Jedes Jahr verursachen verunreinigte Industrieanlagen in Deutschland Kosten in Milliardenhöhe. Spezielle Beschichtungen verhindern, dass sich Schmutz ablagert. Forscher können die hauchdünnen Beläge jetzt an verschiedenste Szenarien anpassen.
Den alltäglichen Kampf gegen den Schmutz kennt jeder von uns. Doch ist der innere Schweinehund erst einmal besiegt, sorgen Staubsauger, Spül- oder Waschmaschine relativ schnell wieder für Ordnung in den eigenen vier Wänden. Eine ganz andere Herausforderung ist es dagegen, industrielle Anlagen und Apparaturen sauber zu halten. Denn oft steckt der Teufel dort im Detail. Etwa bei der Pasteurisierung von Milch. Hier lagern sich gelöste Milchproteine in Rohren, Kesseln oder Wärmetauschern der verwendeten Apparaturen ab. Diese sind dann bereits nach einer Arbeitsschicht derartig verschmutzt, dass die gesamte Anlage gestoppt und gereinigt werden muss. Für den Hersteller entstehen enorme Kosten. Fouling nennen Experten die Ablagerungen, die Produktionsabläufe durcheinander bringen können. Studien zufolge entstehen dadurch in Deutschland pro Jahr Kosten von etwa fünf bis sieben Milliarden Euro.
Maßgeschneidert für jede Anforderung
Das Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST in Braunschweig zeigt auf der Hannover Messe Technologien, die den Schmutz in den Anlagen erst gar nicht entstehen lassen. Spezielle Beschichtungen verhindern, dass Proteine, Salzkristalle und Kalke an Anlagen- oder Bauteiloberflächen anhaften. Das Problem: Die Art der Ablagerungen variiert dabei je nach verwendetem Anlagenmaterial und Flüssigkeit. Die Wissenschaftler haben jetzt einen Weg gefunden, die Schichten für unterschiedliche industrielle Anwendungen und Belastungen anzupassen. Das gelingt ihnen, indem sie die Strukturen und die Energie der Schichtoberflächen nahezu beliebig einstellen. Eine wichtige Stellgröße ist dabei die Oberflächenenergie der Beschichtung. Sie bestimmt, wie stark die Ablagerungen haften bleiben. Das Eigenschaftsspektrum dieser Schichten reicht von hohem Verschleißschutz bis zur extremen Anti-Fouling-Wirkung. Mit Hilfe von spezieller Prozesstechnik ist man nach Aussage von Dr. Martin Keunecke, Abteilungsleiter Neue Tribologische Beschichtungen am IST, in der Lage, nahezu jede gewünschte Eigenschaft zu kreieren.
Die Beschichtungen bestehen aus Kohlenstoff und weiteren Elementen und sind nur wenige Mikrometer dick. Das ist etwa 50 Mal dünner als ein menschliches Haar. Von Grund aus sehr hart und beständig, zeichnen sich Kohlenstoffschichten durch gute Antikorrosions- und Antiverschleißeigenschaften aus. Durch den Einbau von nichtmetallischen Elementen wie Fluor und Silizium lässt sich deren Oberflächenenergie, und damit ihre Hafteigenschaft, reduzieren. Ein zusätzlicher Anti-Fouling-Effekt entsteht. Je nach Art und Menge des eingesetzten Elements können die Eigenschaften der Beschichtungen gezielt gesteuert werden, so beschreibt Dr. Peter-Jochen Brand, Abteilungsleiter Transferzentrum Tribologie am IST die Fertigung. Das ist auch notwendig, denn Industrieanlagen sind durch flüssige Stoffe ganz unterschiedlichen Belastungen ausgesetzt. Man denke nur an die Milchverarbeitung oder Fruchtsaftherstellung in der Lebensmittelindustrie, die Fertigung von Lacken in der chemischen, die Medikamentenproduktion in der pharmazeutischen Industrie oder den Transport von Erdöl.
Starke Nachfrage nach Anti-Fouling-Lösungen
Die Industrie setzt kohlenstoffbasierte Beschichtungen aktuell in erster Linie ein, um Reibung und Verschleiß zu verringern. Obwohl bereits jetzt stark nachgefragt, stecken die Anti-Fouling-Anwendungen noch in den Kinderschuhen. Von ihrer Innovation erwarten Keunecke und Brand deshalb neue Impulse für den Markt. Auf der Hannover Messe zeigen die Wissenschaftler die Vielfalt ihrer neuen Anti-Fouling-Beschichtungen anhand eines nachgebauten Springbrunnens. Wasser läuft hier über die verschiedenen getunten Oberflächen und bildet dabei – je nach Grad des Anti-Haft-Effekts – unterschiedliche Tropfenmuster. Nachdem die Forscher jetzt wissen, wie die Schichten individuell einzustellen sind, geht es im nächsten Schritt um die Frage, wie die beschichteten Apparaturen am effizientesten produziert werden können. Denn Anti-Fouling funktioniert bereits sehr gut auf Außenflächen, die Innenbeschichtung, zum Beispiel von Rohren, ist jedoch alles andere als einfach. Hier arbeitet das Institut deshalb mit Partnern aus Industrie und Forschung an neuen Herstellungsprozessen.
Text zum Titelbild: Wassertropfen auf einer Stahloberfläche mit Anti-Fouling-Beschichtung (Quelle: Fraunhofer IST)
