Phänomen Farbe 3.7.2000. Bei einem dreitägigen Kongress wurden in Guildford/UK einige Neuerungen und auch bereits bekannte Entwicklungen aus dem Bereich der Organisch-Anorganischen Hybridmaterialien als Beschichtungsstoffe vorgestellt. Diese transparenten, dünnschichtigen Materialien werden vorwiegend als mechanisch und chemisch resistente Beschichtungsstoffe für unterschiedliche Untergründe eingesetzt. Zunehmend werden erweiterte Funktionen wie Hydrophobie oder Hydrophilie in die Materialien integriert. Das weltweite Interesse war groß und auch Kongressteilnehmer aus Asien und den USA stellten neben den Europäern eigene Entwicklungen und Forschungsergebnisse vor. Deutsche Pioniere von jungen Firmen auf diesem Gebiet stellten ihre Entwicklungen vor, während die konventionelle Lackbranche den Neuerungen mit Desinteresse gegenüber steht.

Eine für Lackexperten ungewöhnliche Tagung fand vom 12.-14. Juni in der südlich von London gelegenen Stadt Guildford statt. Das ungewöhnliche an der Tagung war die Thematik zu der die britische Paint Research Association (PRA) an die University of Surrey eingeladen hatte: Organisch-Anorganische Hybride, Stoffe, Produkte, Eigenschaften, Substrate, Techniken. Der Einladung folgten 161 Teilnehmer aus 21 Ländern, um sich über die Neuerungen im Bereich der Hybridmaterialien zu informieren und um sich mit Wissenschaftlern aus aller Welt und Industrievertretern auszutauschen.

Abb. 1: Hydrolyse und Kondensation von Silizium-Alkoxiden zur Erzeugung von anorganischen Oxidnetzwerken

Ausgehend von dieser grundlegenden Chemie wurden Synthesewege untersucht, um neben den anorganischen Oxidstrukturen parallel auch noch organische Molekülstrukturen in einem Werkstoff aufzubauen. Diese Organisch-anorganischen Hybridmaterialien sind seit ca. 10 Jahren weltweit im Gespräch und vor allem bekannt unter den kommerziellen Bezeichnungen ORMOCERE® und Nanomere®. In der Wissenschaft werden diese Werkstoffe oft als Nanokomposite bezeichnet und gelten als ein Bereich der Nanotechnologie. Mit diesen Werkstoffen lassen sich u. a. transparente Dünnschichtmaterialien mit sehr guten mechanischen und chemischen Beständigkeiten für unterschiedliche Oberflächen herstellen. Grundlage der meisten dieser Materialien ist der Sol-Gel Prozess ausgehend von Organo-Alkoxiden. Hierbei nutzt man organische Seitenketten, z. B. an den Silicium-Alkoxiden, um die oxidischen Netzwerkstrukturen organisch zu modifizieren. In Abbildung 2 sind die verschiedenen theoretischen Möglichkeiten zum Aufbau verschiedenster Strukturen aufgezeigt.

Zeichenerklärung (rechte Reihe von oben)
eingeschlossenes organisches Molekül (z. B. Farbstoffe)
funktionelle organische Gruppe
netzwerkmodifizierende organische Grupp
(z. B. Alkylgruppe)
zusätzliche organische Polymerkette, chemisch mit de
anorganischen Netzwerk verknüpft
Sauerstoffbrücken
Chemische Bindungen
anorganische Netzwerkbildner (z. B. Si, Al, Zr)
zusätzliche organische Polymerkette, nicht mit de
anorganischen Gerüst verknüpft

Abb. 2: Strukturschema von Organisch-Anorganischen Hybridmaterialien (nach Jahrestätigkeitsbericht des Fraunhoferinstitut ISC, Würzburg)

Der Kongress

Das Kongressprogramm bestand aus 34 Fachvorträgen und 11 Postern. Neben verschiedenen Hochschulinstituten und Forschungseinrichtungen wurden Ergebnisse von Arbeiten zu unterschiedlichen Themen auch aus dem Bereich der Industrie vorgestellt. Der inhaltliche Bogen reichte von der Grundlagenforschung über anwendungsorientierte Arbeiten bis zu bereits kommerziell erhältlichen Produkten. Viele weltweit renommierte Fachleute auf diesem Arbeitsgebiet waren in Guildford erschienen und waren ein Zeichen für das hohe Niveau dieser Veranstaltung der PRA. Die fachlichen Beiträge wurden auch in den Abendstunden noch in gemütlichen Gesprächsrunden weitergeführt und sowohl alte Hasen als auch Neulinge nutzten die Gelegenheit zum intensiven Austausch.

Die führende Position der deutschen Institute wie das Fraunhofer Institut für Silicatforschung (ISC) in Würzburg sowie das Institut für Neue Materialien (INM) in Saarbrücken zeigte sich u. a. darin, dass einige der Vorträge sich inhaltlich damit beschäftigten frühere Arbeiten dieser Einrichtungen nachzuvollziehen oder gar zu imitieren und in Vorträgen zu präsentieren. Dabei war es schon erstaunlich, dass das INM in Guildford nicht präsent war und das ISC sich lediglich mit einem Poster vorstellte. Dies kann aber auch ein Zeichen dafür sein, dass die Hybridmaterialien und die konventionelle Lackchemie weiterhin ihre Eigenleben nebeneinander führen ohne den jeweils anderen Bereich wahrzunehmen.

Die klassischen Anwendungsfelder für Hybridmaterialien, die auch seit einigen Jahren kommerziell umgesetzt werden, wurden von verschiedenen Autoren vorgestellt. Dies sind vor allem Anwendungen im optischen Bereich, in dem Kunststoffoberflächen mit den dünnen Schichten vor mechanischer Belastung oder chemischen Angriffen geschützt werden. Die flüssigen Beschichtungssole werden als Klarlacke mit verschiedenen Applikationstechniken (Spin-Coating, Tauchen, Sprühen etc.) aufgebracht und bei Temperaturen um 100°C eingebrannt. Die resultierenden Schichten besitzen Trockenschichtdicken im Bereich von ca. 3 µm, haften sehr gut auf den Polymeren und sind kratz- und abriebbeständig. Diese mechanische Beständigkeit und die Unlöslichkeit in organischen Lösemitteln beruhen vor allem auf dem hohen anorganischen Anteil der Polymerstruktur. Bewährt haben sich derartige Beschichtungen schon seit vielen Jahren für Linsen und Brillengläser aus organischen Polymeren wie PMMA, CR 39 oder Polycarbonat.

Weitere Anwendungen sind Schichtmaterialien mit einstellbaren hydrophoben oder hydrophilen Eigenschaften, die zusätzlich zu den bekannten Kratz- und Abriebfestigkeiten eingebaut werden können. Die hydrophoben Schichten enthalten Anteile an organisch gebundenem Fluor, das sich beim Aushärten an der Schichtoberfläche anreichert und zu Eigenschaften führt, die ansonsten von Fluorpolymeren bekannt sind. Jedoch sind diese Hybride aus dem Bereich der Gradientenmaterialien im Gegensatz zu z. B. Teflon deutlich kratzfester, transparent und haften sehr gut. Hydrophile Komponenten werden ebenso gezielt in die Polymermatrix eingebaut und ermöglichen Badezimmerspiegel, die nicht mehr beschlagen.

Anwendungsbeispiele aus dem Bereich der Luft- und Raumfahrttechnik wurden vom amerikanischen Air-Force-Research-Laboratory vorgestellt, wo Hybridmaterialien als hochtemperaturbeständige Beschichtungsstoffe im Bereich der Raketenantriebstechnik eingesetzt werden. Hierzu zählt die Verstärkung von Elastomeren durch inkorporierte Nanopartikel, die zu deutlich erhöhten Festigkeitswerten führt. Diese Materialien wurden durch den Einbau von Silber-Ionen oder Silicium-Alkoxiden auf molekularer Basis in Nylon 6 erhalten. Die nachfolgende Reduktion oder Hydrolyse führen zu feinst verteilten Silber- oder Siliciumoxidpartikeln mit Durchmessern von wenigen Nanometern in der Polymermatrix und bewirkt eine extreme Temperaturstabilität, die den Einsatz bei amerikanischen Shuttle-Triebwerken ermöglicht.

Neuere Anwendungsfelder wurden in verschiedenen Vorträgen beschrieben, die nicht direkt mit Beschichtungsmaterialien zu tun haben. Ein Beispiel dafür sind Sensormaterialien für spezielle Gase, die mittels poröser Strukturen mit sehr hohen inneren Oberflächen hergestellt werden und durch geeignete Syntheseführung selektiv eingestellt werden können. Die Materials Research Group der Kingston University präsentierte elektrisch leitfähige Schichten, die durch den Einschluss von aromatischen Monomeren in lamellare Metall-Thiophosphate oder Molybdänoxid erhalten wurden. Nachfolgende Oxidation führte zu Nanokomposit-Schichten, mit alternierendem Aufbau aus anorganischen Einlagerungen und leitfähigem Polymer. Diese Entwicklung kommt aus dem Bereich der Grundlagenforschung und ist von einer technischen Anwendung noch weit entfernt, wenngleich sich interessante Perspektiven für die Zukunft eröffnen. Ebenfalls aus dem Grundlagenbereich stammte der Vortrag von Prof. Veith von der Universität des Saarlandes, der über molekulare Alumosilikate berichtete als Hybride zwischen Silikonen und Zeolithen. Diese interessanten Verbindungen könnten z. B. die Einlagerung von Wirkstoffen in ihren Hohlräumen ermöglichen, die auf diese Weise zu einem potenziellen Einsatzort innerhalb eines Organismus transportiert werden. Ebenfalls neu Wege beschreiten zwei junge Nachwuchswissenschaftler, die Diplom-Chemiker Böttcher und Nuss der Universität Hannover, die sich diesem Gebiet von einer anderen Seite nähern und radikalische Lebende Polymerisationen an Oberflächen von feinsten anorganischen Materialien durchführen und zu neuartigen Polymermaterialien gelangen.

Einige Arbeiten widmeten sich Bereichen, die nichts mit Beschichtungen zu tun haben, die aber ebenfalls interessante Anwendungen erschließen. Mit großem Interesse beachtet wurde ein Beitrag von Prof. Saka aus Japan zur Holzkonservierung über die Imprägnierung von Holz mit Silizium-Alkoxiden, die zur Ausbildung von anorganisch oxidischen Strukturen führt und eine Konservierung von Holz ermöglicht und gleichzeitig die Entflammbarkeit deutlich reduziert.

Bei diesem gelungenen ersten Kongress der PRA zu diesem Thema war das Interesse und das Niveau der Veranstaltung sehr hoch. Aus der Industrie waren zwar Rohstofflieferanten vertreten (Wacker-Chemie, Woellner Silikat, Ciba Specialty, Bayer AG), aber für die meisten deutschen Lackfabriken sind Organisch-Anorganische Hybridmaterialien kein Thema (Ausnahme: BASF Coatings). Dieses Feld wird neu gegründeten High-Tech Firmen überlassen. Mit Dr. Georg Wagner von NanoTech Coatings (NTC) und Dr. Rüdiger Nass von Nanogate waren zwei Pioniere dieser Technologie aus Deutschland auf dem Kongress vertreten und bereicherten das Programm mit Ausführungen zu kommerziellen Anwendungen im Oberflächen- und Beschichtungsbereich.

Weitere Informationen zur Tagung:

Paint Research Association, Mrs. Janet Saraty, 8 Waldegrave Road, Tddington,
Middleesex TW 11 8LD, UK
Tel: +44 (0) 20 8614 4800 Fax: +44 (0) 20 8943 4705
e-mail: coatings@pra.org.uk internet: http://iwww.pra.org.uk

Dr.-Ing. Georg Wagner