Beschichtungen durch Modifizierung ihrer inneren Grenzflächen verbessern

Mediendienst Dezember 2016 / 19.12.2016

Um erfolgreich zu sein, müssen Beschichtungen der Zukunft effizienter einsetzbar sein und darüber hinaus in ihrem Eigenschaftsprofil zumindest den etablierten Beschichtungen entsprechen. Für viele innovative Beschichtungslösungen ist es oftmals schwierig, die für den Marktzugang erforderlichen Anforderungskataloge zu erfüllen. Deshalb setzt das Fraunhofer IPA vermehrt auf bereits bestehende Beschichtungssysteme, bei denen versucht wird, das Eigenschaftsprofil gezielt durch Funktionalisierung der beteiligten inneren Grenzflächen zu verbessern.

Laser-Scanning-Mikroskop-Aufnahmen und Pigmentgehalte der oberflächennahen Schichten bis zu einer Schichttiefe von 25 % bei jeweils gleicher PVK: rechts die Beschichtung mit Pigmentstratifizierung und links die aus konventionellen Pigmenten bestehende Referenzbeschichtung. Es zeigte sich bei der numerischen Auswertung der Aufnahmen, dass der Pigmentgehalt der stratifizierenden Beschichtung mit den gezielt oberflächenmodifizierten Pigmenten gegenüber dem Pigmentgehalt der Referenzprobe mit den entsprechenden konventionellen Pigmenten um den Faktor 3 niedriger ist.

Die Problematik vieler innovativer und sehr guter Ansätze im Beschichtungsbereich zeigt sich besonders deutlich bei vergleichenden Patent- und Marktrecherchen. Mitunter finden sich in den Patentanmeldungen brillante Lösungsansätze, von denen jedoch überraschenderweise nur wenige zur Marktreife gelangen. Der Grund hierfür liegt meistens bei den in der Praxis eingesetzten, anspruchsvollen Anforderungskatalogen. Sie erschweren einen Markteintritt neuer innovativer Produkte stark oder verzögern diesen zumindest.

Durch geschickte Kombinationen bereits genutzter Komponenten wie Füllstoffe, Pigmente und Polymere mit bekannten, aber unterschiedlichen Eigenschaftsprofilen ließen sich in der Vergangenheit viele exzellente Beschichtungssysteme auf den Markt bringen. Für zukünftige Beschichtungssysteme wird es hingegen immer schwieriger, eine Wertsteigerung durch Anwendung dieses Konzepts zu finden. Aus dem Zwang zur Innovation wird dann oft der risikoreichere Weg zu einer Basisentwicklung beschritten, die auf einem vollständig neuartigen Ansatz beruht. Dabei wird häufig übersehen, dass in der gezielten Modifizierung von Grenzflächen auch bei den bereits gängigen Beschichtungssystemen ein noch bisher kaum genutztes innovatives Verbesserungspotenzial steckt. Dieser weniger risikobehaftete Ansatz wird seit Jahren erfolgreich am Fraunhofer IPA bei Forschungsprojekten im Beschichtungsbereich verfolgt.

Von zentraler Bedeutung ist bei diesem Konzept eine gezielte Modifizierung der beteiligten Grenzflächen: auf der einen Seite der in den Beschichtungen vorhandenen Füllstoffe und Pigmente, auf der anderen Seite der Polymermatrix durch geringfügige Additivierung. So können durch eine gezielte anorganisch-/organische Oberflächenmodifizierung von bewährten Füllstoffen und Pigmenten auch zusätzliche Funktionen in marktüblichen Bindemitteln besonders effizient eingesetzt werden, beispielsweise durch zusätzliche Anwendung von sogenannten Stratifizierungseffekten, d. h. einer inneren Schichtbildung mit Konzentrationsgradienten. Zum einen wird dadurch ein neues Eigenschaftsprofil als »Added Value« für die Beschichtung zugänglich, zum anderen lassen sich dadurch zukünftig konventionell notwendige zweifache Lackschichtaufträge durch eine Einschichtapplikation ersetzen. Dieser Innovationsschritt ist sicherlich nicht für alle Mehrschichtsysteme möglich oder gewinnbringend. Für viele gebräuchliche Systeme bietet er aber große Verbesserungspotenziale mit abschätzbaren Risiken.

Dass solche innovativen, stratifizierenden Beschichtungssysteme bei gleicher Pigmentvolumenkonzentration (PVK) auch in herkömmlichen Beschichtungen möglich sind, zeigen Laser-Scanning-Mikroskop-Aufnahmen und die numerische Auswertung der Pigmentgehalte der oberflächlichen Schichten im Vergleich. Die Resultate am Fraunhofer IPA belegen, dass es zukünftig durch anorganisch-/organische Partikelfunktionalisierungen in Verbindung mit gezielten Stratifizierungseffekten möglich sein wird, neuartige innovative Lösungsansätze im Beschichtungsbereich zu etablieren.