Albert Rössler

Nanotechnologie stößt in atomare Größenordnungen vor und spielt sich im Bereich zwischen einzelnen Atomen bzw. Molekülen und größeren Gruppen dieser Bausteine ab. Ziel ist es dabei, neue Eigenschaften von Objekten auf der Nano-Ebene (< 100 nm) und deren Ursachen zu verstehen und dieses Wissen in technische Entwicklungen umzusetzen. Die Vorsilbe "nano" entstammt dem griechischen Wort "nanos" und bedeutet Zwerg. Ein Nanometer, das Maß der Zwergenwelt, entspricht einem milliardstel Meter (10^-9 m) oder einem millionstel Millimeter. Gerade einmal 5 bis 10 Atome kann man auf so einer Strecke nebeneinander anordnen. Das ist unvorstellbar klein, vielleicht aber besser fassbar, wenn man sich vorstellt, dass sich ein Nanometer zum Durchmesser einer Murmel wie der Durchmesser eines Fußballs zu dem unseres Erdballs verhält [1-3].

Abbildung 1: Größenvergleich

Damit eröffnet sich eine neue Welt mit nahezu ungeahnten Möglichkeiten. Werden nämlich Materialien auf atomare Dimensionen herunterskaliert so ändert sich gleichzeitig mit der Struktur auch das physikalische und chemische Verhalten (spezifische, größenabhängige Eigenschaften). Nanopartikel haben beispielsweise eine sehr große spezifische Oberfläche (Oberflächeneffekt) (Abbildung 2), d.h. sehr viele Atome befinden sich an der Oberfläche der Teilchen. Diese Eigenschaft ist für viele Anwendungen (Adsorptionsmittel, Katalysatoren oder Sensoren) höchst attraktiv.

Abbildung 2: Oberflächen-Volumen-Verhältnis in Partikeln verschiedener Größe

Auch in der Lacktechnik steht die Nanotechnologie erst am Anfang der Einsatzmöglichkeiten. Natürlich müssen überzogene Erwartungen an die Nanotechnologie gedämpft werden. Nanotechnologie ist kein Allheilmittel und kann grundsätzlich immer nur einzelne spezielle Fragestellungen lösen. Zudem müssen Nanolacke immer verschiedensten Anforderungen genügen, wie konventionelle Systeme alle Praxistests meistern und mit Rohstoffen zu erschwinglichen Preisen herstellbar sein. Die Möglichkeiten der Nanotechnologie sind aber zweifellos interessant und vielversprechend, außerdem existieren bereits heute auf ihr beruhende großindustrielle Produkte. Insbesondere werden derzeit drei Ansätze der Nanotechnologie im Lackgebiet zur Realisierung von "Nanolacken" diskutiert:

• Nanopartikel
• Nanostrukturen
• Nanoschichten

Partikel im Nanometermaßstab unterscheiden sich in ihren Eigenschaften von größeren Teilchen dramatisch. Sie können in Lacksysteme eindispergiert werden und deren Anwendungseigenschaften wesentlich verbessern - wobei sie wegen ihrer Größe oft selbst unsichtbar bleiben. So eignen sich SiO₂-Nanopartikel wegen ihrer großen Härte sehr gut zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von Beschichtungen [10]. Dadurch kann die vom Kunden immer wieder geforderte Widerstandsfähigkeit gegenüber Stahlwolle erzielt werden. Entsprechende Produkte sind bereits am Markt unter Schlagwörtern wie "anti-scratch" erhältlich.

Abbildung 3: Stahlwolletest auf Parkettlack

Anorganische UV-Absorber wie beispielsweise ZnO-, TiO₂- oder Eisenoxid-Nanopartikel, schon lange für den Lichtschutz in Sonnencremes eingesetzt, werden auch im Zusammenhang mit Holzschutz diskutiert [11].

Abbildung 4: UV-Schutz durch Nanopartikel: Absorptionsspektren diverser Lasuren mit und ohne Nanopartikel, sowie Bilder nach 1 Jahr Frei-Bewitterung (1) rohes Holz, (2) klassisches dünnschichtiges Lasursystem, (3) dünnschichtiges Lasursystem mit Nano-UV-Absorbern

TiO₂-Nanopartikel (Anatas) werden in Lacke als photokatalytisch aktive Stoffe eingebaut, um selbst-reinigende Oberflächen zu erzeugen [12]. Die seit langer Zeit bekannte antimikrobielle Wirkung von Silberionen kann durch Einmischen von nanoskaligen Silberpartikel in die Beschichtung ausgenützt werden, um sogenannte hygienische Lacke zu erhalten. Kommerzielle Produkte reichen von Kühlschrankbeschichtungen bis Wandfarben für den Spitals-, Sanitär- oder Küchenbereich [13].

Abbildung 5: Antibakterielle Wirkung (Hemmhofbildung) durch Nanosilber bei Dispersionsfarben

Interessant erscheinen auch die Anwendung von Nanoclays - also Plättchen mit einer Dicke von einem Nanometer und einem Durchmesser von 200 nm - im Bereich von Barriereschichten und insbesondere im Bereich von Flammschutzsystemen [14]. Im Zusammenhang mit brandhemmenden Lacksystemen werden in letzter Zeit vermehrt auch Kohlenstoff-Nanoröhchen (carbon nanotubes, CNT) diskutiert [15,16]. Ein Einsatz im Bereich Antistatikbeschichtungen oder Abschirmlacken steht ebenfalls vor der Realisierung.

Nanoschichten sind nur nanometerdünn, oft nicht mehr als eine Molekülschicht, die kontrolliert aufgebracht wird oder sich auf der Substratoberfläche selbst organisiert. Solche Schichten können die Eigenschaften industrieller Substrate entscheidend verändern. Aber erreichen diese Systeme eine praktikable Haltbarkeit? Die nasschemische Sol-Gel-Technologie [17] hat beispielsweise mit der Entwicklung von umweltfreundlichen Holzschutzmitteln bereits zu ersten interessanten Ergebnissen geführt [18,19]. Einsätze im Bereich kratzfester Kunststoffbeschichtungen [20] und im Korrosionsschutz [21] sind ebenfalls bekannt. Aus einer flüssigen Stoffmischung (Sol) wächst dabei durch kontrollierte Hydrolyse und Kondensation bzw. nachfolgendes Verdampfen/Verdunsten des Lösungsmittels der amorphe Verbund eines Festkörper (Gel) bzw. Schichten. Für den Aufbau dieser Strukturen werden substituierte Kieselsäureester oder andere Metallester eingesetzt.

Abbildung 6: Sol-Gel-Technologie

Abbildung 7: Perleffekt auf Holz nach Behandlung mit Hydrophobierungsspray oder Nanolasur

Lacke und deren Oberfläche sind nicht immer strukturlos aufgebaut. Sie können auch Nahordnungen und Überstrukturen bilden und dadurch ganz neue Eigenschaften vermitteln. Wie lassen sich aber derartige Strukturen aufbauen, und lässt sich diese Technologie kommerziell schon nutzen? Nanostrukturierte Oberflächen die wasser- sowie öl- und schmutzabweisende Eigenschaften aufweisen ("easy-to-clean", "Lotus-Effekt^®" [22]) wurden bereits präsentiert. Aber auch mittels chemischen Sol-Gel-Prozess lassen sich - wie bei Nanoschichten - aus flüssigen Ausgangsprodukten über einen Niedertemperaturprozess anorganische oder anorganische-organische Werkstoffe produzieren und in Zusammensetzung und Struktur breit gestalten. Beispielsweise kann bei "easy-to-clean"-Oberflächen das Benetzungsverhalten durch Ankopplung von organischen funktionalisierten Kieselsäureestern mit perfluorierten Seitenketten verändert werden. Kommerzielle Beschichtungen sind unter dem Namen OROMOCER und NANOMER auf dem Markt [8,9].

Abbildung 8: Links: Normaler UV-Lack; Rechts: Easy-to-clean UV-Klarlack [8, 9]

Kürzlich wurden auch neue wässrige Beschichtungssysteme mit vielversprechenden Eigenschaften auf Basis von Silica/Acrylat-Nanokompositdispersionen vorgestellt [23]. Ein erstes kommerzielles Produkt im Bereich von Wandfarben ist bereits am japanischen Markt erhältlich. Auch völlig neue, innovative und sehr variable Vernetzer und Bindemittel - sogenannte dendritische Polymere - wurden bereits präsentiert [24]. Es handelt sich dabei beispielsweise um hyperverzweigte Polyurethane, welche zu sehr harten, gleichzeitig aber elastischen PUR-Lacksystemen verarbeitet werden können.

Ungeachtet der enormen Chancen der Nanotechnologie müssen auch mögliche Gefährdungen von Mensch und Umwelt beachtet und untersucht werden. Sorge bereiten vor allem Kleinstpartikel. Sie können bei der Herstellung, dem Verschleiss oder der Entsorgung von Nanoprodukten in die Umwelt und von dort auf verschiedensten Wegen in den menschlichen Körper gelangen [1]. Gibt es aber dadurch nachteilige Effekte für die Gesundheit? Bisherige Ergebnisse weisen darauf hin, dass von Nanopartikeln, die in eine Bindemittelmatrix des Lacks eingebunden sind, keine Gefahren ausgehen. Die weitere Entwicklung gilt es hier aber noch abzuwarten. In zahlreichen Forschungsprojekten laufen derzeit umfangreiche Studien zu diesem Thema (z.B. die EU-Projekte Nanosafe II, Nanoderm, NanoCare). Beispielsweise gilt es die Frage zu klären, ob bestehende toxikologische Testmethoden für Nanopartikel geeignet sind. Sehr wichtig erscheint auch die Fixierung der zukünftigen gesetzlichen Regulierung und insbesondere die Kommunikation mit der Öffentlichkeit, um eine Eskalation ähnlich der Gentechnikdebatte zu vermeiden [25].

Neue Welten - fremde Welten. Kolumbus suchte einen Seeweg nach Indien und entdeckte Amerika. Und die Nanowelt? In vielem gleicht sie noch einem unbekannten Kontinent mit unvorstellbaren Dimensionen - unvorstellbar kleinen Dimensionen. Die Erkundung eines neuen Kontinents braucht aber Zeit und die Nanotechnologie steht erst am Anfang ihrer Entwicklung. All diese Beispiele sollen zeigen, dass Nanolacke bereits Realität sind und die Nanotechnologie in der Zukunft eine wichtige Rolle spielen wird. In den nächsten Jahren wird sie mit Sicherheit neue Wege eröffnen, welche die heutigen Grenzen sprengen werden.

Dipl. Ing. Dr. Albert Rössler Zentrale Forschung und Entwicklung ADLER-Werk, Lackfabrik Johann Berghofer GmbH & Co Bergwerkstrasse 22 A-6130 Schwaz Tel.: +43 (0)5242 6922-714 Fax: +43 (0)5242 6922-709 E-Mail: albert.roessler@adler-lacke.com