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Nanocellulose-Beschichtung ohne PFAS weist Wasser ab
Ein Forschungsteam hat eine biobasierte, superhydrophobe Beschichtung auf Basis von Cellulose-Nanofibrillen entwickelt. Durch einen Lösungsmittelaustausch und eine zweistufige Oberflächenmodifikation erreicht das fluorfreie System einen Wasserkontaktwinkel von 155,3° und zeigt Beständigkeit gegenüber Abrieb, extremen pH-Werten, Salz sowie Temperaturen unter dem Gefrierpunkt.
Die hierarchisch strukturierte Beschichtung aus Cellulose-Nanofibrillen und PDMS soll Wasser auch unter anspruchsvollen Einsatzbedingungen zuverlässig abweisen.
Cellulose-Nanofibrillen gelten als nachwachsender Ausgangsstoff für funktionelle Oberflächen, sind jedoch wegen ihrer hydrophilen Natur schwierig in organischen Medien zu verarbeiten. Beim Trocknen neigen die Fibrillen dazu, durch starke Wasserstoffbrückenbindungen irreversibel zu aggregieren. Dadurch gehen nanoskalige Strukturen verloren, die für die Herstellung wasserabweisender Oberflächen entscheidend sind.
Die vorgestellte Arbeit adressiert dieses Verarbeitungsproblem mit einer Kombination aus Störung der elektrischen Doppelschicht und einem schrittweisen Lösungsmittelaustausch. Kaliumacetat schwächt dabei die Wechselwirkungen zwischen den Fibrillen, während Ethanol und n-Butanol den Übergang von der wässrigen Dispersion in Cyclohexan ermöglichen. So entstand eine stabile CNF-Dispersion als Ausgangspunkt für eine Sprühapplikation.
Funktionelle Beschichtungen
das Fachbuch behandelt organisch basierte funktionelle Beschigtungen und aktuelle Entwicklungen bei Oberflächenfunktionen wie Oberflächen- und Korrosionsschutz.
Hierarchische Struktur für superhydrophobe Oberflächen
Für die Beschichtung kombinierten die Forschenden das Nanocellulose-Gerüst mit Polydimethylsiloxan, kurz PDMS, als flexiblem und hydrophobem Bindemittel. Eine anschliessende Gasphasenbehandlung mit Methyltrimethoxysilan, kurz MTMS, senkt die Oberflächenenergie zusätzlich. Die duale Modifikation kommt ohne per- und polyfluorierte Alkylsubstanzen, kurz PFAS, aus.
Die Flüssigphasenassemblierung bildet ein poröses Netzwerk mit hierarchischer Mikro- und Nanorauheit. Diese Struktur unterstützt einen stabilen Cassie-Baxter-Zustand: Wassertropfen liegen überwiegend auf Luftpolstern der Oberfläche auf, statt in die Struktur einzudringen. Gemessen wurde ein Wasserkontaktwinkel von 155,3° ± 1,6°; der Gleitwinkel lag unter 10°.
Beständigkeit unter mechanischer und chemischer Belastung
Neben der Wasserabweisung untersuchte das Team die Belastbarkeit des silanisierten Mikro-Nano-Interfaces. Die Beschichtung behielt ihre superhydrophoben Eigenschaften nach Abriebversuchen, unter extremen pH-Bedingungen von pH 1 bis pH 12, in salzhaltiger Umgebung und unter Vereisungsbedingungen.
Die Studie zeigt damit einen möglichen Verarbeitungsweg für hydrophile Biopolymere in langlebigen Funktionsbeschichtungen. Für die Beschichtungsindustrie ist insbesondere die Verbindung aus biobasierter Nanocellulose, fluorfreier Oberflächenchemie und sprühfähiger Dispersion relevant. Vor einer industriellen Nutzung wären jedoch unter anderem Langzeitbeständigkeit, Skalierbarkeit und die Haftung auf unterschiedlichen Substraten weiter zu bewerten.
