Am 7. November wurde B. Sc. Andreas Stake, Wissenschaftler der Lacktechnik des Fraunhofer-Instituts für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM, Bremen, mit dem Farbe Und Lack-Preis 2013 für den Fachbeitrag Kratzfester UV-Lack mit intelligenter Oberfläche ausgezeichnet. Dr. Michael Hilt, Vorsitzender der Fachgruppe Lackchemie in der Gesellschaft Deutscher Chemiker e. V. (GDCh) und Dr. Sonja Schulte, Chefredakteurin Wissenschaft und Technik der Farbe Und Lack-Redaktion, überreichten den Preis auf der Jahrestagung des Verbandes der Ingenieure des Lack- und Farbenfaches e. V. (VILF) in Neu-Isenburg vor mehr als 330 Verbandsmitgliedern. Der Preis zeichnet veröffentlichte Fachartikel aus den vergangenen zwölf Monaten aus, die von Autoren verfasst wurden, die jünger als 40 Jahre sind. Über die Vergabe des Preises hatte eine Jury von acht Experten aus Forschung und Industrie gemeinsam mit der Leserschaft der Fachzeitschrift Farbe Und Lack entschieden.
Dr. Michael Hilt, Vorsitzender der Fachgruppe Lackchemie in der GDCh, Preisträger Andreas Stake, Fraunhofer-IFAM, und Dr. Sonja Schulte, Chefredakteurin Wissenschaft & Technik, Farbe Und Lack, bei der Verleihung des Preises (v. li.) / Bild: VILF e. V.
Andreas Stake ist es gemeinsam mit Forschern aus dem Bereich Lacktechnik sowie Plasmatechnik und Oberflächen PLATO des Fraunhofer-IFAM und des Leibnitz-Instituts für Polymerforschung Dresden e. V. gelungen, einen multifunktionalen, kratzfesten, UV-härtenden Lack zu entwickeln, der sich durch die Integration von mehreren, teilweise gegensätzlichen Funktionen in ein einziges Schichtsystem auszeichnet. Die Entwicklung solch hochleistungsfähiger Beschichtungsstoffe ist eine Voraussetzung für Umsatzerhöhungen nicht nur von Rohstoff- und Lackherstellern, sondern beispielsweise auch von Spezialchemikalienherstellern sowie Anlagenbauern durch die Erschließung neuer Anwendungsfelder.
Umweltfreundliche selbstreinigende Beschichtungen für technische Oberflächen durch Schaltung
Im Rahmen des IGF-Vorhabens (350 ZBG) mit dem Titel Neue Funktionsoberflächen für industrielle Anwendung durch Kombination von schaltbaren Polymerbürsten und kratzfesten Klarlacken ist es gelungen, eine neue Generation von intelligenten Beschichtungen auf Basis adaptiver, funktioneller Polymerbürstensysteme beziehungsweise Fluortenside zu entwickeln. In diesen Beschichtungen sind die Polymerbürsten beziehungsweise Fluortenside für die Einstellung und Schaltung der Benetzbarkeit der Oberfläche verantwortlich, der Klarlack sorgt für die Stabilität der Polymerbürsten, die an Nanopartikel angekoppelt sind.
Ziel dieses Projekts war es, schaltbare Beschichtungen für technische Oberflächen herzustellen, die unter anderem eine Schaltbarkeit von gegensätzlichen Oberflächeneigenschaften, wie beispielsweise zwischen wasserabweisend oder ölabweisend (hydrophob bzw. oleophob) und wasseranziehend (hydrophil), aufweisen. Mögliche Einsatzbereiche sind beispielsweise Oberflächen im Haushaltsbereich (Möbeloberflächen) oder dekorative Bauteile im Fahrzeugbau (z. B. Armaturenbrett).
Die schaltbaren Polymerbürsten sind Polymerketten, die bürstenartig nebeneinander kovalent an der Substratoberfläche angebunden sind. Die chemische Struktur dieser Bürsten sorgt für eine signifikante Veränderung der Oberflächeneigenschaften. Da sich solche Oberflächen ihren Umgebungsbedingungen anpassen können, sind sie durch Änderung der Umgebungsbedingungen (z. B. Temperatur, Zugabe eines Lösungsmittels) schaltbar. Fluortenside wiederum sind Polymere, die durch ihren strukturellen Aufbau bifunktionale Eigenschaften aufweisen. Sie sind amphiphil, sie bestehen also aus einer hydrophoben/oleophoben und einer hydrophilen Komponente. So lassen sich Oberflächen mit sowohl hydrophilen als auch oleophoben Eigenschaften erzeugen.
Die Entwicklung intelligenter Beschichtungen auf der Basis von schaltbaren Polymerbürsten und – durch Nanopartikel bedingt – kratzfester Lacke, mit dem Ziel, die Vorzüge von Stabilität und Schaltbarkeit miteinander zu vereinen, wurde mittels der in Abbildung 1 schematisch dargestellten Vorgehensweise realisiert.
Es wurde ein nanopartikelhaltiges UV-Klarlacksystem formuliert und auf technischen Oberflächen durch Aufspritzen appliziert. Anschließend erfolgte eine partielle Freilegung der oberflächennahen Nanopartikel aus Siliziumdioxid (SiO2) mit einem für dieses System optimierten Atmosphärendruck-Plasmaprozess (AD-Plasmaprozess). Die Plasma-Prozessparameter wurden dabei so gewählt, dass die Erosionsprozesse zur Entfernung der Lackmatrix zu keiner generellen Schädigung des Lacks, zum Beispiel durch thermische Degradation, führten. Die freigelegten und aktivierten Nanopartikel, an denen die Polymerbürsten ankoppeln können, wurden im Anschluss mit endgruppenfunktionalisierten Polymeren bepfropft, die auf der Lackoberfläche eine schaltbare Polymerbürstenschicht ausbildeten.
Die Entwickler konnten zeigen, dass sich nanopartikelhaltige, kratzfeste Lacke mittels Plasmabehandlung so funktionalisieren lassen, dass die Siliziumdioxid-Nanopartikel partiell freigelegt und gleichzeitig aktiviert werden, wodurch eine nachträgliche kovalente Anbindung von Polymeren gelungen ist, wie Preisträger Andreas Stake erläutert. Die bepfropften Polymersysteme ermöglichten eine reversible Schaltbarkeit zwischen hydrophoben und hydrophilen Oberflächeneigenschaften und somit eine Anpassung an sich verändernde Umgebungsbedingungen. Im Labormaßstab wurde darüber hinaus ein Unterspülen von Öl mit Wasser demonstriert, das heißt, die beschichten Oberflächen lassen sich umweltfreundlich – ohne den Einsatz von zusätzlichen Reinigungsmitteln – reinigen.
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Text zum Titelbild: Kombination von kratzfesten Lacken mit schaltbaren Polymeroberflächen, die über eine Atmosphärendruck-Plasmafunktionalisierung an die SiO2-stabilisierten Klarlacke kovalent angebunden werden könnenBild: Fraunhofer IFAM
