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Mittwoch, 18. September 2019
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Wissenschaft & Technik, Technologien

Funktionelle Beschichtungen: "Zum Schutz der Umwelt beitragen"

Montag, 09. September 2019

Moderne Funktionalitäten können Beschichtungen nachhaltiger machen, Mehrwert schaffen und den Alltag erleichtern. Wir haben mit Dr. Gesa Patzelt vom Fraunhofer IFAM darüber gesprochen, wie funktionelle Beschichtungen funktionieren, wie man sie entwickeln kann und welche Funktionalitäten kurz- und langfristig marktreif werden.

Funktionelle Beschichtungen können einen Beitrag zu mehr Nachhaltigkeit liefern. Etwa bei Schiffsfarben oder der Luftfahrt. (Bild: Worawut - stock.adobe.com)
Funktionelle Beschichtungen können einen Beitrag zu mehr Nachhaltigkeit liefern. Etwa bei Schiffsfarben oder der Luftfahrt. (Bild: Worawut - stock....

Was ist die Definition für eine funktionelle Beschichtung?

Dr. Gesa Patzelt: Die Definition weicht vermutlich nur wenig ab, wenn man unterschiedliche Experten fragt. Im Endeffekt sollen zu den generellen Eigenschaften einer Beschichtung, wie dem Korrosionsschutz oder den dekorativen Eigenschaften, weitere Funktionen dazukommen. Das sind Eigenschaften, die einen sehr großen Rahmen umspannen und für verschiedenste Anwendungsbereiche auch noch unterschiedlich definiert sein können.

In der Luftfahrtindustrie sind das zum Beispiel die Bereiche Anti-Kontamination, Anti-Eis, Erosionsstabilität, aber auch Strömungswiderstandsreduzierung an den Tragflächen. Im Endeffekt alle Technologien, die dazu führen, dass Treibstoff eingespart wird. Grundsätzlich sind viele Entwicklungen durch das Thema Umweltschutz getriggert, weil man zum Beispiel den CO2-Ausstoß reduzieren will. Deswegen sind funktionelle Beschichtungen auch ein extrem spannendes Feld, um einen Teil zum Schutz der Umwelt beizutragen.

Das ist sicherlich nicht nur in der Luftfahrt so?

Patzelt: Genau, in dem Bereich fallen zum Beispiel auch Anti-Fouling-Beschichtungen, die an Schiffen den Bewuchs durch Mikroorganismen vermeiden sollen. Hier werden momentan hauptsächlich Biozide eingesetzt, die aber aufgrund ihrer Toxizität zum Teil auch schon verboten sind. Auch in dem Bereich entwickeln wir funktionelle Konzepte als Alternative. Hier helfen wir sozusagen, dass die Meere weniger stark verschmutzt werden. Zum einen dadurch, dass weniger Treibstoff wie Schweröl verbraucht wird und zum zweiten, dass wenig bis gar keine Biozide mehr verwendet werden müssen.

Dr gesa Patzelt, Fraunhofer IFAM

Gesa Patzelt arbeitet als Projektleiterin am Fraunhofer IFAM in Bremen. Sie wird im November das Spezialseminar Funktionelle Beschichtungen betreuen. (Foto: Jan Gesthuizen)

Gibt es konkrete Beispiele von funktionellen Beschichtungen, die auch schon am Markt erhältlich sind?

Patzelt: Ja, das ist etwa der selbstheilende Holzschutzlack, den wir gemeinsam mit der Adler-Werk Lackfabrik entwickelt haben. In dieser Beschichtung sind Mikrokapseln enthalten. Wenn nun eine Beschädigung durch Hagelschlag auftritt, tritt ein Selbstheilungsagenz, welches zum Beispiel aus Polymeren und Korrosionsschutzinhibitoren bestehet, aus den Kapseln aus und schützt das Holzsubstrat, weil die gebildeten Risse zum Teil gefüllt werden.

Dann gibt es noch einige Beschichtungen, die an der Grenze zur Kommerzialisierung stehen. Zum Beispiel haben wir einen Lack mit Mikrostruktur entwickelt, der einer Haifischhaut nachempfunden ist. Dieser steht bei der Luftfahrt und der Windenergie an der Schwelle zum Einsatz und soll dort den Wandreibungswiederstand reduzieren.

Wie sieht es mit dem Klassiker unter den funktionellen Beschichtungen, den Easy-to-clean-Beschichtungen aus?

Patzelt: Hier gibt es schon einiges, was zum Teil schon lange im Einsatz ist. Jeder kennt etwa Lotusan. Grundsätzlich ist bei Easy-to-Clean-Beschichtungen die Langlebigkeit noch nicht ganz optimal. Das ist ein generelles Problem von funktionellen Beschichtungen.

Was ist der Grund dafür?

Patzelt: Das ist für jeden Fall individuell. Dazu muss man verstehen, wie Funktionalitäten erzeugt werden. Am einfachsten ist es, wenn man die Funktionalität über Additive erreicht. Diese liegen mobil in der Polymermatrix vor und migrieren an die Oberfläche, um dort die Funktionalität zu entfalten. Aber natürlich können sie so auch aus der Beschichtung austreten. Das Reservoir der Additive ist dann natürlich irgendwann am Ende.

Man muss auch schauen, wie funktionelle Additive in die Formulierung passen und ob alle anderen Additive und Füllstoffe und Pigmente, die man in der Formulierung verwendet, mit diesen Additiven kompatibel sind. Es kann auch passieren, dass man Inkompatibilitäten erzeugt, die zu einer geringeren Beständigkeit führen. Generell ist es daher besser, die Polymermatrix passend dazu mit neu zu entwickeln und eventuell die aktive Substanzen damit zu vernetzen. Dann ist die Stabilität jedenfalls wesentlich höher.

Klingt aber auch aufwendiger.

Patzelt: Ja, es ist etwas aufwendiger. Aber man kann auch an Additive zusätzliche funktionelle Gruppen koppeln, die dann mit der Polymermatrix wechselwirken. Zum Beispiel könnte ein Isocyanat, mit OH-Gruppen des Additives wechselwirken und sich vernetzen. So bindet man diese Substanzen fest ein und sie migrieren nicht zur Oberfläche, sondern sind dort direkt fest verankert und entsprechend länger verfügbar.

Das sind jetzt zwei Strategien, einmal Additive klassisch hinzuzugeben und einmal diese sogar fest einzubauen. Gibt es noch weitere Strategien?

Patzelt: Da gibt es natürlich noch die Mikrokapseln, die ich schon erwähnt hatte. Hier ist die chemische Struktur der zu verkapselnden Substanzen entscheidend. Je nachdem ob in wässrigem - oder lösemittelhaltigen Milieu können verschiedene Substanzen eingekapselt werden. Dies wäre wieder ein Beispiel für ein Reservoir was in einer Beschichtung vorliegt, das aber in diesem Fall nur durch eine Beschädigung wieder freigesetzt wird.

Hier geht es auch nicht unbedingt nur um Selbstheilung. Es werden zum Beispiel auch Fluoreszenzfarbstoffe eingekapselt, die dann als Indikator zeigen, wenn eine Beschichtung beschädigt ist. Das ist bei Materialien nützlich, die eine gewisse Neigung zu Rissen haben, die visuell nicht zwangsläufig gut zu sehen sind.

Außerdem haben wir auch ein Konzept, bei dem wir die oberste Lage von gleichmäßig verteilten Füllstoffen freilegen und sie dann funktionalisieren, das funktioniert also im Nachhinein. Oder man hat schon eine Funktionalisierung der Partikel, die man mit Plasma freigelegt. Voraussetzung ist, dass die Funktionalisierung durch das Plasma nicht verändert wird.

Diese Mikrokapseln sorgen bei selbstheilenden Beschichtungen dafür, dass die Schutzfunktion erhalten bleibt. Gibt es Konzepte, die auch optisch die Ausgangssituation wiederherstellen?

Patzelt: Ja, die sind aber noch viel weiter von der Anwendung weg. Das ist der Bereich der intrinsischen Selbstheilung, bei der die Selbstheilung aus dem Polymer kommt. Entweder mit in der Polymermatrix vorliegenden Metallkomplexen, die bei einer Beschädigung erst auseinander gehen aber sich danach auch wieder orientieren oder über Wasserstoffbrückenbindungen, die sich dann nach der Beschädigung reorientieren und die Beschichtung wieder komplett ausheilen.

Dazu gab es am Fraunhofer IFAM auch eine Doktorarbeit, bei der sich zeigte, dass die Selbstheilung des Polymers, welches hier untersucht wurde, nur mit gewisser Luftfeuchte funktioniert. Das heißt, man hat immer irgendeine Art von Trigger, der eine Selbstheilung ermöglicht und somit solche Beschichtungen damit zumindest nicht überall auf der Welt einsetzbar macht.

Bisher haben wir hauptsächlich über einzelne Funktionalitäten geredet. Ist es auch möglich, zwei oder drei verschiedene Funktionalitäten zu erzeugen?

Patzelt: Es gibt durchaus Funktionalitäten, die man miteinander kombinieren kann. Zum Beispiel elastomere Beschichtungen, die eine sehr gute Erosionsstabilität haben, kann man auch hydrophob gestalten, so dass sie zusätzlich Easy-to-clean oder schmutzabweisende Eigenschaften haben.

Aber die Funktionalitäten können sich untereinander teils negativ beeinflussen. Da kann beispielsweise die Struktur der Beschichtung leiden. Klar, es wäre super, wenn man eine Beschichtung für alle Funktionalitäten hätte, das wird nur leider nicht funktionieren.

Wenn wir weiter in die Zukunft schauen, was wird da im Bereich den funktionellen Beschichtungen interessant werden?

Patzelt: Generell ist das Thema der strukturierten Oberflächen interessant, wenn es in den Bereich verschiedener Phobizietäten geht, also die Kombination aus Hydrophobie und Olephobie. Das ist ein Ansatz, um Schmutz oder Insekten abzuweisen, die ja auch aus sehr vielen verschiedenen Bestandteilen bestehen.

Aber hier gibt es ist noch sehr viel Entwicklungsbedarf. Vor allem was das Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Mikro- und Nanostrukturen, deren Kombination sowie das ideale Aussehen der Strukturen angeht. 

Wir können im Vorfeld bisher nicht vorhersagen, wie sich bestimmte Strukturen zum Beispiel in einem Eistest oder in einem Anti-Kontaminationstest. auswirken. Wenn wir das genau verstehen würden, könnten wir in Zukunft mehr in Richtung einer Toolbox gehen.

In Kürze werden Sie ein Seminar zum Thema funktionelle Beschichtungen halten. Was können die Teilnehmer dort erwarten?

Patzelt: Dort wird es einen kompletten Überblick über die bisher entwickelten Funktionalitäten geben. Ich werde aus vielen Projekten konkrete Ergebnisse zu funktionellen Beschichtungen in ganz vielen verschiedenen Anwendungsfällen mit Anwendungsbeispielen zeigen. Ein wenig soll das Seminar auch Hilfestellung in Richtung einer Toolbox geben, die zeigt, was es überhaupt für Möglichkeiten gibt eine Beschichtung zu funktionalisieren.

Das Interview führte Jan Gesthuizen

Veranstaltungstipp

Beim FARBE UND LACK // Spezialseminar Funktionelle Beschichtungen am 13 November in Köln lernen Teilnehmer welche Arten von funktionellen Beschichtungen es gibt, wie man diese Herstellen kann und wie sie funktionieren.

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