Funktionelle Beschichtungen

Filme auf Basis anorganischer Nanosole

  • Abb. 1: Herstellung von SiO2-Beschichtungen nach dem Sol-Gel-Verfahren.Abb. 1: Herstellung von SiO2-Beschichtungen nach dem Sol-Gel-Verfahren.
  • Abb. 1: Herstellung von SiO2-Beschichtungen nach dem Sol-Gel-Verfahren.
  • Abb. 2: Versuchsaufbau zur Ermittlung der holzschädigenden Wirkung des Pilzes Coniophora puteana gegenüber Prüfkörpern (Fichte).
  • Abb. 3: Kontinuierliche Textilbeschichtung an der Anlage LBA 250 / MABA Wolfen.

Anorganische Oxidschichten werden seit langem zur mechanischen, optischen und elektrischen Modifizierung von Materialoberflächen eingesetzt. Neben den etablierten Gasphasen-Abscheidungen wie CVD-, PVD- oder Sputterverfahren bietet sich als Alternative zu diesen geräteaufwändigen und energieintensiven Verfahren die Sol-Gel- Technik [1] an, die in einfacher Weise die Herstellung ökologisch unbedenklicher, stabiler Metalloxidschichten aus der Lösung bei Raumtemperatur ermöglicht.

Als Beschichtungslösung werden Silicium- oder Metalloxid-Nanosole verwendet, die man durch sauer oder basisch katalysierte Hydrolyse der entsprechenden Silicium- oder Metall-alkoxide (Precursoren) in Wasser oder einem beliebigen, mit Wasser mischbaren organischen Lösungsmittel (vielfach Ethanol) erhält (s. z. B. Abb. 1). Die so hergestellten Nanosole sind stabile, meist wässrig-alkoholische Dispersionen mit einem Feststoff-Gehalt von ca. 3 bis 20 Gew.- %Oxid, wobei die Oxidpartikel meist kleiner als 30 nm sind.

Derartige Nanopartikel sind bestrebt, ihr hohes Oberflächen/Volumen-Verhältnis durch Partikelwachstum bzw. dreidimensionale Vernetzung zu reduzieren, wobei Gelbildung erfolgt. Durch strukturelle Modifizierung der Sole kann eine Anpassung an den späteren Verwendungszweck erfolgen. Durch Cokondensation unterschiedlicher Precursoren können Mischoxide beliebiger Stöchiometrie oder organisch modifizierte Silikate hergestellt werden.

Letztere besitzen z. B. organische Reste mit vernetzender, haftvermittelnder oder schmutz- und wasserabweisender Wirkung. Zusätzlich kann eine physikalische Modifizierung der Nanosole durch Zusatz von Additiven erfolgen, wobei hinsichtlich der Auswahl der Substanzen kaum Einschränkungen bestehen.

Als Beispiele seien Wirkstoffe (z. B. mit antistatischer, antimikrobieller oder therapeutischer Wirkfunktion), Duftstoffe (z. B. etherische Öle), Polymere, Farbstoffe und Biomoleküle (z. B. Enzyme, Proteine und Mikroorganismen) genannt. Aufgrund vielfältiger Modifizierungsmöglichkeiten können somit die materialschützenden Eigenschaften anorganischer Oxidschichten mit den genannten Funktionalisierungs-Varianten gekoppelt werden, wobei die interessantesten Einsatzgebiete im Bereich flexibler und temperaturempfindlicher Substrate (z.

B. Kunststoffe, Textilien, Papier, Holz) bestehen.

Nachfolgend werden exemplarisch Anwendungsmöglichkeiten im Bereich der Holzkonsolidierung und der Textilausrüstung vorgestellt.

Einsatz der Sol-Gel-Technologie zur Holzkonsolidierung

Mittels Siliciumdioxid-Nanosolen kann eine künstliche Verkieselung des Holzes herbeigeführt werden [2]. Man erhält SiO2-Holz Komposite, die den geochemischen Prozessen der Holzverkieselung ähnlich sind. Wesentlich sind dabei die durch die Kompositbildung hervorgerufenen Eigenschaftsänderungen des Holzes:

▪▪ Mechanische Konsolidierung des Holzes

▪▪ Erhöhter Widerstand gegenüber biologischem Abbau durch Pilze und Insekten

Das Konsolidierungsergebnis wird durch die imprägnierte Menge an Siliciumdioxid bestimmt, die maßgeblich von der Beschichtungstechnologie abhängt. Hier bieten sich industrielle Verfahren, wie Vakuumdruckimprägnierung, Behandlung mit überkritischem Kohlendioxid und Tauchbeschichtungen an, jedoch sind auch herkömmliche Auftragstechniken, wie Sprüh- und Streichverfahren geeignet.

Als Resultat liegt eine Verbesserung der Abrieb- und Kratzbeanspruchung vor, einhergehend mit einer Erhöhung der Brinell-Härten. Abhängig von der Holzart werden erfahrungsgemäß die stärksten Härtesteigerungen bei weichen Hölzern (z. B. Pappelholz) erzielt. Insbesondere bei der Verwendung feststoffreicher Sole wird ein entsprechend großer Effekt erreicht.

Bei der Konsolidierung geschädigter Althölzer werden nach Vakuumdruckimprägnierung die Mittelwerte der Biegefestigkeiten (z. B. bei pilzgeschädigtem Tannenholz) um ca. 25 % erhöht. Untersuchungen zur Holzschutzwirkung durch den Einsatz (modifizierter) Nanosole wurden in Anlehnung an die DIN-Vorschriften DIN EN 113 (Zerstörung durch Pilze, Brauner Kellerschwamm) und DIN EN 117 (Zerstörung durch Insekten, Erdtermiten) durchgeführt.

Bereits durch die Verwendung reiner SiO2- Sole kann eine deutliche Resistenzsteigerung hinsichtlich der zerstörenden Wirkung bioaktiver Organismen erzielt werden. Beträchtliche Steigerungen dieser holzschützenden Wirkungen sind durch Zusatz von Borsäure möglich. Borsäure gehört zu den wenigen Biozidwirkstoffen, die in ihrer Wirksamkeit ein weites Spektrum wirtschaftlich relevanter Holzschädlinge abdecken und sich gleichzeitig durch eine relative toxische Unbedenklichkeit auszeichnen.

Borsäure (und Boroxid) gehören zu den Substanzen, welche in die Anhänge I bzw. IA der Richtlinie 98 / 8 / EG aufgenommen wurden. Das ist insofern wichtig, da nach dem Ende der vorliegenden Übergangsfristen nur noch die in diesen Anhängen aufgeführten Biozid-Wirkstoffe in Biozid-Produkten enthalten sein dürfen. Problematisch ist allerdings die leichte Auswaschbarkeit der Borat-Ionen, sodass eine Verwendung borsäurehaltiger Mittel bislang auf Anwendungsgebiete ohne Witterungseinfluss beschränkt blieb.

Durch die Sol-Gel-Technologie wird es möglich, durch Einbettung der Borsäure in eine SiO2-Matrix die Auswaschstabilität zu erhöhen und somit eine Ausdehnung der Anwendungsbereiche zu erhalten. Weitere Einsatzgebiete im Holzschutz können durch Modifizierung der Nanosole oder durch Zusatz spezieller Wirkstoffe erschlossen werden. Letztere Vorgehensweise wird beispielsweise zur Einbettung von UV-Absorbern oder Leinöl (hydrophobierende und grundierende Wirkung für eine nachträgliche Farbaufbringung) genutzt.

Einsatz der Sol-Gel-Technologie zur Textilausrüstung

Die Funktionalisierung von Textilien hat weitreichende Bedeutung sowohl im Bereich Haushaltsund Bekleidungstextilien als auch im Bereich technische Textilien. Wichtige Textileigenschaften, die durch Nutzung der Sol-Gel-Technik erzeugt bzw. verbessert werden können, sind folgende:

▪▪ Antiadhäsive, wasser- und schmutzabweisende Oberflächen ▪▪ Hydrophile Oberflächen mit hoher Oberflächenenergie

▪▪ Oberflächen mit verbesserter Abriebbeständigkeit

▪▪ UV-schützende Eigenschaften

▪▪ Bioaktive und antimikrobiell wirksame Beschichtungen

▪▪ Beschichtungen mit therapeutisch wirksamen Substanzen

Erprobte Sol-Gel-Methoden zur Herstellung antiadhäsiver Beschichtungen basieren auf dem Einsatz cokondensierter Alkyl- bzw. Fluoralkylsilane. Durch Erhöhung von Kettenlänge und Fluorierungsgrad können die abweisenden Eigenschaften verbessert werden. Derartige Beschichtungen sind u. a. zur Herstellung von Bekleidungstextilien von Interesse.

Im medizinischen Bereich ist die Erzeugung antiadhäsiver Wundauflagen (fluorfreie Varianten) möglich. Durch gezielte Anpassung der Wundauflagen-Oberfläche gelingt es, eine Verklebung mit der Wundoberfläche zu verhindern und so den Heilungsprozess bei Verbandwechseln nicht zu gefährden. Alternativ sind superhydrophile Beschichtungen möglich, die die Befeuchtung der geschädigten Hautoberfläche sicherstellen und so die Wundheilung beschleunigen.

UV-schützende Textilbeschichtungen lassen sich durch Beladung der Nanosole mit kommerziellen UV-Absorbern erzeugen, wobei die in der Textilindustrie gängigen Verfahren zur Textilausrüstung (z. B. Foulardieren) zur Applikation der Nanosole problemlos genutzt werden können. Bioaktive Nanosol-Beschichtungen (z. B. durch Zusatz von Kollagen, Chitosan, Hyaluronsäure) können die Biokompatibilität von Geweben und damit die Hautverträglichkeit verbessern.

Antimikrobiell wirksame Ausrüstungen werden durch den Einsatz wirkstoffhaltiger Nanosole erzeugt. Dabei können unterschiedliche Substanzen Verwendung finden wie quartäre Ammoniumsalze, Phenolderivate, polymere Biozide, Silberionen- freisetzende Verbindungen (kolloidales Silber, Silbersalze, Silberkomplexe) [3]. Beispielsweise ist es möglich, Silbersalze auf Textilfasern thermisch zu reduzieren und somit die Silberfreisetzung zu steuern.

Therapeutisch wirksame Substanzen (z. B. Eucalyptol) können gleichfalls in einer Sol-Gel- Beschichtung eingebettet werden. Die Wirkungen der so erzeugten Textilien lassen sich mit denen vergleichen, welche durch Salbenauftrag auf die Hautoberfläche erzielt werden.

Zusammenfassung

Anhand von Beispielen aus der Holz- und Textilbeschichtung wurden Einsatzmöglichkeiten von anorganischen Metalloxid-Nanosolen aufgezeigt. Der Artikel soll dem Leser Anregung geben, bei anstehenden Beschichtungsaufgaben den Einsatz der Sol-Gel-Technologie in Erwägung zu ziehen.

Literatur

[1] Brinker C. J. & Scherer G. eds.: Sol-Gel-Science. The Physics and Chemistry of Sol-Gel-Processing, Academic Press Inc. Boston (1990)

[2] Böttcher H. et al.: Möglichkeiten des Einsatzes von Sol-Gel-Beschichtungen im Holzschutz, GDCH-Monografie Bd. 15: Bauchemie von der Forschung bis zur Praxis, GDCH Frankfurt / M. S. 246 – 249 (1999)

[3] Böttcher H.: Textilveredlung Heft 5, S. 15–19 (2007)

 

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