Nanopartikel machen Oberflächen widerstandsfähiger: Harte Lacke schützen vor Kratzern

Nanopartikel machen Oberflächen widerstandsfähiger
Harte Lacke schützen vor Kratzern

Die Hersteller von Autolacken wollen mit Nanopartikeln so feste Oberflächen herstellen, dass auch bei mechanischen Einwirkungen keine Kratzer entstehen. Doch noch sind die neuen Materialien zu teuer.

HB DÜSSELDORF. Nanopartikel im Lack sollen vor Kratzern schützen. Eine Forschergruppe der Degussa AG in Düsseldorf hat ein Beschichtungsverfahren entwickelt, mit dem die lackierte Oberfläche härter und vor mechanischen Einwirkungen geschützt wird.

"Glatt, strahlend und makellos soll der Lack sein", nennt Klaus Dieter Plitzko, Forschungsleiter bei einem der größten Fahrzeuglackhersteller, der BASF Coatings AG in Münster, die Anforderungen der Autohersteller. Die oberste Schicht des Lacks sei zwar schon heute ein wirksamer Schutzschild. "Dennoch ist bei aller Optimierung ein Schwachpunkt geblieben: Die Kratzfestigkeit von Lacken lässt noch zu wünschen übrig", räumt der BASF-Forschungsleiter ein. Weltweit arbeitet daher eine Vielzahl von Forschungslabors daran, die Widerstandsfähigkeit von Oberflächen mit Hilfe von Nanopartikeln zu verbessern.

Die Degussa-Forscher haben sich auf die Verwendung von Partikeln aus anorganischem Siliziumdioxid spezialisiert. Die Teilchen sind mit wenigen Nanometern etwa 5 000-mal kleiner als der Durchmesser eines Haares. "Das größte Problem bei der Verwendung der Nanopartikel besteht darin, diese gleichmäßig in den Lacken zu verteilen", erläutert Prof. Helmut Schmidt, Leiter des Instituts für Neue Materialien in Saarbrücken, die Herausforderung, an der bislang viele Anwendungen scheitern.

Herstellung von Nanopartikel noch zu teuer

Den Degussa-Forschern scheint hier ein Durchbruch gelungen: Mit einem technischen Trick, den die Wissenschaftler des Chemiekonzerns gemeinsam mit dem Institut für Oberflächenmodifizierung in Leipzig erarbeitet haben, konnte ein Lack hergestellt werden, der sich anschließend auch gut verarbeitet lässt. Die Nanopartikel verbessern zwar die Kratzfestigkeit, erhöhen gleichzeitig aber wegen der polaren Partikeloberfläche die Viskosität. Der Lack wurde anfangs so zäh, dass er praktisch nicht mehr zu verarbeiten war. "Wir umhüllen nun die Nanoteilchen direkt im Bindemittel mit einer dicken, weichen Schale aus Polysiloxanen", erläutert Björn Borup vom Geschäftsbereich Aerosil & Silane der Degussa den Trick. So bleibt der Lack dünnflüssig und lässt sich gut verarbeiten.

Siloxane sind Sauerstoffverbindungen des Siliziums und ähnlich aufgebaut wie organische Kohlenstoffverbindungen. Sie wirken wie Brücken zwischen dem Acrylharz einerseits und den "Sandkörnchen" andererseits. Während der Herstellung entstehen Nanokapseln mit einem extrem harten Kern und einer weichen Hülle, die ohne zusätzliches Lösemittel direkt im Bindemittel bzw. Lack generiert werden. "Im Ergebnis erhält man eine völlig neue anorganisch/organische Hybridbeschichtung auf Basis von Acrylaten, die als Bindemittel in Lacken weit verbreitet sind", erläutert Borup.

Der Gehalt an Nanokapseln in Lacken kann bis zu 30 % betragen, deren Größe lässt sich je nach Anforderung zwischen 7 und 40 nm einstellen. Bei hoher Konzentration werde eine Kratz- und Abriebfestigkeit der entsprechend behandelten Oberflächen erzielt, die im Vergleich zu herkömmlichen Acrylatlacken um bis zum Faktor 10 höher liegen kann. Durch die Silizium-Sauerstoff-Bindungen ist die Beschichtung zudem thermisch und gegen UV-Strahlung stabil. Die Beschichtungen sind darüber hinaus hoch reaktiv, d.h. sie härten innerhalb von Sekunden aus.

Bis solche Lacke allerdings in der Automobilproduktion genutzt werden können, wird es noch etwas dauern. "Noch sind die Nanopartikel zu teuer", dämpft der Experte für Neue Materialien, Prof. Schmidt, die Erwartungen. "Die Herstellkosten für die Teilchen sind noch zu hoch."

BASF hat den neuen Lack mit den Nanopartikeln von Degussa inzwischen in einer Waschstraßensimulation getestet. Die bisherigen Ergebnisse hätten ergeben, dass der erwünschte Oberflächenglanz auch nach mechanischen Belastungen nahezu unverändert erhalten sei, berichtet BASF-Forscher Plitzko. Dennoch bleibe noch viel Arbeit. "So müssen die neuen Lacke zeigen, dass sie ebenso gegen Korrosion schützen wie die gängigen Autolacke, ohne die chemische und die UV-Stabilität zu beeinträchtigen."

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