Das Fließverhalten ist eine der wichtigsten anwendungstechnischen Eigenschaften eines Lacksystems. Es entscheidet in starkem Maße über die praktische Brauchbarkeit und Anwenderfreundlichkeit des Beschichtungsmaterials.

Die wichtigste Größe zur Beschreibung des Fließverhaltens ist die Viskosität h. Nun ist die Viskosität für die meisten Lacksysteme keine Materialkonstante sondern von verschiedenen Parametern abhängig. Neben der Temperaturabhängigkeit ist aus anwendungstechnischer Sicht die Abhängigkeit von der mechanischen Beanspruchung des Lacksystems am wichtigsten. Die Rheologie beschreibt die (teilweise recht komplexen) Zusammenhänge zwischen der Viskosität und den einwirkenden Scherkräften.

Die Rheologie eines Lacksystems wird vor allem bestimmt durch

Bindemittel (Chemie, Molekulargewicht)
Lösemittelgehalt
Pigmentierungshöhe.

Darüberhinaus können Netz- und Dispergieradditive einen deutlichen Einfluß auf die Rheologie haben. Deflokkulierend wirkende Additive (z.B. Disperbyk®-163, Disperbyk®-110) wirken viskositätsreduzierend, kontrolliert flokkulierende Additive (z.B. Anti-Terra®-204) viskositätserhöhend und thixotropierend. Diese Netz- und Dispergieradditive werden jedoch immer in erster Linie zur Pigmentstabilisierung eingesetzt und der rheologische Effekt ist ein - willkommener - Nebeneffekt. Für eine möglichst optimale Einstellung der rheologischen Eigenschaften werden deshalb spezielle Rheologieadditive benötigt. In den meisten Fällen werden sie verwendet, um Bodensatzbildung bei Lagerung und Läuferneigung bei der Applikation zu vermeiden. Weiterhin wird durch das Fließverhalten die gleichmäßige Orientierung von Effektpigmenten (Aluminium- und Perlglanzpigmenten) gesteuert und bei Druckfarben beispielsweise die Abbildungsschärfe.

Absetzen, Ablaufen

Pigmente und Füllstoffe haben die Tendenz während der Lagerung des Lackes zu sedimentieren und teilweise recht harte, schwer aufrührbare Bodensätze zu bilden. Bei der Applikation auf geneigten und senkrechten Flächen bilden sich bei höherer Filmstärke leicht Läufer. Durch höhere Viskositäten im niedrigen Scherbereich in Verbindung mit einer Fließgrenze kann sowohl die Absetzneigung als auch die Läuferbildung stark zurückgedrängt werden: bessere Standfestigkeit und geringerer Bodensatz sind die Folge.

Das gerade beschriebene rheologische Verhalten kann allerdings auch unerwünschte Effekte auf die Entlüftung/Entschäumung und den Verlauf des Lackes haben: Luftblasen steigen langsamer an die Lackoberfläche und das Verfließen von Oberflächenstrukturen wird behindert.

Es ist offensichtlich, daß das "richtige" Fließverhalten immer ein Kompromiß ist und stets von den jeweiligen Anwendungsparametern bestimmt wird.

Rheologie von Lacken

Für die Praxis wichtig ist die Abhängigkeit der Viskosität von verschiedenen Parametern. Zunächst ist die Viskosität abhängig von Druck und Temperatur. Die Druckabhängigkeit ist sehr gering und kann in der Praxis vernachlässigt werden. Die Temperaturabhängigkeit dagegen ist recht deutlich, bei steigender Temperatur nimmt die Viskosität ab. Dieser Zusammenhang ist den Lackherstellern und -anwendern im allgemeinen geläufig und wird hier nicht weiter betrachtet.

Wichtig für die anwendungstechnischen Lackeigenschaften ist die Abhängigkeit der Viskosität von der Schergeschwindigkeit. Für die Praxis ist ein recht großer Scherbereich von Interesse. Bei der Lackherstellung (Dispergieren, Mischen, Abfüllen) und auch bei der Applikation (Rollen, Streichen Spritzen), treten recht hohe Scherkräfte auf (>1000 s^-1); bei der Lagerung dagegen und in der Phase zwischen Applikation und Aushärtung sind die Schergeschwindigkeiten recht niedrig (<1 s^-1).

Zur rheologischen Charakterisierung über diesen gesamten Scherbereich eignen sich am besten Rotationsviskosimeter. Allen gemeinsam ist, daß die zu untersuchende Flüssigkeit zwischen einer ruhenden Fläche und einer sich bewegenden Fläche geschert wird.

Gemessen werden die für die Rotation aufgewendete Kraft und die erzielte Rotationsgeschwindigkeit. Als Ergebnis erhält man eine sogenannte "Fließkurve", die den Zusammenhang zwischen der Schergeschwindigkeit D (proportional der Rotationsgeschwindigkeit) und der Schubspannung t (proportional zur aufgewendeten Kraft) darstellt. Aus diesen Meßgrößen läßt sich die Viskosität nach der Formel

t = h · D

berechnen und grafisch als „Viskositätskurve“ darstellen.

Newton'sches Fließverhalten

Das einfachste Fließverhalten liegt vor, wenn die Viskosität von der Schergeschwindigkeit unabhängig ist. Dieses Verhalten, auch als newton'sches Fließverhalten bezeichnet, kommt nur bei idealen Flüssigkeiten vor und wird z.B. bei Wasser, reinen Lösemitteln und Mineralölen beobachtet. Als Fließkurve ergibt sich eine durch den Nullpunkt gehende Gerade, die Steigung der Geraden ist die Viskosität. In der Darstellung als Viskositätskurve ist dementsprechend eine horizontale Gerade zu sehen. Da die Viskosität nicht von der Schergeschwindigkeit abhängt, reicht hier die Messung der Viskosität bei einer beliebigen Scherrate aus (Einpunktmessung), um das System vollständig zu beschreiben.

In Lacksystemen ist dieses Fließverhalten nur selten anzutreffen und aus anwendungstechnischer Sicht meist auch nicht wünschenswert: schon bei geringster Scherbeanspruchung (Schwerkraft) fließt das Material und läßt sich dadurch kaum läuferfrei applizieren. Eine solche Formulierung neigt auch stark zur Bodensatzbildung.

Pseudoplastisches Fließverhalten

Wesentlich häufiger ist bei Lacken das pseudoplastische Fließverhalten zu finden. Im deutschen Sprachgebrauch findet sich hier auch der Begriff "Strukturviskosität", im Englischen spricht man von "shear thinning" (scher-verdünnend). In diesem Fall ist die Viskosität abhängig von der Schergeschwindigkeit und nimmt mit steigender Scherung ab, d.h. das Lackmaterial wird dünnflüssiger. Häufig zeigen solche Materialien auch zusätzlich eine Fließgrenze: bei geringen Scherkräften fließt das Material noch nicht, erst beim Überschreiten der Fließgrenze beginnt der Fließvorgang. Die Kurve in der Fließkurven-Darstellung verläuft dann nicht mehr durch den Ursprung, sondern ist parallel nach oben verschoben.

Anwendungstechnisch ist dieses Fließverhalten sehr vorteilhaft: bei hohen Scherkräften zeigt das Material eine geringe Viskosität und ist somit bei der Lackherstellung und Applikation leicht zu handhaben. Bei geringer Scherbelastung z.B. bei der Lagerung des Materials, stellt sich eine höhere Viskosität ein, wodurch die Sedimentation von Pigmenten wirkungsvoll unterdrückt wird. Auch die Standfestigkeit bei der Applikation an senkrechten Flächen wird dadurch deutlich erhöht. Nachteilig kann die höhere Viskosität bei niedrigen Schergeschwindigkeiten dagegen beim Verlauf des Lackfilms und bei der Entlüftung sein. Eine Viskositätsangabe für ein pseudoplastisches Material ist nur sinnvoll, wenn die zugehörige Schergeschwindigkeit mit angegeben wird. Auch ist eine Einpunktmessung bei einem solchen Material wenig aussagekräftig, erst die gesamte Fließkurve (Viskositätskurve) spiegelt das rheologische Verhalten des Materials wieder.

Thixotropes Fließverhalten

Wenn zusätzlich die Viskosität auch noch zeitabhängig ist, spricht man von Thixotropie. Eine pseudoplastische Substanz zeigt zwar je nach Schergeschwindigkeiten unterschiedliche Viskositäten, diese sind aber zeitlich konstant. Wird eine thixotrope Substanz mit einer konstanten Schergeschwindigkeit geschert, so stellt man fest, daß mit zunehmender Dauer der Scherung die Viskosität abnimmt. Nach Fortfall der Scherbeanspruchung (D=0), steigt die Viskosität wieder auf den Ausgangswert an. In der Fließkurvendarstellung zeigen thixotrope Flüssigkeiten eine typische
„Hystereseschleife“, d.h. die Fließkurve spaltet sich auf in eine „Aufwärts“- und eine „Abwärts“-Kurve. In der Viskositätskurven-Darstellung sieht man deutlich, daß einem bestimmten Geschwindigkeitsgefälle dann kein eindeutiger Viskositätswert mehr zugeordnet werden kann: die gemessene Viskosität hängt von der Vorgeschichte der Probe ab (Abb. 1).

Flüssige Rheologie-Additive BYK®-410 und BYK®-411

Es gibt eine Vielzahl von Additiven am Markt, die gezielt die Rheologie beeinflussen. Der Mechanismus ist im Grunde immer der gleiche: die Additive bauen in der flüssigen Phase (z.B. durch Wasserstoffbrückenbindungen) räumlich ausgedehnte dreidimensionale Netzwerk-Strukturen auf, die bei Scherung reversibel zusammenbrechen und dadurch ein pseudoplastisches, thixotropes Fließverhalten erzeugen.

BYK®-410 und BYK®-411 sind neuartige flüssige Rheologieadditive für lösemittelhaltige und lösemittelfreie Systeme, die einfach anzuwenden sind und ein breites Anwendungsspektrum besitzen. Sie basieren auf einem modifizierten Harnstoff, gelöst in N-Methylpyrroli-don. Die Wirksubstanz ist in den üblichen Lacklösemitteln unlöslich, worauf auch die Wirkung beruht: beim Einbringen in das Lacksystem fällt das Additiv kontrolliert unter Bildung sehr feiner nadelförmiger Kristalle aus, die dann eine dreidimensionale Netzstruktur aufbauen (Abb. 2). Der erstmalige Aufbau dieser Struktur kann mehrere Stunden dauern. Bei der Applikation eines solchen Lackmaterials werden die Netzstrukturen bereits durch geringe Scherkräfte zerstört und das Material zeigt eine (gewünschte) niedrige Applikationsviskosität. Der Wiederaufbau der Struktur nach der Applikation erfolgt sehr schnell und führt zu einem raschen Anstieg der Viskosität im applizierten Lackfilm.

Am Beispiel eines Metallic-Basislackes zeigt Abb. 3, wie das Absetzen der Aluminiumpigmente durch BYK®-410 deutlich reduziert wird. Abb.4 demonstriert die Verbesserung der Standfestigkeit einer Zinkstaubgrundierung.

Obwohl die Additive aufgrund ihrer flüssigen Konsistenz problemlos in der Anwendung sind, sind einige Faktoren zu beachten um optimale Ergebnisse zu erzielen.

Polarität: BYK®-410 wirkt am effektivsten, wenn das Lacksystem im mittleren Polaritätsbereich liegt. Sowohl in sehr unpolaren als auch in sehr polaren Systemen ist es unverträglich. Diese Unverträglichkeit zeigt sich in Trübungen, Ausfällungen und stark verringerter Wirksamkeit. Abb. 5 zeigt das Prinzip dieser Polaritätsabhängigkeit: Lösemittel und Bindemittel zusammen bestimmen den idealen Polaritätsbereich. Auch eine Lösemittel-/Bindemittelkombination die zu polar oder zu unpolar ist, kann durch Zugabe geringer Mengen unpolarer bzw. polarer Lösemittel so korrigiert wird, daß BYK®-410 gut verträglich ist. BYK®-411 ist unpolarer eingestellt und zeigt deshalb bessere Verträglichkeit und Wirksamkeit in Formulierungen mit niedriger Polarität. BYK®-411 wirkt ausser über Wasserstoffbrücken, auch noch durch assoziative Wechselwirkungen zwischen den unpolaren Additivsegmenten und den unpolaren Fettsäureketten der Alkydharze.

Einarbeitung: Da BYK®-410 flüssig ist, kann es sehr gut auch nachträglich zu komplettierten Lackansätze zugegeben werden. Wichtig für eine problemlose Handhabung ist, daß die Zugabe immer unter Rühren erfolgt. Mittlere Scherkräfte (Rührer, Dissolver) sind für die homogene Einarbeitung am besten; ein optimales Kristall-Netzwerk kann sich ausbilden und Standvermögen sowie die Antiabsetzeigenschaften werden stark verbessert. Bei Einarbeitung mit sehr geringen Scherkräften (Einrühren von Hand) lagern sich die Kristalle eng zusammen und bilden kaum ein Netzwerk. Die Verteilung ist sehr inhomogen und es kann zur Stippen-Bildung kommen; diese Art der Einarbeitung ist also nicht ideal. Bei sehr hohen Scherkräften (Zugabe bereits ins Mahlgut) bildet sich eine Kristallstruktur die zu einem nur schwachen Netzwerkaufbau führt. Pigment- und Füllstoffteilchen können nach wie vor gut in Schwebe gehalten werden (Antiabsetzwirkung),
aber das Ablaufverhalten wird kaum noch positiv beeinflußt. Abb. 6 und Abb. 7 zeigen hierzu zwei Beispiele. Im ersten Fall wurde das Ablaufverhalten eines Alkyd-Decklacks mit 0,6% BYK®-410 untersucht. Bei der Einarbeitung mit einem Rührer oder Dissolver (nach der Anreibung) wird im Vergleich zur Nullprobe die Ablaufgrenze weit heraufgesetzt. Wird das Additiv jedoch bereits ins Mahlgut gegeben und mit der Perlmühle eingearbeitet, wird das Ablaufverhalten nicht so deutlich verbessert.

Abb. 7 zeigt das Absetzverhalten einer Alkydharz-Grundierung mit 0,3% BYK®-410. Während die Nullprobe einen starken und harten Bodensatz zeigt, ist die Sedimentation bei den Proben mit Additiv stark reduziert und der sich bildende Bodensatz ist sehr locker und leicht aufrührbar. Das Ergebnis bei der Einarbeitung unter hohen Scherkräften (Perlmühle) ist in diesem Fall nur minimal schlechter.

Dosierung: Zu einem gewissen Grad ist die Dosierung systemspezifisch, da die Effektivität der Additive von der jeweiligen Bindemittel-/Lösemittel-Kombination (Polarität) abhängt. Wenn das Antiabsetzverhalten verbessert werden soll, sind bereits geringe Dosierungen ausreichend. Gute Ergebnisse werden in den meisten Fällen bei einem Zusatz von 0,1% bis 0,3% erreicht. Zu Verbesserung der Standfestigkeit an geneigten Flächen sollte höher dosiert werden. Die typische Additivmenge liegt dann bei 0,5% bis 1%, maximal bis 3%. Bei sehr hohen Dosierungen ist auf eventuelle Trübungen (im Klarlack) und Vergilbungen zu achten; in lösemittelfreien Systemen kann es zur Schrumpfrißbildung kommen.

Vorteile

Übliche, meist pulverförmige Rheologieadditive, sind von der Einarbeitung her nicht ganz unproblematisch (exakte Temperaturführung und/oder hoher Dispergieraufwand erforderlich) und in der Anwendung teilweise begrenzt (z.B. Trübung in Klarlacken, Glanzverlust). BYK®-410 und BYK®-411 zeigen diese Probleme nicht. Darüber hinaus wird auch die damit erreichte Thixotropie durch höhere Temperaturen (80°C) oder durch Zugabe deflokkulierender Netz- und Dispergieradditive (z.B. über Tönpasten) nicht zerstört.

Von Dr. Beate Kossmann (Leiterin der Mikrobiologie von SAM-Polymers) (links)
Dr. Peter Ottersbach (Leiter des Marketing/ Sales von SAM-Polymers) (rechts).

Dr. Peter Ottersbach (38) leitet das Marketing/ Sales von SAM-PolymersÒ ^.Nach dem Studium der Chemie in Bonn führte ihn sein beruflicher Weg in die damalige Hüls AG, wo er mit der Entwicklung von Oberflächenmodifizierungsverfahren für medizintechnische Anwendungen und der Synthese bioaktiver Kunststoffe befasst war. Darauf aufbauend entwickelte er neuartige polymerbiozide Wirkstoffe. Inzwischen wechselte er von der Entwicklung hin zum Marketing und ist aktuell mit dem Aufbau des Marketing/ Sales - Bereiches der SAM-PolymersÒ betraut.

Dr. Beate Kossmann (43) leitet die Mikrobiologie bei SAM-PolymersÒ ^. Nach dem Studium der Lebensmitteltechnologie in Berlin führte sie ihr beruflicher Weg über Zwischenaufenthalte beim Robert-Koch-Institut sowie dem Max-Planck-Institut für Molekulare Genetik zur ehemaligen TH. Goldschmidt AG, bei der sie in der Anwendungstechnik Desinfektionsmittel und Tenside tätig war. Seit ihrem Wechsel zur Creavis ist sie mit mikrobiologischen und anwendungstechnischen Fragestellungen befasst.

Veralgte Fassaden, bewachsene Schiffsrümpfe, verschimmelte Fugen.

All dieses sind sichtbare Begleiterscheinungen von natürlichen Prozessen, denen wir uns täglich ausgesetzt sehen. Sie basieren auf mikroskopisch kleinen Lebewesen, die in einer Welt leben, die dem unmittelbaren Zugriff durch unser Auge verschlossen bleibt. Viele dieser Lebewesen sind für das Gleichgewicht des Ökosystems notwendig, zahlreiche von Ihnen leben mit uns in symbiotischer Beziehung und begleiten so z. B. unsere Stoffwechselvorgänge. Die Rede ist hier von Bakterien, Algen, Hefen und Schimmelpilzen, also Kleinlebewesen, die unser tägliches Leben in mannigfacher Weise begleiten und beeinflussen.

Für unser bloßes Auge sichtbar werden diese Lebewesen erst, wenn sie sich, z.B. unter für sie günstigen Umweltbedingungen, ungehindert vermehren können.

Dabei sind unbelebte Oberflächen, seien sie nun aus Hölzern, Steinen, Metallen oder Kunststoffen, ebenso wie Oberflächen lebender Organismen Ziel mikrobieller Besiedlung und Angriffe. Im Gegensatz zu den belebten Systemen verfügen sie jedoch über keine Abwehrmechanismen.

Zum Schutz der von Menschenhand hergestellten Erzeugnisse sind schon früh artifizielle oder auch teilweise natürliche Gegenspieler der Mikroben in den Kampf geschickt worden, die man heute allgemein als Biozide bezeichnet. Durch Einsatz derartiger Substanzen versucht die Menschheit schon seit Tausenden von Jahren die Auswirkungen von mikrobiellen Angriffen zumindest abzumildern. So wußte man schon früh um die antimikrobielle Wirkung, die von Silber- und Kupferoberflächen ausgeht, ohne den Effekt im Detail zu verstehen. Auch der Einsatz von Teerölen zur Holzimprägnierung ist so ein empirisch gefundenes Schutzverfahren.

Neben diesen mehr technischen Auswirkungen ist auch der Mensch selber schon immer Angriffsziel für mikrobielle Attacken gewesen, was sich in einer Vielzahl von mikrobiell bedingten Erkrankungen bis heute widerspiegelt. Ein immer wieder spektakuläres Beispiel stellt in diesem Zusammenhang der sporadisch auftretende Ausbruch der bakteriell bedingten Legionärskrankheit dar. Die hierfür verantwortlichen Bakterien, die Legionellen, stellen zwar gemessen an der Zahl der Erkrankten und Toten nicht das Hauptproblem mikrobiell bedingter Infektionen oder Intoxikationen dar, erregen aber schon allein aufgrund des tückischen Infektionswegs immer wieder Aufsehen. Die Hauptinfektionsquelle für die Legionärskrankheit sind Warmwassersysteme, wie man ihnen z. B. beim Duschen in einem Hotel- oder Krankenhaus begegnet oder, wie im prominententesten Fall des vergangenen Jahres im spanischen Murcia, verunreinigte Klimaanlagen.

Materialschutz

Wir möchten den Fokus nun auf den Schutz künstlicher Oberflächen vor mikrobiellem Befall setzen, werden aber dabei im Folgenden mitunter auch feststellen, dass es durchaus Berührungspunkte zum Bereich Gesundheit und Prophylaxe gibt.

Wie schon Eingangs erwähnt, fehlt künstlichen/ unbelebten Oberflächen die Eigenschaft lebender Systeme, sich aktiv gegen Mikroben zur Wehr zu setzen. Derartige Oberflächen müssen daher durch den Einsatz von teils mehr, teils weniger intelligenten Methoden vor mikrobiellen Angriffen geschützt werden. Dazu gibt es grob vereinfacht zwei unterschiedliche Zugangsmöglichkeiten.

Die Abweisungsmethode

Im ersten Fall versucht man durch spezielles Design, Oberflächentopographie und -chemie ein Andocken von Mikroben an die Oberflächen selbst zu minimieren. Dieser Vorgehensweise liegt die Vorstellung zugrunde, dass sich die Mikroben erst auf einer Oberfläche festsetzen müssen, bevor sie sich auf dieser ausbreiten können. Unterbindet man also „Phase I" des mikrobiellen Angriffs, sollten alle weiteren Phasen wirkungsvoll unterdrückt werden können.

Zur praktischen Umsetzung dieser Methode macht man sich die Tatsache zu Nutze, dass Mikroben im Allgemeinen an solchen Oberflächen besonders gut anhaften, die eine mittlere Oberflächenenergie aufweisen. Nähert man sich mit der Oberflächenenergie seines Werkstoffes demgegenüber den Grenzbereichen, erschwert man den Mikroben die Anhaftung. Grenzbereiche stellen in diesem Zusammenhang sowohl superhydrophile als auch superhydrophobe Oberflächen dar.

Beispiele für den Versuch möglichst hydrophobe Oberflächen als Bewuchsabweisung zu verwenden finden sich zahlreich im Bereich des Antifouling. Dort probiert man z. B. durch den Einsatz fluor- bzw. silikonhaltiger Verbindungen Schiffsrümpfe so hydrophob einzustellen, dass Meereslebewesen nur locker auf diesen Flächen anhaften können. Im Idealfall würde sich ein derart ausgerüsteter Rumpf bei Fahrtantritt durch die Strömung entlang des Schiffes von selbst reinigen.

Eine Verfeinerung dieses Ansatzes stellen die mikrostrukturierten Oberflächen dar, die oftmals unter dem Label Lotuseffektoberflächen zusammengefasst werden. Die Idee zur Konzeption dieser Oberflächen basiert auf der Beobachtung von natürlichen Selbstreinigungsprozessen, insbesondere denen der Lotuspflanze. Die Lotuspflanze nutzt zur Selbstreinigung eine Kombination aus hydrophober und gleichzeitig mikrostrukturierter Oberfläche. Eine Übertragung auf technische Oberflächen bedeutet demnach, den hydrophoben Oberflächenansatz mit demjenigen einer Mikrostrukturierung zu kombinieren.

Leider besitzen alle diese Ansätze deutliche Einschränkungen in ihrer Wirkung und Umsetzbarkeit. So ist es zwar prinzipiell richtig, dass auf extrem hydrophoben Oberflächen weniger Mikroben andocken können als auf denjenigen mit einer mittleren Oberflächenenergie. Dem steht allerdings gegenüber, dass man sich auf diese Weise allenfalls einen kleinen Zeitvorsprung sichern kann. Die bereits erwähnte, stark ausgeprägte Befähigung der mikrobiellen Lebensformen sich an veränderte Umweltbedingungen anzupassen, wird in relativ kurzer Zeit zu einem Selektionsprozess führen, an dessen Ende Mikroben stehen werden, die sich diesen Oberflächen in besonderem Maße angepasst haben werden. Desweiteren sind silikon-, besonders aber auch fluorhaltige, Verbindungen relativ teuer in der Herstellung. Hinzu kommen noch die Probleme bei der dauerhaften Applikation auf Oberflächen und, im Bedarfsfall, partiellen Erneuerung mittels der auf diesen Verbindungen beruhenden Produkte.

Geht man sogar den noch ambitionierteren Weg der mikrostrukturierten Oberflächen stellen sich viele Fragen der Herstellung und Applikation als bis zum heutigen Tage ungelöst dar. Eine Mikrostruktur, vergleichbar derjenigen der Lotuspflanze, grosstechnisch und ökonomisch tragbar auf praxisrelevanten Oberflächen zu erzeugen, ist ein schon an sich recht schwieriges Unterfangen. Weiter verkompliziert wird es allerdings noch durch die Tatsache, diese Mikrostrukturen über einen längeren Zeitraum intakt zu halten, da die Oberflächen im praktischen Einsatz im Allgemeinen Belastungen, z. B. in Form von Abrasion, ausgesetzt sind. Dieses stellt gerade bei den für diesen Effekt erforderlichen Aspektverhältnissen der Mikrostrukturen eine sehr große technologische Herausforderung dar.

Dieses alles sind Probleme, denen sich die Pflanze selber allein durch ihre Regenerationsfähigkeit wirkungsvoll entziehen kann.

Die konventionelle Biozidmethode

Geht man bei der Abweisungsmethode noch den sanften Weg, die Mikroben selbst unbeeinflußt zu lassen und nur deren Möglichkeiten zur Fixierung an Oberflächen zu beschneiden, geht es in Zusammenhang mit Bioziden in der Tat um Leben oder Tod. Konventionelle Biozide sind im Allgemeinen toxische, vor allem aber in ihrer aktiven Form niedermolekulare Verbindungen, die in die Mikrobenzelle eindringen und diese abtöten sollen. Solche Verbindungen sind äußerst zahlreich und reichen von schwermetallhaltigen, über halogenierte bis hin zu rein organischen Verbindungen.

Einen besonders prominenten Vertreter, wiederum aus dem Bereich des Antifouling, stellt das Tributylzinn, kurz TBT, dar. Dieser toxikologisch hochpotente Wirkstoff fand lange Jahre als das effektivste Biozid im Bereich der Schifffahrt in einer Vielzahl von Antifoulingfarben Verwendung. Erst als man zu Beginn der achtziger Jahre in der Nähe von Häfen eine signifikante Zunahme der Unfruchtbarkeit von Meereslebewesen feststellte, kam dieser Stoff in Verruf. Nachfolgende Untersuchungen ergaben, dass TBT bereits in geringsten Konzentrationen, die bereits schon nicht mehr biozid wirksam sind, zur Verweiblichung von Lebewesen beiträgt. Als Folge dieser Ergebnisse wurde der Einsatz von TBT für kleinere Schiffe bereits verboten. Ein weitergehendes prinzipielles Verbot des Einsatzes in Antifoulingfarben ist für das Jahr 2003 vorgesehen.

Als Alternativen zu TBT finden zur Zeit Kupferverbindungen und organische Biozide Verwendung. Deren Performance reicht im Allgemeinen aber nicht an diejenige der TBT-haltigen Farben heran. Des Weiteren stellt sich die Frage, ab welchem Zeitpunkt auch diese Substitutionsprodukte unter Beschuß geraten werden, da man im Prinzip ja nur ein konventionelles gegen ein anderes, evtl. nur vordergründig weniger bedenkliches, konventionelles Biozid austauscht ohne vom bedenklichen System der unkontrollierten Freisetzung niedermolekular wirksamer Wirkstoffe abzurücken.

Ein prinzipielles Problem konventioneller Biozide besteht neben ihrer Toxizität, nicht zuletzt auch gegenüber Nicht-Zielorganismen und gegebenenfalls sogar dem Menschen selbst, ja gerade in der Tatsache, dass diese Wirkstoffe nicht am Applikationsort verankert werden können. Sie werden vielmehr während ihrer Anwendung mehr oder weniger unkontrolliert an das Ökosystem abgegeben. Dieses kann zu oftmals nicht vorhersagbaren Nebeneffekten und Komplikationen führen, wie bereits im Fall des TBT weiter oben erläutert. Dadurch bleiben diesen Substanzen auch viele Anwendungen vorenthalten, in denen eine Abgabe des Wirkstoffes an die Umgebung prinzipiell ausgeschlossen sein muss. Dies ist z. B. der Fall im gesamten Bereich der Lebensmittelverarbeitung mit direkter Produktberührung sowie im Bereich der Trink- und Sterilwasseraufbereitung. Auch für gewisse Anwendungen auf dem Gebiet der Medizintechnik ist die genannte Anforderung der Nichtabgabe des Wirkstoffes unabdingbare Voraussetzung für einen Einsatz.

SAM-PolymersÒ - die umweltfreundliche Alternative

SAM-PolymersÒ steht für Sustainable Active Microbicidal Polymers. Bei diesen Polymeren handelt es sich um eine völlig neue Klasse von Biozidprodukten, die von Creavis Technologies & Innovation, einer hundertprozentigen Tochter der Degussa., entwickelt wurden. Sie basieren auf speziell funktionalisierten, wasserunlöslichen Polymeren. Durch den polymeren Charakter dieser Biozide bedingt, reduzieren sich die Gefahren dieser Substanzen im Vergleich zu konventionellen Bioziden ganz beträchtlich.

Wie schon näher erläutert sind konventionelle Biozide im Allgemeinen wasserlöslich und werden im Verlauf der Anwendung an die Umgebung abgegeben. Sie werden so ein Teil des Ökosystemes, können von Pflanzen und Tieren aufgenommen werden, und so mittel- oder unmittelbar in unsere Nahrungskette gelangen. Konventionelle Biozide sind in ihrer aktiven Form niedermolekulare Substanzen, und können daher auch von menschlichen und tierischen Zellen aufgenommen werden und diese schädigen.

Die Produkte von SAM-PolymersÒ , namentlich das Polymergranulat AMINAÒ T 100 sowie die Polymeremulsion LIMAGOÒ T 100, sind hochmolekular und wasserunlöslich. Selbst wenn Partikel dieser Produkte in die Umwelt gelangen sollten, können sie aufgrund ihres hohen Molekulargewichtes nicht von menschlichen oder tierischen Zellen aufgenommen werden. Die akute orale Toxizität dieser Produkte erbrachte im Rattenversuch Werte von mehr als 2000 mg pro kg Körpergewicht, was im Vergleich zu den überaus meisten konventionellen Bioziden auf eine signifikant geringere Toxizität hinweist.

Wie schon erwähnt handelt es sich bei AMINAÒ T 100 um ein Polymergranulat. Sein Einsatz bietet sich vor allem auf dem Gebiet der Kunststoffverarbeitung an, da es extrudierbar und spitzgussfähig ist. Die Einarbeitung in eine Reihe von wirtschaftlich relevanten Kunststoffen konnte so schon erfolgreich durchgeführt werden. Daneben bietet sich der Einsatz von AMINAÒ T 100 auch im Bereich lösemittelbasierter Farben und Lacke an. AMINAÒ T 100 ist in nahezu allen organischen Lösemitteln gut löslich, so dass eine Einarbeitung in bestehende Rezepturen im Allgemeinen gut möglich ist.

Die Polymeremulsion LIMAGOÒ T 100 findet überall dort ihre Verwendung, wo es auf die antimikrobielle Ausrüstung von wasserbasierten Produkten ankommt und die Verwendung von lösemittelhaltigen Systemen obsolet ist. So lassen sich mit dem Produkt z. B. andere wasserbasierte Emulsionen oder Wandfarben antimikrobiell ausrüsten.

Neben den ausgezeichneten ökologischen Voraussetzungen besitzen die Produkte von SAM-PolymersÒ darüber hinaus eine hohe Effektivität in ihrer Wirksamkeit gegenüber zahlreichen relevanten Mikroorganismen. Sie lassen sich als polymerbiozide Additive in eine Vielzahl von Farben, Lacken und Kunststoffen einarbeiten, wodurch diese Produkte mikrobizid ausgestattet werden. Primär lässt sich die Faszination dieser neuen Additive in drei Punkten zusammenfassen:

Die Wirkung der Produkte von SAM-PolymersÒ ist nachhaltig und umweltverträglich. Die mikrobizid wirksamen Komponenten werden im Gegensatz zu konventionellen Bioziden bei der Umsetzung mit den Mikroorganismen nicht verbraucht, da der Effekt nach heutigem Erkenntnisstand auf einer elektrostatischen bedingten Oberflächenwechselwirkung des Polymers mit den Mikroorganismen beruht. Durch diese Wechselwirkung wird der Stoffwechsel der Mikrobenzelle nachhaltig gestört, so dass die Zelle nicht überleben kann. Dieser Effekt ist somit von der speziellen Konstitution und Konformation der verwendeten Polymere abhängig und wirkt kontaktmikrobizid ohne dass der Wirkstoff in die Zelle eindringen muss.

Die mikrobizide Wirkung entfaltet sich erst im Polymer, die Einsatzstoffe zeigen keine vergleichbare antimikrobielle Aktivität. Durch den polymeren Charakter des Wirkstoffs ist eine biologische Verfügbarkeit der Substanzen für höhere Organismen nicht gegeben, so dass der Wirkstoff eine hohe Aktivität gegenüber Mikroorganismen mit einer äußerst geringen Toxizität gegenüber höheren Organismen in nahezu idealer Weise verbindet.

Die antimikrobiellen Polymere zeigen eine hohe Wirksamkeit gegenüber Bakterien, Algen, Hefen und Schimmelpilzen. Selbst äußerst widerstandsfähige Keime, wie z. B. Pseudomonaden oder die bereits weiter oben erwähnten Verursacher der Legionärskrankheit, die Legionellen, werden von SAM-PolymersÒ abgetötet. Durch die Unterdrückung des Pilzwachstums sind SAM-PolymersÒ darüber hinaus in der Lage, viele Probleme im Bauten- und Holzschutz zu beseitigen, für die es bisher überhaupt noch keine Lösungsansätze gibt. Auch der Bereich Lebensmittelverarbeitung und –verpackung kann von einem Einsatz dieser Additive nachhaltig profitieren.

Um auch angesichts der geänderten rechtlichen Rahmenbedingungen einen langfristigen Einsatz dieser neuen polymeradditiven Produkte zu ermöglichen, wird für die Produkte von SAM-PolymersÒ eine Zulassung im Rahmen der Eingangs erwähnten europäischen Biozidrichtlinie betrieben. Hierzu werden zur Zeit weitere toxikologische und ökotoxikologische Untersuchungen durchgeführt, welche nach unserer Überzeugung die Überlegenheit dieser neuartigen Additive im Vergleich zu konventionellen Bioziden weiter herausarbeiten werden.

AMINAÒ T 100 ist bereits erfolgreich in eine Antifoulingfarbe eingearbeitet worden. Diese Farbe wurde in einem Sechsmonatstest in einem Auslagerungsversuch vor Florida einem starken Bewuchsdruck ausgesetzt. Die Ergebnisse dieser Versuche bestätigen die prinzipielle Eignung und Wirksamkeit des Additivs als Antifoulingbiozid. Der Performance einer konventionellen Antifoulingfarbe auf Kupfer-/Boosterbiozidbasis ist diese Rezeptur allerdings momentan noch nicht ganz ebenbürtig. Da es sich bei der durchgeführten Studie nur um eine prinzipielle Machbarkeitsprüfung handelte, war ein noch besseres Ergebnis aber zunächst auch nicht zu erwarten.

Die Wirkungsweise der SAM-PolymersÒ - Produkte beruht auf einer kontaktmikrobiziden Wechselwirkung. Aus diesem Grund sollte an dieser Stelle auch auf eine besondere Tatsache hingewiesen werden. Um die volle Wirksamkeit dieser Additive zu erreichen ist es erforderlich, dass sie angereichert an der Oberfläche des zu schützenden Produktes vorliegen. Dies ist aus zwei naheliegenden Gründen unabdingbar:

Erstens kann nur so eine antimikrobielle Wirkung der Beschichtung zum Tragen kommen, da die Additive im Gegensatz zu konventionellen Bioziden nicht migrieren.

Zweitens minimiert man so die Kosten für einen Einsatz dieser Additive, da in tieferen Schichten immobilisierte Additivmoleküle keinen Beitrag zur antimikrobiellen Ausrüstung leisten, einmal abgesehen von Spezialfällen, wie z. B. den self-polishing-Farben im Bereich des Antifouling.

Die Sinnhaftigkeit der Oberflächenanreicherung wird auch durch Untersuchungen gestützt, die zeigen, dass die antimikrobielle Wirkung der beiden Produkte bei purer Anwendung in einer Bakteriensuspension bereits bei Konzentrationen von etwa 10 ppm einsetzt. Das bedeutet, dass, eine entsprechende Optimierung der Formulierung bzw. der Beschichtungstechnologie vorausgesetzt, bereits sehr kleine Mengen an Einsatzstoff für eine wirksame antimikrobielle Ausrüstung ausreichen können.

Im Bereich der Kunststoffverarbeitung ist die Frage der Oberflächenanreicherung der Additive durch Einsatz und Anpassung bestehender Technologien bereits zu einem großen Teil gelöst. Für den Bereich der Farben und Lacke steht eine vergleichbare Problemlösung bisher nur in Ansätzen zur Verfügung. Die von unseren bisherigen Kooperationspartnern im Bereich der Farben und Lacke favorisierten Lösungen gehen von einer Anpassung des verwendeten Bindemittels bis hin zur Applikation einer weiteren Deckschicht, in welche die Additive in hoher Konzentration eingearbeitet werden.

Neben dem bereits genannten Bereich der Antifoulingfarben können die Produkte von SAM-PolymersÒ sicher auch einen wichtigen Problemlösungsbeitrag auf den Gebieten der Fassadenfarben und der Holzschutzmittel leisten. Erste Ergebnisse aus dem Bereich des Holzschutzes bestätigen eine schimmelpilzhemmende Wirkung der Additive. Darüber hinaus sind die Additive aufgrund ihrer polymeren Natur völlig emmisionsfrei, weshalb sie in besonderer Weise für einen Einsatz im Innenbereich prädestiniert erscheinen.

Momentan befinden sich die Produkte von SAM-PolymersÒ noch in der Frühphase der Vermarktung. Die Nachfrage von Kundenseite hat sich allerdings so immens verstärkt, dass das geplante Upscaling der Produktionsmöglichkeiten für die Produkte AMINAÒ T 100 und LIMAGOÒ T 100 von uns zeitlich weiter vorgezogen wird. Da man zur Herstellung der Produkte auf konventionell verfügbare Edukte zurückgreifen kann, ist die Rohstoffbasis, auch zur Herstellung größerer Mengen, gesichert. Darüber hinaus haben wir Vorsorge getroffen, dass eine Vermarktung der Produkte auch schon parallel zur Zulassung nach Biozidrichtlinie möglich ist.

In Zusammenarbeit mit einer Vielzahl namhafter Kunden aus der kunststoffverarbeitenden sowie der Farben- und Lackindustrie wird zur Zeit die Performance der beiden Produktlinien in anwendungsnahen Pilotprojekten eruiert, damit die Produkte von SAM-PolymersÒ möglichst bald als umweltfreundliche Alternativen zu bisher bekannten Bioziden Anwendung finden.