögert wird.
Das Mischen von Fluorpolymeren mit anderen Polymeren oder der Einsatz mehrschichtiger Beschichtungssysteme (z. B. Grundierungen und Decklacke) verbessert die Oberflächenhaftung, ohne den Korrosionsschutz zu beeinträchtigen. Darüber hinaus führt die chemische Integration reaktiver Gruppen in Fluorpolymere zur Bildung vernetzter Strukturen mit anderen Polymeren. Dadurch wird die Integrität und Beständigkeit der Beschichtung weiter optimiert.
