Zentrum für innovative Oberflächenveredelung und Nanotechnologie

Oberflächenveredelung…

Nanobeschichtung

Nanobeschichtung bezeichnet das Aufbringen von Nanostrukturen auf Oberflächen. Diese Oberflächen werden dadurch superhydrophob und damit wasserabweisend. Dies erlaubt eine leichte Reinigung. Es gibt auch Spray-Beschichtungen, die solche Nanostrukturen ausbilden. Werden diese Beschichtungen auf bereits entsprechend mikrostrukturierte Oberflächen aufgebracht, kann ein Lotuseffekt erzielt werden. Derartig behandelte Flächen weisen auch Fette, Öle und Säuren ab und sind chemisch beständig (z.B. gegenüber Lösungsmitteln). Beschichtbar sind Metalle, Glas, Textilien und Kunststoffe.

Der Vorteil bei Textilien (z.B. Teppiche) gegenüber einer normalen Imprägnierung liegt in der hohen mechanischen Belastbarkeit, beispielsweise bei maschineller Reinigung. Einsetzbar ist eine Nanobeschichtung beispielsweise im Sanitärbereich, bei Implantaten, als Anti-Fingerprint-Beschichtung auf Bildschirmen, als selbstreinigende Hausfassade oder als Lackschutz für Autos.

Lotuseffekt

Lotuseffekt bezieht sich auf die äußerst geringe Benetzbarkeit und hohe Selbstreinigung biologischer Oberflächen, unter anderem bei der Lotuspflanze. Auf der Blüte und den Blättern wird selbst extrem gut haftendes Farbpulver von Wasser einfach weggespült, nicht einmal Klebstoff auf Wasserbasis bleibt an der Oberfläche haften. Auch andere Pflanzen, wie beispielsweise die Kapuzinerkresse, Kohl, Schilfrohr, Akelei, Tulpe und Banane zeigen diesen Effekt.

Die Ursache des Effekts liegt in der besonderen Oberflächenstruktur der Pflanzen. Die Epidermis bildet dabei etwa fünf bis zehn Mikrometer hohe und zehn bis fünfzehn Mikrometer voneinander entfernte Noppen, denen eine Cuticula aufgelagert ist. Sie besteht aus einem Grundgerüst von Polymeren wie Cutin und den darin eingelagerten hydrophoben Wachsen. Wassertropfen haben wie alle Flüssigkeiten die Tendenz zur Minimierung ihrer Oberfläche in Form einer Kugel. Dem wirken Erdanziehung und Adhäsion entgegen, letzteres jedoch in Abhängigkeit von der Oberflächenspannung.

Durch die Oberflächenstruktur der Pflanzen werden gegenüber Wasser Kontaktwinkel von bis zu 160° erreicht (Superhydrophobie). Das bedeutet, dass nur etwa 2 bis 3 % der Tropfenoberfläche mit der Oberfläche der Pflanze in Kontakt stehen, diese also eine extrem geringe Benetzbarkeit besitzt. Die Adhäsion zwischen Blattoberfläche und Wassertropfen ist dabei so gering, dass das Wasser leicht abperlen kann. Aufliegende Schmutzpartikel – die ebenfalls nur eine kleine Kontaktfläche besitzen – werden dadurch mitgerissen und weggespült. Durch die zentrale Bedeutung der Oberflächenspannung wässriger Lösungen für die Minimierung der Kontaktfläche wird verständlich, dass der Lotuseffekt in dieser Form nicht bei stark benetzenden Lösungsmitteln auftreten kann. Die Voraussetzung zur Reproduzierung des Effekts sind daher mikro- und nanostrukturierte, super-hydrophobe Oberflächen.

Die biologische Bedeutung dieses Effekts liegt für die Pflanze im Schutz vor einer Besiedlung durch Mikroorganismen, Krankheitserregern oder Keimen, beispielsweise Pilzsporen, oder dem Bewuchs mit Algen. Dies gilt in ähnlicher Weise für Tiere wie Schmetterlinge, Libellen und andere Insekten, die mit ihren Beinen nicht überall an ihren Körper zum Säubern hinreichen. Eine weitere positive Wirkung des Lotuseffekts ist die Verhinderung von Verschmutzungen, die den Lichteinfall vermindern und Spaltöffnungen verschließen könnten.

Es ist mittlerweile gelungen, die Oberflächenstruktur künstlich nachzubilden. Kommerzielle Produkte sind selbstreinigende Dachziegel und eine selbstreinigende Fassadenfarbe („Lotusan“). Es ist auch gelungen, einen Autolack mit Lotuseffekt herzustellen, leider sind die optischen Eigenschaften wirtschaftlich unerwünscht, der Lack wirkt wegen der erhöhten Rauheit zu matt. Aus dem Bereich der Nanotechnologie gibt es mittlerweile ebenfalls Beschichtungen, die superhydrophob sind. Diese Oberflächen sind zwar wasserabweisend, jedoch nicht selbstreinigend, sondern easy-to-clean. Es gibt auch Spray-Beschichtungen, die solche Nano-Strukturen ausbilden. Werden diese Beschichtungen auf bereits entsprechend mikrostrukturierte Oberflächen aufgebracht, kann ein Lotuseffekt erzielt werden.

Photokatalytische Selbstreinigung

Photokatalytische Selbstreinigung bezeichnet die Eigenschaft von Oberflächen, die mit Nanopartikeln aus Titandioxid (TiO2) beschichtet wurden. Durch Bestrahlung mit (Sonnen)-Licht werden organische Materialien auf der Oberfläche zersetzt. Die Oberflächen bleiben sauber, weiters wirkt eine solche Beschichtung antimikrobiell. Bei manchen dieser Oberflächen bildet Wasser keine Tröpfchen sondern eine dünne Schicht, sodass mit dem Auge kein Beschlagen dieser Oberflächen zu erkennen ist ("Superhydrophyle Oberfläche").

Grundlage des Verfahrens ist die Photokatalyse. Titandioxid (TiO2) ist ein Halbleiter; Licht erzeugt darin Elektron-Loch-Paare, wenn die Energie der Photonen größer als die Bandlücke Eg ist (innerer photoelektrischer Effekt). Die Elektronen oder Löcher können im Titandioxid an die Oberfläche diffundieren und erzeugen dort Radikale, die zur Zersetzung organischer Substanzen führen. Insbesondere die Löcher haben eine hohe oxidative Wirkung; aus Wasser werden OH-Radikale gebildet. Organische Substanzen werden dadurch zersetzt; Endprodukte sind in vielen Fällen CO2 und Wasser.

Die Bandlücke Eg ist bei Anatas, der für Photokatalyse effizientesten Form von TiO2 3.2 eV (bei der weniger effizienten Kristallstruktur Rutil ca. 3.0 eV). Da diese Energie einer Licht-Wellenlänge von ca. 390 nm entspricht, ist also nur ultraviolettes Licht wirksam. Da der UV-Bereich nur einen geringen Teil des Sonnenlichts ausmacht, gibt es Bestrebungen, die Bandlücke von Anatas durch Dotieren zu verringern und so einen größeren Bereich des Spektrums auszunutzen. Die super-hydrophilien Eigenschaften der Oberflächen kommen durch Sauerstoff-Leerstellen an der TiO2-Oberfläche zustande. An diesen Stellen werden OH-Gruppen gebunden, die zur guten Benetzung mit Wasser führen.

Photokatalytisch selbstreinigende Oberflächen werden in Japan bereits seit einigen Jahren industriell gefertigt. Eines der Hauptanwendungsgebiete sind Rückspiegel für Kraftfahrzeuge; es werden aber auch selbstreinigende bzw. antimikrobiell wirkende Kacheln hergestellt.