• LCST und UCST-Technologie, patentiert

• Ausarbeitung von elektrochemischen Prüfmethoden
• Korrosionsschutzeigenschaften von Wasserlacken

• Untersuchung der Kratzfestigkeit von Fahrzeug- und Möbellacken
• Bestimmung der Polierfähigkeit von Beschichtuen
• Haftfestigkeit von UV-Lacken und UV-Druckfarben auf Kunststoffen bzw. Metallen
• Haftfestigkeit von Beschichtungssystemen (Mehrschichtaufbau)

• Weiterentwicklung der Reaktormethode als Prüfgerät
• grundlegende Anforderungen an die Zusammensetzung solcher Beschichtungen

• . in verschiedenen Projekten relevant

Beschichtungen, deren optische Eigenschaften durch einen von außen einwirkenden Stimulus in kontrollierter Weise verändert werden können, haben ein großes anwendungstechnisches Potential, z.B. bei der dekorativen Gestaltung von Oberflächen oder auch in der Informationstechnologie.

Die Realisierung solcher, auch als "Smart Coatings" bezeichnete Systeme, setzt ein fundiertes Wissen über Strukturen und Umwandlungen auf molekularer Ebene voraus, was am IPOC erarbeitet und am FPL umgesetzt werden kann. Ein anschauliches Beispiel sind photochrome Polymerfilme, deren Farbe sich durch Bestrahlen mit UV-Licht reversibel ändert.

Ein erfolgversprechender Ansatz beruht auf dem Einbau von photochromen AnthracenMolekülen in die Hartsegmente von segmentierten Polyurethanen.

Durch Entmischungsprozesse bei der Filmbildung entstehen Nanodomänen, in denen die Anthracen-Bausteine infolge von Selbstorganisation in exakt der Position zu einander fixiert sind, die Voraussetzung für eine reversible Dimerisierung ist (Abb. 1). Die Dimere können
entweder durch Bestrahlung mit Licht einer anderen Wellenlänge oder auch durch Erwärmen wieder gespalten werden. Da sich Monomer und Dimer im Brechungsindex unterscheiden, ändern sich die optischen Eigenschaften des Lackfilms an den bestrahlten Stellen entsprechend: Die experimentell erzielten, reversiblen Brechungsindexänderungen sind in der Größenordnung von ~n = 0.001 und liegen damit im Bereich des theoretisch zu erwartenden Effektes.

Da sich das Anthracen-Monomer und -Dimer im Brechungsindex unterscheiden, können mit entsprechend maßgeschneiderten Polyurethanfilmen prinzipiell Farbänderungen erzielt werden: Voraussetzung ist lediglich, dass der Lackfilm hinreichend dünn ist, so dass auf Interferenzerscheinungen des Lichtes beruhende Farbeffekte möalich sind.

Die organische Oberflächenbehandlung von Pigmenten und Nanopartikeln gehört zu den Kernkompetenzen des FPL.

Ein neues Verfahren stellt die präzipitative Oberflächenbehandlung von Pigmenten dar, bei dem Polymerschichten gezielt auf dem Pigment abgeschieden werden. Pigmentoberflächen lassen sich dadurch chemisch und mechanisch stabilisieren oder mit Lackbindemitteln und Kunststoffen verträglicher machen, aber auch maßgeschneidert funktionalisieren.

Die von der Durchführung her relativ einfache, aber vom Ergebnis her sehr effiziente Methode macht sich die Entmischung von Polymerlösungen durch Temperaturerhöhung (Überschreiten der sog. Lower Critical Solution Temperature, LCST) oder bei Temperaturerniedrigung (Unterschreiten der sog. Upper Critical Solution Temperature; UCST) zunutze. Das Polymer fällt auf die Partikeloberfläche aus, was zu einer völligen Umhüllung der Partikel führen kann; dies ist schematisch in Abb. 2 dargestellt.
Mit dieser neu entwickelten Methode lassen sich nicht nur Partikel umhüllen sondern auch strukturierte (ebene) Oberflächen erzeugen: Abb. 3 zeigt eine durch LCST-Technologie erhaltene Oberflächenbeschichtung mit nanoskopischer Topologie; das Bild wurde mittels der Atomic Force Microscopy (AFM) aufgenommen.

Im FPL wurde ein neuer Kurzzeittest entwickelt, der es erlaubt, die Beschichtungen innerhalb weniger Tage auf ihre Korrosionsschutzeigenschaften quantitativ beurteilen zu können. Dem Test liegt eine effiziente und praxisbezogene Belastung von Beschichtungen sowie eine quantitative und empfindliche Detektion der frühen Phasen des Korrosionsschutzverlustes von Beschichtungen zugrunde. Die Belastung wird hydrothermisch realisiert, indem Beschichtungen thermischen Zyklen und gleichzeitig Einwirkung von wässrigen Elektrolytlösungen unterzogen werden (Abb. 4). Die elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) wird zur quantitativen Ermittlung des Schutzverlustes verwendet.

Die Messanlage setzt sich aus den Heiz- und Kühlelementen zur Temperaturzyklisierung und einem EIS-Detektionssystem zusammen. Während der Temperaturzyklisierung bauen sich innere Spannungen in Beschichtungen auf, die zu Rissbildung in der Beschichtung und Korrosion des Substrats führen können. Dies kann bereits in frühen Phasen infolge der EIS-Messungen ermittelt und zur Beurteilung der Wasserdiffusion, Delamination und Unterrostung mit einbezogen werden (Abb. 5). Eine gezielte Programmierung der Temperaturzyklisierung unter Mitwirkung der Feuchte bzw. Elektrolyten erlaubt es, die Testdauer zu beeinflussen und die Korrelation mit der Praxis zu optimieren.

Das Aussehen von lackierten Oberflächen hat gerade im Automobilsektor einen hohen Stellenwert. Feine Kratzer, die z.8. beim Waschen entstehen (zur Illustration s. Abb. 6), beeinträchtigen die optische Qualität. Die Entwicklung von kratzfesten Decklacken ist deshalb ein aktuelles Thema. Dabei steht die Kratzfestigkeit teilweise in Konkurrenz zu anderen wichtigen Gebrauchseigenschaften wie z.B. der Stoß- und Steinschlagfestigkeit, der Alterungsbeständigkeit und der Farbechtheit.

Das FPL trägt mit seinen Untersuchungen dazu bei, den Verkratzungsvorgang zu verstehen. Mit dem Nano-Scratch-Tester kann ein einzelner Kratzer erzeugt und exakt vermessen werden (Abb. 7). Der Rota-Hub ScratchTester stellt die Vielfachverkratzung realitätsnah nach. Der Vergleich der Ergebnisse der Kratztests mit physikalisch-chemischen Eigenschaften der Beschichtungen gibt Anstöße für verbesserte Lacke und bietet dem Lack- und Rohstoffhersteller die Möglichkeit, seine Produkte gezielt zu entwickeln.

Beschichtungen können durch die Einwirkung von Licht, Wasser und Sauerstoff abgebaut werden, vor allem dann, wenn sie Titandioxid (Ti O2) enthalten, das photokatalytisch aktiv ist und deshalb den Abbau des umgebenden Bindemittels der Beschichtung beschleunigt. Daher wird die photokatalytische Aktivität des Ti02 durch Oberilächenbehandlung vermindert und es werden beständige Bindemittel eingesetzt.

Inzwischen wird umgekehrt versucht, die photokatalytische Aktivität des Ti02 in Beschichtungen gezielt zu ihrer Selbstreinigung zu nutzen. Als Erfolg versprechend werden vor allem Baufarben angesehen, die selbstreinigende und luftreinigende Eigenschaften besitzen und gegen Mikroorganismen wirksam sind. In der Industrie sind Entwicklungen schon im Gange.

Die Bestimmung der photokatalytischen Aktivität von Pigmenten und Beschichtungen sowie die Beurteilung der Beständigkeit von Beschichtungen sind wichtige Themen, die das FPL mit einem neuen Messverfahren erforscht.

In einem Reaktor wird eine Probe mit gefiltertem Xenonlicht oder Fluoreszenzlicht bestrahlt. Dabei wird sie einer definierten Atmosphäre unter Zugabe von (Modell-)Schadstoffen ausgesetzt. Die photokatalytischen Reaktionen werden über die Konzentrationsänderungen der Schadstoffe und die Entstehung von Zwischenprodukten und CO2 mit IR-Spektroskopie verfolgt. Verschieden aktive Pigmente bzw. Beschichtungen unterschieden sich in der Zeitdauer des Abbaus der Modellsubstanzen.

Ein Vorteil der am FPL vorhandenen Anlage ist die Möglichkeit, den Abbau verschiedenartiger Modellsubstanzen und Schadstoffe zeitlich genau zu verfolgen.

Die Forschungsaktivitäten des FPL sind auf folgende Fragen ausgerichtet:

• Wie zuverlässig und aussagekräftig ist die Reaktormethode zur Bewertung der photokatalytischen Aktivität?

• Wie müssen photokatalytisch aktive Beschichtungen prinzipiell aufgebaut sein, damit sie dauerhaft aktiv sind, ohne sich zu sehr selbst zu schädigen?

• Welche Modellsubstanzen (z.B. Isopropanol, Zigaretten rauch) müssen verwendet werden, um die photokatalytische Aktivität umfassend und zuverlässig bewerten zu können?

• Wie wirken sich die Oberflächeneigenschaften (z.B. Struktur, Hydrophobie) auf die Abbauraten der verschiedenen Schadstoffe aus?