Innovation durch Nanotechnologie in der

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Innovation durch
Nanotechnologie in
der Umwelttechnik
Funktionelle Oberflächen und Farbstoffsolarzellen
Kernerplatz 9 · 70182 Stuttgart · www.um.baden-wuerttemberg.de
Vorwort
Selbstreinigende Oberflächen, gehärtete, schmiermittelfreie Lager, Diffusionssperren
für Lebensmittelverpackungen oder antibakterielle Ausrüstungen und selbstheilende
Materialien haben auf den ersten Blick wenig miteinander gemein und werden nicht
unbedingt der Umwelttechnik und dem Umweltschutz zugeordnet.
Jedoch können wir durch derartige neue Oberflächeneigenschaften Reinigungsmittel
einsparen, auf Schmierstoffe verzichten, können seltene Rohstoffe ersetzen oder benötigen durch den Einsatz langlebigerer Materialien weniger Rohstoffe. Damit reduzieren
wir die Schadstoffemissionen in die Umwelt und schonen die natürlichen Ressourcen.
Was im Einzelfall vielleicht relativ geringe Wirkung haben mag, hat durch die Vielzahl der Anwendungen im gewerblichen wie auch im privaten Bereich insgesamt
einen beachtlichen Anteil an unseren Umweltbelastungen. Denken wir dabei an die
zahlreichen Fleisch- oder Fischtheken, Metzgereien oder andere Lebensmittelbereiche,
aber auch Operationssäle in Krankenhäuser oder den privaten Sanitärbereich, die
hygienisch sauber bzw. klinisch rein zu halten sind. Ohne umweltbelastenden Einsatz
von Reinigungssubstanzen, nur durch die Verwendung von sich selbst reinigenden
IMPRESSUM
und antibakteriell wirkenden Oberflächen kann eine erhebliche Entlastung der Umwelt
Titel:
Innovation durch Nanotechnologie
in der Umwelttechnik –
Funktionelle Oberflächen und Farbstoffsolarzellen
Herausgeber:
Umweltministerium Baden-Württemberg
Kernerplatz 9, 70182 Stuttgart
Telefon: 0711/126-0
E-Mail: [email protected]
Bearbeitung:
Daniel Heubach (IAO), Dr. Gerhard Angerer (ISI)
Fraunhofer-Institut für Arbeitswirtschaft und Organisation (IAO),
Stuttgart Fraunhofer-Institut System- und Innovationsforschung (ISI),
Karlsruhe Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE),
Freiburg
Dr. Christian Kühne, Umweltministerium Baden-Wüttemberg
Anja Schröder
Gestaltung und Satz:
Orel & Unger GmbH, Stuttgart
Druck:
Druckerei Mack GmbH
Siemensstraße 15, 71101 Schönaich
Gedruckt auf MAXISILK.
Hergestellt aus Papier, das mit dem Umweltzeichen der
Europäischen Union (Reg.-Nr. F1/11/1) ausgezeichnet ist –
geliefert von UPM.
erfolgen. Aber auch selbstheilende Beschichtungen, die das Eindringen von Schadstoffe in unsere Nahrungskette verhindern, können zu deutlichen Einsparungen bei
der bisher notwendigen Inanspruchnahme von Ressourcen führen.
Diese Phänomene lassen sich durch die Nanotechnologie – den Einsatz kleinster
Teilchen oder nanostrukturierter Oberflächen – technisch realisieren. Mit Strukturen,
die 1.000-mal kleiner sind als der Durchmesser eines menschlichen Haares, kann die
Nanotechnologie einen gewichtigen Beitrag für den Umweltschutz leisten, wie schon
gegenwärtig zahlreiche praxisreife Anwendungsbeispiele zeigen.
Copyright:
Wiedergaben in jeglicher Form, auch in Auszügen,
müssen mit Quellenangaben gekennzeichnet werden.
In dieser Broschüre werden Ihnen eine Auswahl von Anwendungsbeispielen für den
Bereich nanofunktioneller Oberflächen und Farbstoffsolarzellen und deren Potenziale
für den Umwelt- und Ressourcenschutz vorgestellt. Ich wünsche mir, dass diese Bei-
Bezug über:
Umweltministerium Baden-Württemberg
Postfach 103439
70029 Stuttgart
E-Mail: [email protected]
Internet:
www.um.baden-wuerttemberg.de
spiele Sie anregen, zum Schutz unserer Umwelt nanotechnologische Anwendungen
verstärkt einzusetzen und neue Anwendungsfelder zu erschließen.
Tanja Gönner
Umweltministerin des Landes Baden-Württemberg
Stuttgart, August 2008
3
Inhalt
Innovation durch Nanotechnologie
in der Umwelttechnik
Nanotechnologie bringt seit Jahren Innovationen hervor, die ihren Weg
I N T R O U N D Z U S A M M E N FA S S U N G
Innovationssprünge durch Nanotechnologie
Seite
6–7
Funktionalisierte Oberflächen durch Nanotechnologie
Seite
8 –9
Hand in Hand – Wirtschaft und Wissenschaft
Seite 10 –13
in marktfähige Produkte fanden und finden. Die Entwicklung wird dabei
bisher von den technischen Möglichkeiten getrieben. Als Beispiel: funk-
I N N O VAT I O N S P O T E N Z I A L E D E R N A N O -
tionalisierte Oberflächen wie easy-to-clean oder kratzfeste Lacke. Ist
T E C H N O L O G I E I M U M W E LT S C H U T Z
es möglich, den Blickwinkel auf die Nanotechnologie zu verändern –
Mehr als Politur – kratzfeste Kunststoffbeschichtung
Seite 14 – 19
fort von der Technik, hin zu einem definierten Nutzen?
Anti-Fingerprint-Ausrüstung von Metalloberflächen
Seite 20 – 23
Kein Ausschwemmen von Schwermetallen –
Wird als Ziel vorgegeben, durch Nanotechnologie positive Umwelt-
Diffusionssperre auf Metallen
effekte zu bewirken (Ressourceneffizienz, Rohstoffeinsparung, Abfall-
Wenn es zu viel knistert – antistatische Ausrüstungen
Seite 24 – 27
für Kunststoffe
Seite 28 – 31
Sauber. Sehr sauber. Antimikrobielle Ausrüstung
Seite 32 – 35
Photokatalytische Sterilisation
Seite 36 – 41
vermeidung etc.), womit beginnt dann eine Entwicklung?
Der erste Schritt ist die Identifizierung prinzipiell möglicher AnwendungsSelbstheilende superhydrophobe Beschichtung –
gebiete von nanotechnologisch funktionalisierten Oberflächen. Hierzu
der Lotuseffekt
Seite 42 – 49
wurden Unternehmen in ganz Baden-Württemberg im Rahmen einer
Korrosionsschutz
Seite 50 – 55
Studie befragt.
Modernste Technik für alternative Energien – Farbstoffsolarzellen Seite 56 – 61
Das Projekt INANU
E X P E RT E N M E I N U N G E N
konkrete Problemstellungen mit Potenzial für Ressourceneffizienz,
Umweltaspekte der Nanotechnologie – Expertenmeinungen
Seite 62 – 70
Rohstoffeinsparung oder Abfallvermeidung,
Nanotechnologie und Umweltschutz – Ausblick
Seite 72 – 76
Abkürzungsverzeichnis
Seite
Unternehmen, die bisher keine Anknüpfungspunkte zur Nanotechnologie hatten oder die in der Vergangenheit eine Potenzialanalyse
78
durchgeführt hatten.
4
5
Innovationssprünge durch
Nanotechnologie
Eine Anwendungsvision: Übertragung einer Anti-Fingerprint-Lösung auf Polycarbonat (PC) einen transparenten Kunststoff,
der ähnlich Fingerprint-empfindlich ist wie Glas.
Die Nanotechnologie zählt zu den Schlüsseltechnologien des 21. Jahrhunderts mit einem
Innovationspotenzial für Wissenschaft, Wirtschaft und Gesellschaft. Sie beschreibt neue
Erkenntnisse von Materialeigenschaften und
-funktionalitäten durch die gezielte Strukturierung und die definierte Anordnung von Partikeln,
Materialien und Komponenten in der NanoDimension (10-9 m).
Von der Nanotechnologie werden für die Umwelttechnik signifikante Innovationsschübe erwartet.
Dabei geht es um Optimierungspotenziale von
Prozessen sowie die Realisierung von Produktneuheiten und von nachhaltigen Produkten.
Schlüsseltech-
Die neuen Phänomene, die allein von der Di-
umweltfreundlichen Eigenschaften. Anwendungs-
nologien wie die
mension im Nanometerbereich abhängig sind,
und Produktoptionen der Nanotechnologie für
Nanotechnologie
betreffen die chemischen, biologischen, optischen,
die Umwelttechnik finden sich insbesondere bei
können in der
elektrischen oder mechanischen Eigenschaften
Umwelttechnik
von Werkstoffen und Oberflächen. Ihre Kombi-
korrosionsbeständigen Komponenten für all-
für Inno-
nation mit bestehenden, konventionellen Pro-
tägliche Produkte
vationsschübe
dukten oder Technologien öffnet völlig neue
energieeffizienten Aufbereitungssystemen für
sorgen.
Perspektiven. Sie betreffen das Produkt, die An-
die Trinkwasserherstellung
wendungsfelder, aber auch das Engineering von
stabilen Leichtbauelementen für Gebäude,
Produkten – wobei gleichzeitig völlig neue Ein-
Maschinen, Autos und Flugzeuge sowie
satzgebiete zu erwarten sind.
dem Ersatz toxischer Substanzen durch Nanomaterialien.
INTRO
Anwendungspotenziale der Nanotechnologie für
6
Es werden hohe
die Umwelttechnik erstrecken sich u.a. auf Reini-
Es bietet sich die Chance, die weitere Entwick-
Wachstumsraten,
gungs- und Aufbereitungsprozesse, Sensorik und
lung der Nanotechnologie auch unter Gesichts-
Marktvolumen aber
Analyseverfahren, Energiesysteme, Materialaus-
punkten einer Integrierten Produktpolitik (IPP)
auch Effizienz-
wahl und die Oberflächenfunktionalisierung mit
zu steuern und zu fördern.
potenziale erwartet.
7
Funktionalisierte Oberflächen
durch
Nanotechnologie
Z U S A M M E N FA S S U N G
Oberflächen, von denen Schmutz abgleitet und
Wasser abperlt. Oberflächen, die Feuchtigkeit
besser halten oder widerstandsfähiger sind
gegen mikrobiellen Befall – durch Nanotechnologie lassen sich Oberflächenbeschichtungen
und Werkstoffeigenschaften verändern und verbessern.
Mehrwert entsteht
Nanotechnologie stellt ganz unterschiedliche
elektro-magnetischen (antistatisch, leitfähig),
durch die Integration
technologische Ansätze bereit, um Oberflächen zu
optischen (nicht spiegelnd, transparent, IR-Absorp-
oder Kombination
funktionalisieren, sei es als Schutz- oder Funk-
tion) oder thermischen (leitfähig, thermochrom,
unterschiedlicher
tionsschicht: So können nm-dicke Beschichtungen
hitzebeständig) Funktionen von Oberflächen
Oberflächeneigen-
aufgebaut, Nanopartikel oder -fasern in herkömm-
entwickeln. Der zusätzliche Mehrwert entsteht
schaften.
liche Lacksysteme eingearbeitet, durch organisch-
durch die Integration oder Kombination unter-
anorganische Hybridpolymere neue Schichtsysteme
schiedlicher Oberflächeneigenschaften, z. B.
vernetzt oder durch nanoskalige Strukturierung
„besonders kratzfest“ und „antimikrobiell“ oder
Oberflächen mit z.B. definierter Rauigkeit ge-
„photokatalytisch“ und „hydrophil/hydrophob“.
staltet werden.
Die meiste Aufmerksamkeit in der breiten Bevölkerung erregten in der Vergangenheit jene Produktentwicklungen mittels
Nanotechnologie, die sich „wie von selbst“ zu reinigen vermochten. Die Nachahmung des Lotuseffekts.
Funktionen
Beispiele für
Anwendungen
Umwelteffekte
(Super)hydrophobe
Strukturierung oder
Beschichtung
Fensterscheiben, Solarzellen, Armaturen,
Anlagenbau, …
Weniger Reinigungsmittel,
weniger Biozide
Antimikrobielle Beschichtung
Holzschutz, Schiffsanstrich, Medizintechnik,
Textilien, …
Weniger Biozide
Antihaftbeschichtung oder
-strukturierung
Lebensmittelverfahrenstechnik, medizinische
Apparate, Armaturen,
Rohre, Schläuche, …
Weniger Reinigungsmittel,
längere Standzeit
Diffusionsschutzschichten
Getränkeflaschen,
Medizinprodukte, Halbleiterfertigung, …
Gesundheitsschutz,
Materialeinsparung
Selbstschmierende oder
lipophile Beschichtung
Implantate, Armaturen,
Anlagenbau, …
Weniger Schmierstoffe
Photokatalytische
Beschichtung
Fassadenelemente,
Weniger Reinigungsmittel
Fensterscheiben, Lacke, …
Kratzfeste Beschichtungen
aus Oxiden
Kunststoffprodukte,
Lacke, …
Weniger Reparaturaufwand,
längere Haltbarkeit
Schaltbare IR-Absorption
Fensterscheiben mit
Sommer-Winter-Schaltung
Energieeinsparung
Nanolacke
Ersatz von Phosphatierung
und Chromatierung als
Grundierung
Weniger Cr-VI-Emissionen,
weniger Phosphat,
weniger Materialeinsatz,
Energieeinsparung
Die Entwicklung und Veränderung von Ober-
8
Mit Nanotechnologie lassen sich die mechani-
flächen ist besonders im Hinblick auf Umwelt-
schen (Kratzfestigkeit, Tribologie, Schmierung),
effekte interessant. Lassen sich Werkstoffe ent-
chemischen (selbstreinigend, photokatalytisch,
wickeln, die weniger „giftig“ sind, die länger hal-
ole-/hydrophob/-phil, Korrosionsschutz, Dif-
ten, die weniger pflegebedürftig sind, die Energie
fusionssperre), biologischen (antimikrobiell),
effizienter nutzen oder einsparen?
Ta b e l l e 1 :
Beispiele nanotechnologischer
Oberflächenfunktionen für einzelne
Anwendungen
und deren
Umwelteffekte
9
Hand in Hand – Wirtschaft
und
Wissenschaft
Von Oktober 2005 bis Dezember 2006 finanzierte
das Umweltministerium Baden-Württemberg das
Mit Nanotechnologie lassen sich die mechanischen, chemischen, biologischen, elektro-magnetischen, optischen oder
thermischen Funktionen von Oberflächen entwickeln.
Forschungsvorhaben INANU, in dessen Mittelpunkt die mögliche positive Umweltwirkung von
nanotechnologisch funktionalisierten Oberflächen
stand.
Ziel des Forschungsvorhabens war es, ökono-
Die Katalyse, die Sensorik, die Oberflächen,
und Erweiterung von Methoden des Techno-
Groninger & Co. GmbH, Crailsheim, als Her-
misch-ökologisch innovative Anwendungssze-
die Trenn- und Aufbereitungsverfahren sowie
logie- und Innovationsmanagements, um den
steller von Abfüllmaschinen für Medikamen-
narien für den Einsatz der Nanotechnologie im
die Energiesysteme sind mögliche potenzielle
Technologie- und Wissenstransfer zu unter-
te und Kosmetika
Anwendungsgebiet funktionalisierte Oberflä-
Anwendungsfelder der Nanotechnologie in
stützen und besonders kleine und mittlere
Hansgrohe AG, Schiltach, als Hersteller von
chen und Solarzellen zu entwickeln.
der Umwelttechnik. Eine detaillierte Analyse
Unternehmen an den Innovationspotenzialen
Sanitärarmaturen und -einrichtungen
der Anwendungsfälle als Praxisbeispiele für
partizipieren zu lassen.
Lippemeier Gebäudereinigungsdienst GmbH,
Die technik-
In zwei Studien des Fraunhofer IAO und des
Unternehmen fehlt bislang.
getriebene Nano-
IAT, Universität Stuttgart, wurden die Einsatz-
Die Entwicklung der Nanotechnologie ist bis-
Um Anwender und Anbieter nanotechnologischer
technologie und die
und Innovationspotenziale der Nanotechnologie
her stark von den erforschten Möglichkeiten
Lösungen zusammenzubringen wurde ein Indus-
Mit den Unternehmen im Industriebeirat wurden
Gemeinsam mit
problemgetriebene
in der Umwelttechnik bewertet. Dabei zeigten
und entdeckten Funktionalitäten getrieben,
triebeirat einberufen.
nanotechnologische Anwendungsvisionen ent-
dem Industriebeirat
sich folgende Verbesserungsansätze:
Schönaich, als Gebäudereiniger
während die Forschung in der Umwelttechnik
wickelt, die eine Verbesserung der von ihnen
wurden nano-
sen zusammen-
In der Nanotechnologie wird zurzeit an den
problemgetrieben ist. Die Ansätze müssen zu-
hergestellten Produkte oder angebotenen Dienst-
technologische
geführt werden.
Grundlagen zukünftiger Materialien und An-
sammengeführt werden, um aus Innovations-
leistungen ermöglichen. Der dabei erzielbare
Anwendungsvisionen
wendungen geforscht. Es werden hohe Wachs-
technologie marktfähige Produkte ableiten
technisch-wirtschaftliche Mehrwert sollte auch
entwickelt.
tumsraten, Marktvolumen, aber auch Effi-
zu können.
Alfred Kärcher GmbH & Co. KG, Winnen-
von positiven Umwelteffekten begleitet sein. Die
zienzpotenziale erwartet. Eine genaue Ab-
Ein weiteres Hemmnis ist der fehlende Infor-
den, als Hersteller von Reinigungsmaschinen
Anwendungsvisionen wurden vom Fraunhofer
schätzung der konkreten ökonomischen
mationsaustausch über die jeweiligen For-
DIW Deutsche Industriewartung AG, Stutt-
IAO und ISI in Interviews mit Nanotechnologie-
Potenziale, Chancen und Risiken (besonders
schungsfragen. Der Querschnittscharakter bei-
gart, als Dienstleister für industrielle Wartung
Experten einer Vorprüfung auf Realisierbarkeit
der ökologischen Chancen) fehlt bisher.
der Technologien erfordert die Anpassung
und Instandhaltung von Anlagen
unterzogen.
Umwelttechnik müs-
10
M I T G L I E D E R I N D U S T R I E B E I R AT
11
Hand in Hand –
Wirtschaft und Wissenschaft
Von der Nanotechnologie werden für die Umwelttechnik signifikante Innovationsschübe erwartet.
Aus der Vorprüfung gingen potenzielle Anwen-
Als weiterer Technologieanbieter war die Henkel
Die aus dem moderierten Szenarioprozess her-
Die Einschätzung des ökologischen Nutzens
dungen und Anwendungsentwürfe hervor, mit
KGaA eingebunden.
vorgegangenen aussichtsreichen Entwicklungs-
schloss
denen Technologieforen organisiert wurden. Ziel
linien wurden unter ökologischen und wirt-
dieser Foren war es, Anbieter einschlägiger Nano-
Die aus den Technologieforen als potenziell aus-
schaftlichen Gesichtspunkten bewertet. Bei der
Umwelt- und Nachhaltigkeitseffekte sowie
technologie mit den Anwendern, dem Industrie-
sichtsreich eingestuften Anwendungen wurden
beirat, zusammenzubringen und die technische
Nanotechnologie-Experten zur Beurteilung der
Über Techno-
Bewertung des wirtschaftlichen Nutzens standen
Risiken für Gesundheit, Umwelt, Sicherheit
logieforen fand
folgende Fragen im Vordergrund:
und Gesellschaft ein.
und wirtschaftliche Realisierbarkeit der Anwen-
Realisierungschancen und des Realisierungsauf-
ein Technologie-
dungsentwürfe zu prüfen.
wands vorgelegt. Die Ergebnisse der Experten-
transfer in die
Realisierungszeitraum
befragung wurden zu den Unternehmen im In-
Unternehmen des
FuE-Aufwand
Ergebnis der Technologieforen war jeweils ein
dustriebeirat weitergeleitet. Als weiteres Element
Industriebeirats
Marktpotenzial
Maßnahmenplan für konkrete Prüfaufgaben und
des Technologietransfers in die Unternehmen
statt.
Technologiepotenzial
den Austausch von Prüflingen.
wurde in einer Abschlussveranstaltung der Stand
(Übertragbarkeit der Lösung)
der vereinbarten Prüfungen nanotechnologischer
Bedeutung der Lösung für Wissenschaft,
Es wurden drei Technologieforen jeweils mit ei-
Produkt- und Verfahrensverbesserungen durch die
Technologie, Wirtschaft und Gesellschaft.
nem der folgenden Technologieanbieter durch-
Anwender und Technologieanbieter abgefragt.
geführt:
Bayer AG,
Degussa AG,
Fraunhofer ISC.
12
13
Mehr als Politur –
kratzfeste Kunststoffbeschichtung
Ein Kratzer im Lack ist nicht nur ein ärgerlicher
Schönheitsfehler. Auch die Langlebigkeit von
Oberflächen wird durch Kratzer und den sich anschließend leichter festsetzenden Schmutz beeinträchtigt. Kratzfestigkeit ist deshalb eine der
am meisten geforderten Beschichtungsfunktionen von Oberflächen.
Durch Kratzfestigkeit bleibt die Kunststoff-Oberfläche glatter und bietet in ihrer Mikrostruktur weniger „Angriffsmöglichkeiten“ für
Verschmutzung.
12
Zwischenprodukte
auf Basis von
Nanomaterialien
10
Zwischenprodukte auf
Basis nanoskaliger
Funktionsschichten
8
6
K R AT Z F E S T E K U N S T S T O F F B E S C H I C H T U N G
Anwendung
RealisierungsFuEzeitraum
Aufwand
KRATZFESTIGKEIT von
dreidimensionalen PEund PP-Kunststoffgehäusen
Markt- Technologiepotenzial
potenzial
Umwelteffekte
Bedeutung der
Lösung für …
4
2
2006–2010
Rohstoffeffizienz
Wirtschaft
0
Polycarbonate
Die Automobilindustrie verwendet bereits erste
Prinzipiell setzt sich konventioneller Lack aus
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können Glas in der
Autolacke, die nanotechnologische Kratzschutz-
Bindemittel (orange) und Vernetzern (rot) zu-
Eine verbesserte
Automobilindustrie
schichten aufweisen. Auch der Einsatz von Poly-
sammen. Nanolack besteht aus organischem
Kratzfestigkeit
ersetzen.
carbonat (PC) als Substitut von Glas in der
Bindemittel mit hoher Elastizität (gelb) und an-
reduziert indirekt
Das Ziel der Nanotechnologie ist hier, das Ver-
dauerhaft ihr neuwertiges Aussehen, auch wenn
Automobil-Verscheibung hängt wesentlich davon
organischen Nanopartikeln mit hoher Härte
auch die Ver-
kratzen von Kunststoffoberflächen und dadurch
diese selbst als Gerätegehäuse im professionellen
ab, ob die Beschichtungssysteme Witterungsbe-
(blau), die sehr dicht gepackt für die Kratzfestig-
schmutzungs-
die stärkere Verschmutzung durch Ansammlung
Einsatz harten Beanspruchungen ausgesetzt sind.
ständigkeit und Kratzfestigkeit gewährleisten.
keit sorgen.
anfälligkeit.
von Schmutz in den Tälern der Kratzkerben bzw.
Kratz- und abriebfeste Brillengläser (aus PC)
und Sehhilfen werden ebenso mit nanotechnolo-
KRATZFESTIGKEIT ALS ZUSATZEIGENSCHAFT
gisch optimierten Beschichtungen hergestellt.
Die Kratzfestigkeit von Oberflächen wird an
die Beeinträchtigung der optischen Eigenschaf-
Die Realisierung von Kratzfestbeschichtungen mit
ten zu verhindern.
Nanotechnologie erfolgt auf unterschiedlichem
technischem Weg:
vielen Stellen als Zusatzeigenschaft zu – oder in
Abbildung 1: prinzipieller Aufbau konventioneller Lacke
(links) und von
Nanolacken (rechts)
14
durch die spezifische Gestaltung und Ausbil-
Kombination mit – weiteren Eigenschaften wie
DER LÖSUNGSANSATZ DER NANOTECHNO-
dung der Matrix im Schichtsystem (organische
„Nicht-Verschmutzung“, „UV-Absorption“, „anti-
LOGIE FÜR VERBESSERTE KRATZFESTIGKEIT
bzw. anorganische Schichten oder Hybrid-
mikrobiell“ angewandt bzw. gewünscht. Insofern
VON OBERFLÄCHEN
schichten mit Kratzfest-Eigenschaften und
wird einerseits eine Oberflächenveredelung,
Mit Nanotechnologie werden kratzfeste Beschich-
weiteren funktionalen Gruppen, Herstellung
andererseits aber auch ein zusätzlicher Schutz
Kombination
tungen für dreidimensionale Polyethylen-(PE-)
im Sol-Gel-Verfahren).
erreicht, indem Mikrokratzer und Schleifspuren
mehrerer Ober-
und Polypropylen-(PP-)Oberflächen entwickelt
durch Modifizierung der Matrix im Schicht-
verhindert werden, die wiederum in den Tälern
flächeneigen-
die zugleich als Sperre gegen die Haftung von
system mit Nanopartikeln (Einbringen funk-
Schmutz und organisches Material aufnehmen
schaften durch
Schmutz auf der Kunststoffoberfläche wirken.
tionaler Nanopartikel in das Lacksystem als
Nanotechnologie.
Die Kunststoffoberflächen behalten dadurch
Kratzschutz und Funktionalisierung).
können.
Ta b e l l e 2 : P r i o r i s i e rung nanotechnologischer Zwischenprodukte hinsichtlich
der Marktrelevanz
für die chemische
Industrie bis zum
Jahr 2006 (angegeben
ist die Anzahl der
Nennungen durch die
Wo r k s h o p t e i l n e h m e r )
(VDI 2004).
15
Die Realisierung von Kratzfestbeschichtungen mit Nanotechnologie erfolgt u. a. durch Einbringung funktionaler Nanopartikel in
das Lacksystem als Kratzschutz und Funktionalisierung.
Mögliche Anwendungsfelder selbstheilender Oberflächen und somit längerer Werterhaltung sind Korrosionsschutz,
Windenergie und Flugzeug- oder Fahrzeugbau.
H E R S T E L L U N G S V E R FA H R E N V O N N A N O -
Hybridpolymere härten thermisch oder unter UV-
Ebenso DLC-Schichten (Diamond like Carbon,
rosionsschutz, die Windenergie und der Flugzeug-
LACKEN UNTER BEIMENGUNG NANOSKA-
Licht aus. Hybridpolymere Lacke müssen gezielt
amorphe diamantähnliche Kohlenstoffschichten):
oder Fahrzeugbau.
LIGER KOMPONENTEN
auf die spezifische Anwendung eingestellt werden
sie bieten hohe Verschleißbeständigkeit in Kom-
Anorganisch-organische Hybridpolymere (z.B.
(Tailored Varnish), wofür in der Regel Entwick-
bination mit hervorragenden Reibungs- oder
Der Zusammenhang von Umweltschutz und
ORMOCER®e) werden über den Sol-Gel-Prozess
lungsarbeit nötig ist – jedoch kann auf eine Basis-
Antihafteigenschaften für besonders beanspruch-
Kratzfestigkeit erschließt sich nicht direkt. Nach
hergestellt. Bei diesen Beschichtungen übernimmt
zusammensetzung zurückgegriffen werden, die dann
te Bauteile.
Ansicht von Experten beruhen die größten Um-
der organische und anorganische Teil bifunktio-
in Richtung der Anwendung ausformuliert wird.
welteffekte beim Einsatz von Kratzschutzbeschich-
neller Silane [R'-(CH2)n-Si(OR)3] eine netzwerk-
tungen auf verbesserter Rohstoffeffizienz und
bildende Funktion (im Fall des organischen Teils
AEROSIL®
Pyrogene
HERSTELLUNG „SELBSTHEILENDER“
auch netzwerkwandelnde Funktion). Das Ergebnis
falls zur Kratzfestfunktionalisierung eingesetzt.
Kieselsäure und
OBERFLÄCHEN
ist eine Beschichtung mit anorganischem Netzwerk
Dieses nanopartikuläre Aerolsil [SiO2 • n H2O]
nanoskaliges
Ein anderer Lösungsansatz für das Problem „ver-
K R AT Z F E S T I G K E I T U N D U M W E LT S C H U T Z
(glasähnlich) als Grundgerüst, allerdings deut-
wird in Anteilen von 5 bis max. 10 % dem Lack
Zirkoniumoxid
kratzte Oberflächen“ sind sogenannte selbsthei-
Auch in der Automobilindustrie begrenzt bzw.
lich höher vernetzt durch organische Vernetzer
beigemischt und verbessert u.a. die Kratzfest-
werden in Kratz-
lende Oberflächen durch Nanopartikel u.a. in der
ermöglicht die Kratzfestigkeit den Einsatz von
und mit weiteren organisch funktionalen Gruppen.
eigenschaften von Lacken. Aerosile werden auch
festbeschichtun-
Schichtaufbaumatrix (Stenzel 200). Diese bewirken
Kunststoffen. Der Nutzen durch den Kunststoff-
Diese ermöglichen die besonderen und spezifisch
für die Einstellung der Rheologie von Lacken
gen eingesetzt.
nicht nur eine längere Werterhaltung, sondern
einsatz liegt – neben den reinen Materialkosten
einstellbaren Eigenschaften des transparenten
eingesetzt. Die Aushärtung kann thermisch und
können auch z.B. die Rissbildung reduzieren,
– in der Gewichtsreduktion sowie Funktionsinte-
Hybridpolymers, z. B. Kratz- und Abriebfestig-
UV induziert erfolgen.
(pyrogene Kieselsäure) wird eben-
keit, Benetzungseigenschaften, antimikrobielle
16
Abfallvermeidung.
die zu einer Zerstörung der Beschichtung und
gration. Sind leichtere Fahrzeuge realisierbar, re-
Verlängerung
dadurch zur Schwächung bis zum Versagen eines
duziert sich der Kraftstoffverbrauch, ein direkter,
Ausrüstung oder Barriereeigenschaften. Es sind
Nanoskaliges Zirkoniumoxid (ZrO2), das zu den
der Nutzungs-
Bauteils führt. Selbstheilende Oberflächen können
positiver Umwelteffekt. Aber auch eine Reihe
bereits mehrere anwendungsfertige Beschichtungs-
härtesten Keramiken zählt, wird ebenso für den
dauer senkt
durch eine Verlängerung der Nutzungsdauer
indirekter positiver Umwelteffekte sind in der
produkte auf Basis der Hybridpolymere entwickelt
Kratzschutz in Nanolacken eingesetzt. Die Zugabe
die Kosten
Kosten senken und die Sicherheit von Investi-
Automobilindustrie zu erwarten.
worden, darunter ORMOCER®e-Kratzfestbeschich-
von Nano-TiO2 mit Kupfer/Wolfram verbessert
und schont
tionsgütern erhöhen. Mögliche Anwendungsfelder
tungen auf Kunststoffen (PMMA, PC).
ebenfalls die Kratzfestigkeit.
Ressourcen.
der selbstheilenden Oberflächen sind der Kor-
17
VNOA CRT
H TE
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V O RT E I L E
Datenträger, Optiken, Solarzellen, Displays
Die Langlebigkeit von Kunststoff-Oberflächen
u.a. eine kratzfreie Oberfläche, um eine unge-
wird erhöht. Werkstücke „altern“ langsamer,
wollte Streuung oder Ablenkung des Lichts
ihre Lebensdauer erhöht sich und sie bleiben
zu verhindern.
unter ästhetischen Gesichtspunkten länger
Durch Kratzfestigkeit bleibt die Kunststoff-
V O RT E I L E
18
AUSBLICK
Oberfläche glatter und bietet in ihrer Mikro-
Nanotechnologisch erzeugte kratzfeste Ober-
struktur weniger „Angriffsmöglichkeiten“ für
flächen stehen kurz vor der Marktreife oder
Verschmutzung: Der Reinigungsaufwand die-
befinden sich bereits im Einsatz.
ser Oberflächen verringert sich – insbesonde-
Das Marktpotenzial wird grundsätzlich als sehr
re in Kombination mit Selbstreinigungs-
hoch eingeschätzt.
eigenschaften von Oberflächen.
Kratzfestschichten haben in der chemischen
Durch Kratzfestbeschichtungen lassen sich
Industrie die höchste Priorität hinsichtlich der
Kunststoff-Gläser oder Oberflächen verstärkt
Marktrelevanz.
einsetzen: Gewicht wird reduziert und ggf.
Hohes Innovationspotenzial birgt die Koppe-
Energie eingespart (unter Berücksichtigung der
lung von Eigenschaften, z.B. Kratzfestigkeit
Herstellungsprozesse und der Rohstoffge-
und Selbstreinigungseigenschaften.
winnung).
Experten gehen davon aus, dass die gewünsch-
Durch Kratzfestbeschichtungen kann die Bau-
te Kratzfestigkeit von Kunststoffoberflächen
teil- oder Produktfunktionalität überhaupt
spätestens im Zeitraum 2011 – 2015 realisiert
erst möglich werden. So benötigen optische
sein wird.
A U SA
B LU
I CS
K BLICK
„schön“.
V O RT E I L E
N
U
T
Z
E
N
AUSBLICK
Anti-FingerprintAusrüstung von Metalloberflächen
In Umgebungen, in denen hohe Anforderungen
an die Hygiene gestellt werden, kommen meist
Metallfronten aus Edelstahl zum Einsatz, darunter
in lebensmittelverarbeitenden Betrieben, Kliniken,
Betriebsküchen und Küchen im Haushalt. Die
Metalloptik gilt als schick und die Hersteller bedienen diesen Trend.
Anwendung
Aufwand
A N T I - F I N G E R P R I N T- A U S R Ü S T U N G
ANTI-FINGERPRINT von
Sanitär-Armaturen
(gebürstetem / poliertem
Edelstahl, Chrom etc.)
potenzial
Bereits
realisiert
Ziel der nanotechnologischen Oberflächen sind z. B. Beschichtungen für Metalloberflächen in Küche und Bad,
auf denen keine Rückstände von Fingerabdrücken entstehen oder solche einfach abwischbar sind.
Umwelteffekte
Bedeutung der
Lösung für …
Unspezifisch
Wirtschaft
Keine Änderung
Die Nanotechnik bietet die Chance, ultradünne
durch sich die Abriebfestigkeit und Dauerhaftig-
in Optik und
und maßgeschneiderte Beschichtungen zu ent-
keit der Schicht verbessert. Wo dies nötig ist,
H a p t i k – aber
wickeln, die das Reflexionsverhalten und die
beispielsweise an Edelstahlfronten von lebens-
Vermeidung von
Haptik der Oberfläche kaum verändern. Ein Weg
mittelverarbeitenden Betrieben, kann die Be-
Schmutz-
sind hybridpolymere Lacke mit Fluorsilanen als
schichtung zusätzlich mit antimikrobiellen
anhaftungen.
Easy-to-Clean-Funktionsträger, die Verschmut-
Funktionsträgern kombiniert werden. Auch an
Metalloberflächen finden sich in zahlreichen
sehen durch Mikroriefen hervorgerufen wird, sind
zungen der Oberfläche durch einfaches Wischen
Beschichtungen mit Plasmatechniken wird ge-
Anwendungen: edel metallisierte Sanitärarma-
solche Verschmutzungen kaum zu entfernen. Sie
entfernbar machen. Das Beschichtungsmaterial
forscht.
turen, Gehäuse von elektronischen Geräten, Ver-
dringen in die Oberflächenvertiefungen ein und
kann zusätzlich kratzfest ausgerüstet werden, wo-
kleidungselemente im Fahrzeuginterieur (Titan-
sind dort mit Wischtüchern nicht erreichbar. Der
optik), Tür- und Schubladengriffe, Schreibuten-
Reinigungsaufwand für diese Oberflächen ist er-
silien oder dekorative Gebrauchsgegenstände.
heblich.
GLASFLÄCHE
Einfaches Auftragen des
Veredelungsmaterials mit
leichtem Überschuss.
GLASFLÄCHE
Abpolieren des Überschusses
durch manuellen oder
maschinellen Polierschritt.
GLASFLÄCHE
Trocknung und Schrumpfung der
Schicht. Ergebnis: Vollständig gehärtete Griffschutzbeschichtung.
VEREDELUNGSMATERIAL
Neben Edelstahl werden dabei insbesondere
Chrom, Aluminium, Titan und Kupfer verwendet. Metalloberflächen sind stark reflektierend,
HAUCHDÜNNE
wodurch Verschmutzungen, welche die Lichtre-
BLITZSAUBERES AUSSEHEN
flexion stören, besonders leicht sichtbar werden.
Ziel der nanotechnologischen Oberflächen sind in
Mit solchen Verschmutzungen behaftete Metall-
diesem Fall Beschichtungen für Metalloberflächen,
oberflächen wirken unsauber und weniger ästhe-
auf denen keine Rückstände von Fingerabdrücken
tisch.
entstehen oder von denen die Rückstände ein-
BESCHICHTUNGEN
FÜR
fach mit einem trockenen Tuch abwischbar sind.
Metalloberflächen
Diese Verschmutzungen stammen von Fingerab-
Dadurch behalten Oberflächen aus gebürstetem
sind besonders an-
drücken, die Hautfett, Proteine und Schweiß auf
Edelstahl, poliertem Edelstahl, Chrom oder an-
fällig für Finger-
den Oberflächen hinterlassen. Besonders auf ge-
deren metallisierten Oberflächen dauerhaft ihr
abdrücke.
bürsteten Metalloberflächen, deren mattes Aus-
neuwertiges Aussehen.
20
Abbildung 2:
Prinzipskizze einer
Anti-FingerprintAusrüstung für
Mattglas (Quelle:
Nanogate)
Abbildung 3: Edelstahloberfläche,
links ohne, rechts
mit Anti-FingerprintAusrüstung (Quelle:
ThyssenKrupp 2005)
21
Anti-Fingerprint-Ausrüstung
von Metalloberflächen
Eine der Visionen für die Anwendung der Anti-Fingerprint-Lösung ist die Übertragung auf Polycarbonat (PC),
einen transparenten Kunststoff – verwendet z. B. bei Motorradhelmen und Brillengläsern.
VNOA CRT
H TE
E IILL
EE
VNOA CRT
H TE
E IILL
EE
AUSBLICK
Das Marktpotenzial für die Anti-Fingerprint-
den Reinigungsaufwand und die Reinigungs-
Ausrüstung von Metalloberflächen wird von
frequenz: Der Verbrauch von Wasser, Tensiden
jedem zweiten Experten als „mittel“ einge-
oder organischen Lösungsmitteln wird gesenkt.
schätzt.
Durch die Reduktion des Reinigerverbrauchs
Das Marktpotenzial für Produkte mit Anti-
wird der Eintrag von organischen Lösungs-
Fingerprint-Ausrüstung kann bis zu 500 Mio. €
mittelanteilen über den Abwasserpfad in Klär-
betragen.
anlagen und Gewässer vermindert und die
Die technische Lösung des Fingerprint-Prob-
Freisetzung flüchtiger organischer Verbindun-
lems ist wichtig für die Wettbewerbsfähigkeit
gen reduziert.
und den wirtschaftlichen Erfolg der innovierenden Unternehmen.
Das Technologiepotenzial, die Übertragbarkeit der
flächen, wird von den Experten unterschiedlich
eingeschätzt. Die Deutsche Forschungsgesellschaft
für Oberflächenbehandlung bezeichnet in ihrer
Innovationsstudie „… die Vermeidung von Fingerprints durch eine unsichtbare, kratzfeste und
chemisch beständige Beschichtung … von nichtrostendem Edelstahl … als das vordringliche Zukunftsthema“ bei der Verwendung von Edelstahl
für Hausgeräte (DFO 2006).
VISION
VISION
Anti-Fingerprint-Beschichtungen reduzieren
Anti-Fingerprint-Lösung auf andere Substratober-
22
N
U
T
Z
E
N
VISION
VISION
V O RT E I L E
A U SA
B LU
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V O RT E I L E
V O RT E I L E
A N T I - F I N G E R P R I N T- A U S R Ü S T U N G
N
U
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Z
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N
AUSBLICK
Übertragung der Anti-Fingerprint-Lösung auf
Fingerprint-Lösungen existieren zum Teil bereits
mattiertes Glas: Öffnen neuer Einsatzspektren,
oder stehen kurz vor der Marktreife. Auch die
insbesondere in der Architektur.
nachträgliche Applikation von Anti-Fingerprint-
Übertragung der Anti-Fingerprint-Lösung auf
Oberflächen ist möglich. In 2015, so prognostizie-
Polycarbonat (PC), einen transparenten Kunst-
ren die Experten, werden solche Beschichtungen
stoff (verwendet in Abschlussscheiben von
sowohl für die werkseitige Applikation als auch
Automobilscheinwerfern, Visieren von Motor-
für die nachträgliche Applikation durchgängig
radschutzhelmen, Brillengläsern und Winter-
verfügbar sein. Der Aufwand für Forschung und
gärten), der ähnlich wie Glas Fingerprint-
Entwicklung, der für die technische Realisierung
empfindlich ist.
noch notwendig ist, wird als überschaubar eingeschätzt.
23
Kein Ausschwemmen von
Schwermetallen –
Unser Trinkwasser ist sauber. Das belegen die Qualitätsprüfungen der Wasserwerke. Was aber passiert
in den Rohren zwischen Wasserwerk und Wasserhahn? Bekannt ist, dass Kontaktwasser aus den Rohren der Trinkwasserinstallation Schwermetalle zu
lösen vermag. Nanotechnologie weist einen Weg,
wie die damit verbundenen Gesundheits- und Umweltgefahren in der Zukunft vermeidbar ist.
Aufwand
potenzial
DIFFUSIONSSPERRE als
Beschichtungen für wasser- 2006 – 2010
führende Metallbauteile zur
Reduktion von Ni-/Pb-Auswaschungen
NACHTEILE
V O RT E I L E
Umwelteffekte
Bedeutung der
Lösung für …
Gesundheitsschutz
Gesellschaft
Bei der Trinkwasserinstallation in Gebäuden
Nach neuesten Forschungsergebnissen gehen in
um z. B. lebensmittelverträgliche Beschichtungen
Durch eine solche Beschichtung kann bspw. die
werden Rohre und Formstücke aus Kupfer,
Deutschland jährlich 290 t Kupfer, 2,9 t Blei und
für wasserführende Metallbauteile zu entwickeln
Weichmacher-Migration (Octylphthalat) aus PVC
Messing und verzinktem Stahl genutzt. Auch ver-
530 t Zink aus der Trinkwasserinstallation der
die dauerhaft das Auswaschen von Schwermetal-
um den Faktor 10 reduziert werden. Diffusions-
chromte Messingbauteile werden eingesetzt. Aus
Gebäude in das Trinkwasser über (UBA 2005).
len wie Nickel und Blei verhindern.
schutzschichten haben aber nicht nur eine
diesen Metallen werden vom Kontaktwasser
Davon gelangen jährlich rund 65 t Kupfer, 500 kg
Kupfer-, Blei- und Nickel-Ionen in das Wasser
Blei und 140 t Zink in die Gewässer. Der Rest
gelöst. Die Metallkonzentration im Leitungswas-
gelangt in andere Umweltkompartimente (Boden,
VERHINDERUNG DER DIFFUSION
ser ist von der Wasserbeschaffenheit und der
Atmosphäre), ein Teil wird mit dem Trinkwasser
Diffusionsbarriereschichten basieren z.B. auf
Kontaktdauer abhängig. Saures Wasser vermag
vom Menschen aufgenommen.
anorganisch-organischen Hybridpolymeren
Barrierefunktion für Weichmacher oder MetallIonen, sondern auch für Feuchte, Sauerstoff,
(ORMOCER®e).
mehr Metall herauszulösen, und im Stagnations-
24
Lösemittel oder Dämpfe.
V O RT E I L E
Hybridpolymere sind transpa-
Gelingt es, die beschriebene Diffusionssperre
Barriere für
rent anorganisch vernetzte Schichtsysteme
für Metalle zur Serienreife zu bringen, können
Schwermetall-Ionen aus Metallen (Kupfer,
Feuchte,
(glasähnlich), deren organische Komponente
die Einträge in die Umwelt und die Aufnahme
Messing, verzinkter Stahl, verchromte Messing-
Sauerstoff oder
ebenfalls als Vernetzer oder Netzwerkwandler
durch den Menschen vollständig vermieden
Sie sind deshalb im zum Verzehr bestimmten
bauteile) ist auch die Diffusion von Weichmacher
Lösemittel auf
fungiert (Polymer). Sie werden im Sol-Gel-
werden.
Trinkwasser nicht erwünscht. Das belastete
aus Kunststoffen ein Problem. In der Lebens-
Kunststoffen.
Verfahren hergestellt. Durch die Einstellung des
Trinkwasser gelangt als Brauchwasser, beispiels-
mitteltechnik und in medizinischen Anwen-
Schichtaufbaus und Vernetzungsgrades sowie
Als Randbedingung für die Entwicklung der Diffu-
weise für die Toilettenspülung, die Körperpflege,
dungen als Beispiel fließen Flüssigkeiten durch
den Einbau funktioneller Gruppen können die
sionssperre muss gelten, dass die Beschichtung
das Waschen von Wäsche oder andere Zwecke,
Kunststoffschläuche – die ggf. ausgelöste Weich-
spezifischen Eigenschaften – hier die Barriere-
selbst lebensmittelverträglich ist und es zu keiner
nach der Nutzung über die Kanalisation in die
macher aufnehmen. Für beide Problemfelder
funktion – eingestellt und an das Substrat ange-
Problemverlagerung kommt. Skepsis ist ange-
Kläranlagen und in den Ökosystem-Kreislauf.
ergeben sich mit Nanotechnologie Lösungswege,
passt werden.
bracht und es bedarf weiterer Forschung.
wasser konzentrieren sich diese Schwermetalle
Neben der Diffusion und der Auslösung von
auf. Schwermetalle wirken bei überschreiten
bestimmter Konzentrationsschwellen toxisch.
VOORTRT
V
E I LE
E ILE
D I F F U S I O N S S P E R R E A U F M E TA L L E N
Anwendung
Auch für Kunststoffe sind vielfältige Anwendungen für Diffusionssperren möglich,
wie z. B. die Innenbeschichtung von Getränkeflaschen aus PET.
25
Kein Ausschwemmen von Schwermetallen –
Nanotechnologie Lösungswege: lebensmittelverträgliche Beschichtungen für wasserführende Metallbauteile zu
entwickeln, die dauerhaft das Auswaschen von Schwermetallen wie Nickel und Blei verhindern.
Auch bei Kunststoffen sind vielfältige Anwendungen für Diffusionssperren möglich. Darunter fallen Getränkeflaschen aus PET und das Aufbringen einer Sauerstoffsperre auf Verpackungsfolien für Lebensmittel, um die
Lebensmittelalterung zu verzögern.
AUSBLICK
V O RT E I L E
Die Experten sind sich einig:
tung von Getränkeflaschen aus PET und das
Auch bei Kunststoffen sind vielfältige Anwen-
Aufbringen einer Sauerstoffsperre auf Verpa-
dungen für Diffusionssperren möglich. Darunter
ckungsfolien für Lebensmittel, um die Lebens-
fallen Brauseschläuche aus PVC, aus denen
mittelalterung zu verzögern.
Weichmacher, beispielsweise Diethylhexylphtha-
VISION
Übertragung der funktionsfähigen und dauer-
lat (DEHP), in das Duschwasser diffundieren.
Das globale Marktpotenzial der beschichteten
haften Diffusionssperre aus Rohren auf um-
Zugleich dienen Weichmacher an der Schlauch-
Produkte liegt über 500 Mio. €.
weltoffene Kupfer- und Zinkbauteile von
innenfläche Bakterien als Nährstoff, wodurch die
Das sehr hohe Technologiepotenzial dieser
Dächern, Fassaden, Regenrinnen und Regen-
Ausbildung unerwünschter Biofilme begünstigt
Experten halten die Realisierung in der Zeit-
Entwicklung lässt eine Übertragbarkeit auf
fallrohren.
wird. Weitere Beispiele sind die Innenbeschich-
spanne zwischen 2011 und 2015 für realistisch.
andere Anwendungen erwarten.
Bereitstellung einer transparenten, dauerhaf-
60
Mio. Meter Kupferrohre für die Trinkwasserinstallation in Gebäuden verbaut
In Deutschland werden jährlich etwa
(KRV 2004). Das entspricht einem Markt von
etwa
330 Mio. € / a. Bei einer angenom-
menen Beschichtungsstärke von 5 Metern
Innenbeschichtung der
etwa 12 t Lack benötigt.
Eine grobe Hochrechnung auf den weltweiten Markt ergibt ein Absatzvolumen von Kupferrohren für die Trinkwasserinstallation von 5,6 Mrd. € / a und einen
Lackverbrauch von 200 t/a.
26
DIFFUSIONSSPERREN BEI KUNSTSTOFFEN
VISION
V
IS
VIS
I OINO N
AUSBLICK
VISION
ten Beschichtung, welche die Metalloptik
erhält.
Umweltoffene Diffusionssperren müssen zwin-
mit Beschichtung
gend mit UV-Schutz ausgerüstet werden, um die
gewünschte Dauerhaftigkeit zu gewährleisten.
Hierfür werden bereits nanotechnologische Lö-
würden für die
sungen vermarktet, beispielsweise für Lacke und
Rohe jährlich
Holzschutzlasuren.
120
ohne Beschichtung
Ta b e l l e 3 : We i c h macherdiffusion
aus PVC (Quelle
Fraunhofer ISC)
mg Weichmacher in Kontaktfolie
D I F F U S I O N S S P E R R E A U F M E TA L L E N
VISION
100
80
60
40
20
0
0
10
20
30
40
50
60
70
K o n t a k t z e i t i n Ta g e n
27
Wenn es zu viel knistert –
A N T I S TAT I S C H E A U S R Ü S T U N G E N F Ü R K U N S T S T O F F E
antistatische Ausrüstungen für Kunststoffe
Elektrostatische Aufladung ist weit mehr als nur
lästig. Sie kann Werkstoffe und Bauteile so beeinflussen, dass sie in ihrer Funktion behindert
werden oder diese nicht mehr ausführen können.
Auch Staub, der von elektrostatisch aufgeladenen
Flächen (z. B. Verpackungsfolie) angezogen wird,
vermag gerade bei hochsensiblen Bauteilen
großen Schaden anzurichten.
Anwendung
Aufwand
ANTISTATIK-Beschichtungen für Kunststofffolien
potenzial
2006–2010
In Haarshampoos und anderen Körperpflegemitteln werden z. B. quartäre Ammoniumverbindungen als Antistatika eingesetzt.
Umwelteffekte
Bedeutung der
Lösung für …
Rohstoffeffizienz
Technologie
Kunststoffe sind im Allgemeinen sehr gute Iso-
integrierte Schaltungen, weshalb bei deren Her-
gleichartig elektrostatisch geladener Kunststoff-
nach Rezeptur können Oberflächenwiderstände
Elektrostatische
latoren (Dielektrika). Aus elektrostatisch aufge-
stellung, Verpackung und Einbau besondere
produkte. Die Abstoßungskräfte kommen ins-
von 104 bis 108
Aufladung kann z. B.
ladenen Dielektrika können die Ladungsträger
Vorkehrungen getroffen werden müssen. Emp-
besondere bei kleinen und leichten Teilen zum
thermische Lackaushärtung wegen der Kunst-
mikroelektronische
nicht vollständig abfließen, auch wenn eine
findliche Bauteile werden in antistatisch aus-
Tragen.
stofferweichung oder Schädigung nicht möglich,
Bauteile schädigen
Verbindung mit der Erde besteht. Es fließen nur
gerüsteten Verpackungen versandt.
und deren Ausfall
Ladungen ab, die sich unmittelbar um den Be-
bewirken.
rührungspunkt mit der Erdung befinden. Elektro-
Elektrostatisch aufgeladene Kunststoffoberflächen
Dramatische
statische Aufladung erfolgt durch Berühren oder
ziehen Staubpartikel mit gegensinniger Polarität
Folgen kann die
Reiben mit Textilien, Leder, Gummi oder ande-
an. Neben der damit verbundenen Verschmut-
elektrostatische
ren Materialien. Sie wird deshalb als Reibungs-
zung begünstigen die durch die Coulombkräfte
Aufladung von
Antimon-Zinn-Oxid
elektrizität bezeichnet. An den Berührungsflächen
festgehaltenen Partikel das Verkratzen der Ober-
Stäuben haben,
(ATO) als Additive
der Kontaktmaterialien kommt es zu einem
fläche durch die Schmirgelwirkung z.B. beim
wenn Entladungs-
zur Verbesserung
Als leitfähige Additive, auch Antistatika genannt,
Austausch von Elektronen. Im Ergebnis entsteht
Reinigen.
funken eine
der Leitfähigkeit.
können Indium-Zinn-Oxid (ITO) in verschiede-
eine Potenzialdifferenz zwischen dem Isolator
eingestellt werden. Ist eine
stehen UV-aushärtende Lacke zur Verfügung. BiDAUERHAFTE BESCHICHTUNGEN FÜR ANTI-
funktionale Lacke, welche die Oberfläche kratz-
ELEKTROSTATISCHE WIRKUNG
fest und antistatisch ausrüsten, werden bereits
Indium-Zinn-Oxid
Beschichtungen zur dauerhaften Verhinderung der
angeboten. (ITO ist mit 2.500 €/kg relativ teuer,
(ITO) oder
elektrostatischen Aufladung von Kunststoffen
allerdings reichen schon sehr geringe Mengen von
sollten zugleich kratzfest und hochflexibel sein.
etwa 1,5 g/m2 aus. Aber selbst in dieser geringen
Menge verursacht das ITO-Additiv zusätzliche
Materialkosten von 3,75 €/m2.)
Staubexplosion
nen Modifikationen und Antimon-Zinn-Oxid
In Körperpflegemitteln, z.B. Haarshampoos,
auslösen.
(ATO) eingesetzt werden. Antimon und seine
werden quartäre Ammoniumverbindungen als
Aufladung von Stäuben haben, wenn Entla-
anorganischen Verbindungen sind krebserzeu-
Antistatika eingesetzt. Sie bilden auf Oberflächen,
Elektrostatische Aufladung kann z. B. mikro-
dungsfunken eine Staubexplosion auslösen.
gend. Deshalb liegt der Fokus auf ITO. Zur
z.B. von Haaren, einen zusammenhängenden
elektronische Bauteile schädigen und deren
Unerwünschter Effekt der hier einbezogenen
Oberflächenfunktionalisierung werden diese
leitfähigen Film und verringern dadurch die elek-
Ausfall bewirken. Besonders empfindlich sind
Anwendung ist die elektrostatische Abstoßung
Antistatika als Additive in Lacke eingearbeitet. Je
trostatische Aufladung. Kunststoffoberflächen
und der Erde.
28
Ω
Dramatische Folgen kann die elektrostatische
29
Wenn es zu viel knistert – antistatische Ausrüstungen
für Kunststoffe
NACHTEILE
VORTEILE
AUSBLICK
Der durch die antistatische Ausrüstung der Kunst-
würden, zählen lediglich in der Druckindustrie
sogenannten OMOCER®en, mit Hilfe von hoch-
Vermeidung der elektrostatischen Abstoßung
stoffe optimierte Betrieb von Abfüllanlagen wird
und in der Elektronik zu den drei wichtigsten
polaren Funktionsgruppen wie Alkoxysilanver-
von kleinen Kunststoffbehältnissen bei der
deren Umwelt- und Nachhaltigkeitsleistung nur
Forschungs- und Entwicklungszielen. In einer
bindungen oder quartären Ammoniumsilanen anti-
maschinellen Befüllung, Verschließung und
marginal verbessern. Die Bedeutung der Problem-
VDI-Studie der potenziellen künftigen Nano-
statisch ausrüsten (ISC 2006). Damit können Ober-
Etikettierung auf Abfüllanlagen: Vermeidung
lösung liegt im wirtschaftlichen Bereich: Die Ab-
technologiemärkte aus dem Jahr 2004 kommt die
flächenwiderstände von 108 Ω erreicht werden.
von Störungen beim Transport der Behältnisse
senkung der Maschinenstillstandszeiten reduziert
antistatische Oberflächenfunktionalisierung nicht
die Stückkosten und verbessert die Produktivität.
vor.
V O RT E I L E
Eine neuere Entwicklung ist die Nutzung von
von Ausschuss und Verringerung von Reini-
Kohlenstoff-Nanoröhren (Carbon Nano Tubes,
gungsvorgängen.
CNT) als Antistatika. Kohlenstoff besitzt in der
Reduktion von Abfällen.
Graphitmodifikation ausgezeichnete Leitfähig-
Reduktion von Reinigungsvorgängen und dem
Eine neuere
keitseigenschaften. CNT, die einen Länge-Durch-
Einsatz von Reinigungsmitteln.
Entwicklung ist
messer-Quotienten von 1.000 aufweisen, errei-
Reduktion des Energiebedarfs und der Emis-
die Nutzung von
chen schon in geringen Konzentrationen eine
sion durch stabilere Produktion.
Kohlenstoff-
Durchkontaktierung, wie sie für die antistatische
Nanoröhren als
Ausrüstung von Kunststoffen benötigt wird
Antistatika.
(Diemert 2006). Durch die nanoskalige Geometrie
der Nanoröhren kommt es zu keiner Streuung
von sichtbarem Licht, das den Wellenlängenbereich von 400 bis 700 nm umfasst, und damit
zu keiner Einbuße der Transparenz.
Diese Einschätzung wird im Wesentlichen durch
AUSBLICK
und Maschinenstillstandszeiten, Reduktion
30
VISION
AUSBLICK
lassen sich mit hybridpolymeren Lacksystemen,
OERT
V OV
RT
ILE E I L E
A N T I S TAT I S C H E A U S R Ü S T U N G E N F Ü R K U N S T S T O F F E
Durch die antistatische Ausrüstung verschiedener Kunststoffe wird die elektrostatische Abstoßung von kleinen Kunststoffbehältnissen bei der maschinellen Befüllung, Verschließung und Etikettierung auf Abfüllanlagen vermieden.
Expertenbefragungen untermauert. Diese sehen
Trotzdem sehen die Nanotechnologieexperten für
Großes Markt-
mit der Anwendung nur geringe Umwelt- und
diese multifunktionale Beschichtung ein mittle-
potenzial für
Nachhaltigkeitseffekte verbunden.
res bis hohes Marktpotenzial mit einem globalen
ausgewählte
Umsatz so ausgerüsteter Produkte von möglichen
Anwendungs-
500 Mio. € /a.
bereiche.
A N T I S T AT I S C H E
OBERFLÄCHEN
–
EIN
N E B E N S C H A U P L AT Z M I T P O T E N Z I A L
Zusätzlich wird die Übertragbarkeit der Lösung
Die antistatische Ausrüstung von Kunststoffen
auf unterschiedliche Anwendungen mit fast 100 %
zählt nicht zu den prioritären Entwicklungszielen
als groß eingeschätzt. Bis 2010 halten die Experten
in der Oberflächenfunktionalisierung. Die „elek-
die Anwendung für marktreif.
trischen Eigenschaften“ von Oberflächen, wozu
neben der leitfähigen auch halbleitende und
photovoltaische Funktionalisierungen gehören
31
Sauber. Sehr sauber.
Antimikrobielle
Ausrüstung
Die antimikrobielle Ausrüstung von Oberflächen zählt
mit zu den bekanntesten Anwendungsbeispielen von
funktionalisierten Oberflächen durch Nanotechnologie. Ziel ist es, die bakterielle bzw. mikrobielle Besiedlung von Oberflächen zu reduzieren oder gar
komplett zu verhindern. Damit sollen Oberflächen
von Krankheitskeimen sauber gehalten werden,
indem diese Mikroorganismen abgetötet werden.
Aufwand
potenzial
Umwelteffekte
ANTIMIKROBIELLE Beschichtungen in
lebensmittelverarbeitenden Betrieben
2006 – 2010
(Großküchen, Schlachterei) zur Verhinderung
der Besiedlung mit Mikroorganismen
Gesundheitsschutz
ANTIMIKROBIELLE Innenbeschichtungen
für Schmutzwasserbehälter zur Verhinderung der Besiedlung mit Mikroorganismen
und der Bildung von Biofilmen
Gesundheitsschutz
2006 – 2010
diffundieren (Release-Mechanismus) und de-
WIRKUNGSWEISE
Bedeutung der
Lösung für …
Kontakt-Mechanismus: Kontakt der Mikro-
stabilisierende Wirkung auf die Zellmembran
organismen (Bakterien, Hefen, Pilze) mit der anti-
haben. Gleichzeitig wird der Zellstoffwechsel
mikrobiellen Substanz an der Kontaktoberfläche.
sowie der Zellteilungsprozess gestört. Wund-
Die Mikroorganismen werden beim Kontakt mit
verbände oder Katheter sind z.B. mit Nano-
der Oberfläche abgetötet. Eine Freisetzung des
Silber ausgerüstet.
Reagenz findet nicht statt, da die Substanz fest
Nanoskaliges Zinkoxid (ZnO) hat ebenfalls
an die Oberfläche gebunden ist.
antimikrobielle Eigenschaften. Die Wirkung
(A)
Gesellschaft
Wirtschaft
beruht auf der Freisetzung von antimikrobiell
Release-Mechanismus: Diffusion und Migra-
wirksamen Zink-Ionen. ZnO als antimikro-
Es führen viele
Durch die Nano-
Die antimikrobielle Ausrüstung wurde bereits
Lebewesen bioverträgliche – antimikrobielle Be-
tion der antimikrobiellen Substanz aus der
bielle Ausrüstung wird z.B. in transparentem
Wege zur
(B)
technologie lässt
lange vor der Nanotechnologie realisiert: Cremes
schichtung für den Einsatz in lebensmittelverar-
Matrix der Beschichtung an die Oberfläche und
Silikon eingesetzt (mit zusätzlichem UV-
antimikrobiellen
sich die Besiedlung
mit entzündungshemmendem ZnO (Penaten-
beitenden Betrieben (darunter Großküchen und
dort in die direkte Umgebung.
Schutz). Die antimikrobielle Wirkung ist deut-
Ausrüstung.
durch Bakterien und
Wundcreme) oder silberbedampfte Wundver-
Schlachtereien). Die Vorteile dieser Anwendung
Pilze auf Ober-
bände sind seit Langem auf dem Markt. Durch
liegen in erster Linie im Gesundheitsschutz und
flächen verhindern.
Nanotechnologie lassen sich jedoch die Wirk-
in der Abfallvermeidung.
samkeit und die Beschichtungsmöglichkeiten
(B)
Biofilm, die Besiedlung von Oberflächen durch
mit Mikroorganismen und der Bildung von Bio-
Bakterien und Pilze verhindern.
filmen in Schmutzwasserbehältern durch eine
antimikrobielle Innenbeschichtung für Schmutz-
ANWENDUNGSFELDER ANTIMIKROBIELLER
wasserbehälter. Die Vorteile dieser Anwendung
AUSRÜSTUNG
liegen in erster Linie beim Einsatz in Schmutz-
(Dauerhafte) Verhinderung der Besiedlung
wasserbehältern sowie im Gesundheitsschutz
von Oberflächen mit Mikroorganismen (z.B.
und in der Abfallvermeidung. Zusätzlich trägt die
Bakterien, Pilze, Algen) durch eine – für höhere
Anwendung zur verbesserten Rohstoffeffizienz bei.
(A)
32
Lackschicht
Dauerhafte Verhinderung der Besiedlung
vielfältig optimieren und der Aufwuchs von
Nano-Silberpartikel
Abbildung 4: Wirkweise von SilberNanopartikeln
(links, ReleaseMechanismus) und
PolyamoniumVerbindungen
(rechts, KontaktMechanismus)
Polyamonium-Verbindung
(kovalent an Oberfläche gebundne)
Wirkbereich
Oberfläche
Mikroorganismen
Lackschicht
Mikroorganismen
Wirkbereich
lich besser als bei Silber-Nanopartikeln, zudem
Oberfläche
ANTIMIKROBIELLE AUSRÜSTUNG
Anwendung
Durch Nanotechnologie lassen sich die Wirksamkeit und die Beschichtungsmöglichkeiten verschiedener
Oberflächen vielfältig optimieren und der Aufwuchs von Biofilm, die Besiedlung von Bakterien und Pilzen,
verhindern.
ist das ZnO transparent und nicht bräunlich
wie Ag+. Der ZnO-Einsatz ist in Schiffslacken
geplant als „Anti-Fouling“-Schicht.
Konservierungsstoffe wie z.B. Ascorbinsäure
(im Release-Mechanismus) oder Polymere wie
z.B. Polyammoniumsalze oder Polyethylenglykol (im Kontakt-Mechanismus) in HybridPolymer-Beschichtung.
ANWENDUNGEN NANOTECHNOLOGISCHER
M AT E R I A L I E N / B E S C H I C H T U N G E N :
Die Bedeutung antimikrobieller Beschichtungen
Nano-Silber (Ag+-Ionen) bilden in einer Be-
liegt vornehmlich im Gesundheitsschutz und in
schichtung Silber-Ionen, die an die Oberfläche
zweiter Linie im Ressourcenschutz.
33
Sauber. Sehr sauber.
Antimikrobielle Ausrüstung
Antibakterielle Holzbeschichtungen sind z. B. für Anwendungen in Feucht- und Innenbereichen von Arztpraxen,
Wellness- und Gesundheitsbereichen geeignet.
NACHTEILE
V
I
S
I
O
N
AUSBLICK
AUSBLICK
Der Realisierungszeitraum für die angedachten
gehören zu den häufigsten nosokomialen In-
Am Beispiel der Silber-Nanopartikel kann die
Anwendungen wird von den meisten Exper-
Beschichtungen für medizinische Geräte her-
fektursachen. Antimikrobiell beschichtete
Hebelwirkung der Nanotechnologie aufgezeigt
ten in den Jahren 2006 bis 2010 gesehen,
stellen, die antimikrobiell wirken, kaum ver-
Katheter werden in Deutschland oder den
werden:
wobei die Anwendung (B) ggf. einen wesent-
schmutzen oder leicht zu reinigen sind und
USA angeboten. Im deutschen Handel sind
Nano-Ag im Wert von einigen 100.000 US-$
lich längeren Entwicklungsvorlauf benötigt
Korrosion bei der Sterilisation oder Desinfek-
reine Silber-Katheter oder Produkte, die
kommt in antimikrobiellen Wundverbänden im
bzw. von wenigen Experten nicht im Markt
tion verhindern.
außenseitig mit Chlorhexidin und Silber-
Wert von über 25 Mio. US-$ zum Einsatz (Hessen
gesehen wird.
Allein die Bauschäden, die durch anhaftende
Sulfadiazin beschichtet sind. Randomisierte
Mikroorganismen auf Fassadenoberflächen
klinische Studien haben gezeigt, dass solche
verursacht werden, liegen in Deutschland in
funktionalisierten Katheter die Infektionsrate
einer geschätzten Größenordnung von jähr-
um knapp den Faktor 5 reduzieren können
lich ca. 2–4 Mrd. € (VDI 2006).
(SZ 2007).
Antibakterielle (oder auch antimykotische)
Im Bereich der Lebensmittel könnten durch
Holzbeschichtungen sind z. B. für Anwen-
eine entsprechende Ausrüstung Konservie-
dungen in Feucht- und Innenbereichen von
rungsmittel reduziert werden, die im Verdacht
Arztpraxen, Wellness- und Gesundheitsberei-
stehen, Allergien auszulösen.
chen oder auch für Klimaanlage in antibak-
Bakterien stellen zudem die wichtigste Ur-
Das Technologiepotenzial wird von den meis-
teriell wirksamen Wärmetauschern geeignet.
sache für Krankheiten dar, die durch den
ten Experten – auch von denen mit großer
600.000 Menschen erkranken jährlich an
Verzehr von Lebensmitteln ausgelöst wur-
Fachkenntnis – als mittel eingestuft, d.h. die
nosokomialen Infekten (Krankenhauskeime)
den (Bean, Griffin 1990).
Lösung ist in einzelne andere Anwendungen
(hessen-nanotech NEWS 2/2006).
34
AUSBLICK
Die Katheter-assoziierten Veneninfektionen
Mit Hilfe der Nanotechnologie lassen sich
V O RT E I L E
AUSBLICK
V O RT E I L E
V O RT E I L E
ANTIMIKROBIELLE AUSRÜSTUNG
V O RT E I L E
Agentur 2006).
Das Marktpotenzial der Anwendung ( A ) wird
von der Mehrheit der Experten (56 %) als
große (> 500 Mio. €) eingestuft.
Der Anwendung
(B)
wird von der Mehrheit
der Experten ein mittleres (zwischen 50 und
500 Mio. €) bis großes Marktpotenzial zugetraut.
übertragbar.
35
Photokatalytische
Sterilisation
Keimfreie Verpackungen für Medikamente und
Instrumente sind ein zentraler Faktor im Medizinsektor – warum, liegt auf der Hand. Heute werden
die Innenseiten der Verpackungen bereits mit photokatalytischer Sterilisation behandelt. Nanotechnologische Beschichtungen vermögen den Wirkungsgrad dieser Sterilisationsmethode signifikant zu
verstärken.
P H O T O K ATA LY T I S C H E S T E R I L I S AT I O N
Anwendung
Aufwand
potenzial
PHOTOKATALYTISCHE
Innenbeschichtungen
2006 – 2010
keimfreier Verpackung von
medizinischen Instrumenten
und Medikamenten in PEund PP-Schalen
Fassadenfarbe „Lotusan“, die sich dank Lotuseffekt mit Regen selbst reinigt.
Umwelteffekte
Bedeutung der
Lösung für …
Gesundheitsschutz
Gesellschaft
VERSTÄRKTE KEIMFREIHEIT DURCH NANO-
stand. In Verbindung mit einer hydrophilen
TECHNOLOGIE
Beschichtung (wasserspreitender Effekt) ist so-
Durch eine zusätzliche Beschichtung der Poly-
wohl für die ausreichende Feuchte als auch – bei
Photokatalytische Beschichtungen sind – neben
katalytisch abgebaut. Das Prinzip beruht auf der
ethylen-(PE-) und Polypropylen-(PP-)Verpackun-
entsprechender Neigung der Oberfläche – für
antimikrobiellen Ausrüstungen und „Easy-to-
Absorption von UV-Licht, der Zersetzung von
gen lässt sich die Zahl der Keime auf der Ober-
das Abwaschen der organischen Partikel durch
Clean“-Beschichtungen – ein nanotechnologischer
Wasser zu OH-Radikalen bzw. der Bildung von
fläche nach einer UV-Bestrahlung innerhalb
den abfließenden Wasserfilm gesorgt. Momentan
Lösungsansatz, um durch aktive Beschichtung die
H2O2 mit Luftsauerstoff und schließlich der Oxy-
weniger Sekunden um den Faktor 106 vermindern
sind weitere Materialien in der Entwicklung, die
Reduktion von Verschmutzungen auf Oberflächen
dation, d.h. Zersetzung von organischen Verun-
(ohne Hilfsbeschichtung wird der Faktor 104 er-
im sichtbaren Bereich des Lichts photokatalytisch
zu erreichen. In einem aktiven chemischen Pro-
reinigungen durch OH– bzw. H2O2.
reicht).
wirken. Solche Schichten erscheinen farbig, weil
zess werden organische Verunreinigungen photo-
die absorbierten Wellenlängen in der reflektierten Strahlung fehlen.
H2O2
UV-Licht
O2
OH
TiO2
e – + h+
H2O2
Substrate
36
–
Abbildung 5:
Photokatalytischer Effekt
m i t Ti O 2 - N a n o partikel (Quelle
NANO-X)
VERBESSERUNG DURCH NANOTECHNOLO-
Die durch den photokatalytischen Effekt gebilde-
GIE
ten Hydroxyl-Radikale (OH-Radikal) bzw. Wasser-
Mit UV-Licht,
Für photokatalytische Beschichtungen ist das
stoffperoxid haben eine oxidative und damit zer-
Feuchtigkeit und
nanoskalige TiO2 das Mittel der Wahl. Sein Ab-
setzende Wirkung auf organische Moleküle. Diese
Sauerstoff wird
sorptionsmaximum liegt im UV-B-Strahlungs-
werden in ihrer Struktur aufgebrochen und damit
der Prozess in
bereich. Für die chemische Umsetzung wird UV-
leicht abwaschbar. Auf viele Kleinstlebewesen
Gang gesetzt.
Licht, Feuchtigkeit und Sauerstoff benötigt. Unter-
wirkt H2O2 stark toxisch, weshalb es neben der
halb einer relativen Luftfeuchtigkeit von 30 %
organisches Material zersetzenden Wirkung auch
kommt der photokatalytische Abbau zum Still-
eine selbstdesinfizierende Wirkung hat.
37
Innenbeschichtungen keimfreier Verpackung von medizinischen Instrumenten
und Medikamenten in PE- und PP-Schalen.
U. a. gelten Dachziegel, Fensterscheiben, Fassaden, Beton, Pflastersteine oder Badfliesen als zukünftige Einsatzgebiete der photokatalytischen Sterilisation.
NACHTEILE
V O RT E I L E
V O RT E I L E
V O RT E I L E
V O RT E I L
38
flächen durch organisches Material reduziert
Gesundheitsschutz: Verkeimung wird redu-
werden soll – sei es aus funktionserhaltenden
ziert und damit die Infektionsgefahr verringert.
Gründen wie bei Solarzellen oder eher aus kosme-
Wasserentkeimung und Biofilm-Reduktion:
Bakterien und Algen aller Art direkt an der
Anwendbar prinzipiell für Flächen, Anlagen
tisch-werterhaltenden Gründen wie bei Fassaden
Von 6 Milliarden Menschen haben circa 2
Schwimmbeckenwand ab. Anhaftender Schmutz
und Geräte, die einer großen Verkeimung
o. ä. – wo die Reinigung von Wasser/Flüssigkeiten
Milliarden keinen oder nur zeitweiligen
wird durch die photokatalytische Reaktion in
aufgrund z.B. von Publikumsverkehr ausge-
oder Teil eines Prozessschrittes ist – z.B. bei der
Zugang zu sauberem Trinkwasser. Man
seiner chemischen Struktur aufgebrochen. Der
setzt sind.
Wasserdesinfektion oder -sterilisation von Gegen-
schätzt, dass ungefähr 5 Mio. Todesfälle auf
gebildete aktive Sauerstoff und die Hydroxyl-
Nutzbar in der Wassersterilisation und -auf-
ständen.
verunreinigtes Trinkwasser zurückzuführen
Radikale sorgen zusätzlich für eine Entkeimung
bereitung, z.B. im häuslichen Bereich (Grau-
sind.
des Beckenwassers.
wasser, Swimmingpools).
Abwasser- und Luftreinhaltung.
Einsetzbar bei sterilen Verpackungen und
Andere Forschungsarbeiten gehen ebenfalls in
E I N S AT Z
Sterilhaltung von medizinischen Geräten und
Baubereich: photokatalytische Beschichtung
Umverpackungen von Medikamenten oder
auf Dachziegeln, Fensterscheiben (Pilking-
Lebensmitteln.
ton ActivTM mit einer hydrophilen TiO2-
Abfallvermeidung: Umverpackungen werden
besser steril gehalten oder Umverpackungen
Der Abbau verschiedener halogenierter Kohlen-
diese Richtung, Wasserbehälter so auszurüsten, dass
wasserstoffe durch TiO2 wurde mit außerge-
auch unter erschwerten Bedingungen, z.B. bei
Der photo-
wöhnlich großer Quantenausbeute experimentell
fehlender zentraler Wasserversorgung in Dritt-
Außenbeschichtung), Fassaden (StoPhotosan
katalytische
nachgewiesen (Sachtleben Hombikat UV100). Für
weltländern oder in Krisenzeiten bei Einzelver-
Color), Beton (Forschungsarbeiten u.a. von
Effekt für den
die Wasserentkeimung von Schwimmbädern oder
sorgung, die Biofilm- und Mikroorganismenbil-
werden eingespart durch geschickte Prozess-
Heidelberger Zement, siehe Dehn 2002),
Swimmingpool.
Swimmingpools gibt es inzwischen ein auf Nano-
dung im wasserführenden System verhindert und
steuerung und Sterilisation.
Pflastersteinen (Franz Carl Nüdling Basalt-
technologie basierendes Verfahren unter Zuhilfe-
sauberes Trinkwasser bereitgestellt werden kann
werke GmbH & Co. KG, Airclean von Stein-
nahme einer dünnen Beschichtung, die gleich-
(Kühn /Erdinger / Pompe 2004). Hierzu wurden
Photokatalytische Beschichtungen sind überall
werk) oder Badfliesen (Hydrotect von Deut-
mäßig über die Oberfläche des Schwimmbecken
Versuche mit lichtdurchlässigen Wasserbehältern
dort interessant, wo die Verschmutzung von Ober-
sche Steinzeug).
verteilt ist. Der photokatalytische Effekt tötet
durchgeführt, die innen mittels Sol-Gel-Prozess
39
Für die Wasserentkeimung von Schwimmbädern oder Swimmingpools gibt es inzwischen ein auf Nanotechnologie basierendes Verfahren unter
Zuhilfenahme einer dünnen Beschichtung, die gleichmäßig über die Oberfläche des Schwimmbeckens verteilt ist.
VISION
mit photokatalytisch aktivem Titandioxid (TiO2)
AUSBLICK
beschichtet wurden. Erste Tests zeigten, dass
Verschiedene nanotechnologische Ausrüstun-
> 104 KBE/ml E. coli innerhalb von 30 min abge-
gen sind im Bereich steriler und keimarmer
tötet wurden und der Aufwuchs von Biofilm zwar
Oberflächen möglich – mit diesen konkur-
nicht unterbunden, aber deutlich verlangsamt
riert die photokatalytische Sterilisation.
werden konnte.
Experten schätzen das Marktpotenzial zwischen „mittel“ und „hoch“ ein.
Ein weiteres interessantes Einsatzgebiet für pho-
Durch photokatalytische Ausrüstung lassen
tokatalytisch aktive Beschichtungen ist die Wasser-
sich in bestehenden Verfahren interessante
reinigung von Grauwasser. Biologisch gereinigtes
Ergänzungen bzw. Leistungsverbesserungen
Wasser wird aus Sicherheitsgründen in einer UV-
(hier um den Faktor 100 gewünscht) errei-
Entkeimungsanlage zusätzlich hygienisiert.
chen (überall dort, wo bereits mit UV-Licht
entkeimt wird).
Das Technologiepotenzial wird ebenfalls mehrheitlich „mittel“ bis „hoch“ eingestuft.
Nach Einschätzung der meisten Experten
liegt der Realisierungszeitraum für die geplante
Anwendung im Bereich 2006–2010 (46 %)
bzw. spätestens bis 2015.
40
AUSBLICK
AUSBLICK
P H O T O K ATA LY T I S C H E S T E R I L I S AT I O N
AUSBLICK
Selbstheilende superhydrophobe
Beschichtung –
der
Lotuseffekt
Oberflächen, die selten oder gar nicht mehr gereinigt
werden müssen – Fenster, Fassaden, Dächer, Kleidung … Die meiste Aufmerksamkeit für die Nanotechnologie in der breiten Bevölkerung erregten in
der Vergangenheit jene Produktentwicklungen, die
sich „wie von selbst“ zu reinigen vermochten. Die
Nanotechnologie hat in diesem Fall dem größten
Baumeister auf die Finger geschaut – der Natur.
Ganz genau. Denn heute sind nicht nur selbstreinigende, sondern auch selbstheilende Oberflächen
denkbar.
Anwendung
Aufwand
SUPERHYDROPHOBE Beschichtung
von Glas durch Wachsreservoirtechnik
2011 – 2015
SUPERHYDROPHOBE Beschichtung von
Chrombauteilen durch Wachsreservoirtechnik
2011 – 2015
potenzial
SUPERHYDROPHOBE Innenbeschichtung
2011 – 2015
(Wachsreservoirtechnik) von Edelstahlrohren/-behältern in industriellen Abfüllanlagen
für Kosmetika/Medizin
DER LOTUSEFFEKT
SUPERHYDROPHOBE Beschichtung von
Kabinen und Werkstückträgern beim Spritzlackieren mit Wachsreservoirtechnik
2011 – 2015
Als Lotuseffekt wird die geringe Benetzbarkeit einer Oberfläche bezeichnet, wie sie bei der Lotuspflanze
beobachtet werden kann. Blüte und Blätter dieser Pflanze können z. B. von Wasser nicht benetzt werden,
sodass sich Tropfen bilden, die nicht an der Oberfläche haften. Es liegt hier Selbstreinigung einer biologischen Oberfläche vor.
Umwelteffekte
Bedeutung der
Lösung für …
Abfallvermeidung
Technologie
Abfallvermeidung
Technologie
Rohstoffeffizienz
Technologie
Abfallvermeidung
Die technische Nachahmung der Hydrophobie
Benetzung durch unpolare Stoffe wie Öle und
der Lotuspflanze zur Selbstreinigung von Ober-
Fette herabzusetzen, die Oberfläche oleophob
flächen wird als Lotuseffekt bezeichnet und ist
auszurüsten. Ist die Oberfläche sowohl hydrophob
die wahrscheinlich bekannteste Leistung, welche
als auch oleophob, wird diese auch als ultraphob
die Bionik hervorgebracht hat. Sie gelingt durch
bezeichnet.
Wirtschaft
Abbildung 6:
Benetzungsverhalten eines Tropfens
auf einem festen
Substrat
trische Form des Tropfens wird von den an den
Superhydrophobe Oberflächen haben für die tech-
Phasengrenzen wirkenden Oberflächenkräften
nische Nutzung interessante Eigenschaften. Rollt
bestimmt. Der sich zwischen der festen und flüs-
ein Wassertropfen über eine superhydrophobe
sigen Phase einstellende Kontaktwinkel
wird
Oberfläche nimmt er erwartungsgemäß hydro-
als Maß für das Benetzungsverhalten der Flüssig-
phile Schmutzpartikel, z.B. Lehm, auf und hält
keit auf der Oberfläche verwendet. Gute Benet-
diese im Inneren fest. Überraschenderweise tritt
zung durch Wasser wird als Hydrophilie, schlech-
der Reinigungseffekt auch bei hydrophobem
te Benetzung wird als Hydrophobie bezeichnet.
Schmutz auf. Solche Partikel können zwar nicht
Bei Kontaktwinkeln über 150° spricht man von
in das Innere des Tropfens gelangen, sie werden
Superhydrophobie. Auf hydrophoben Oberflächen
jedoch an seiner Oberfläche festgehalten und rollen
bricht ein aufgebrachter Wasserfilm auf und zieht
mit diesem ab. Es kommt zu einer Selbstreinigung
sich durch die Oberflächenspannung zu einzelnen
der Oberfläche.
Tropfen zusammen und nimmt dabei im Wasser
gelöste Stoffe mit, wie z.B. Kalk. Dies erleichtert
Superhydrophobe Oberflächen, die zur Vermei-
Superhydrophobie –
die Reinigung – man spricht deshalb von Easy-
dung von Verschmutzungen ausgebildet wurden,
geniale Vorbilder
to-clean Oberflächen.
lassen sich in der Natur beobachten. Das be-
in der Natur.
kannteste Beispiel ist die Lotusblume, Nelumbo
gasförmig
nucifera (Asien) und Nelumbo lutea (Amerika),
aber auch andere Pflanzen, bspw. Kapuziner-
Flg
Strukturierung der Oberfläche, die Aufbringung
42
kresse und Kohl. Die Blattoberfläche der Lotus-
von Oberflächenschichten mit nanoskaligen hy-
Ein Flüssigkeitstropfen auf einem festen Substrat
drophoben Funktionsträgern und durch eine Kom-
bildet ein Dreiphasensystem: die feste Phase des
bination von beiden. Durch geeignete Funktions-
Untergrunds, die flüssige Phase des Tropfens und
träger in Schichtsystemen gelingt es auch, die
die gasförmige Phase der Umgebung. Die geome-
blume weist eine doppelt strukturierte Morpho-
flüssig
Fsg
fest
Fls
cos
=
Fls – Fsg
Flg
logie auf. Sie ist mit mikrofeinen 5–10 µm hohen
Noppen übersät, die selbst eine nanoskalige
Struktur tragen. Ausgebildet wird die Nanostruk-
43
Selbstheilende superhydrophobe Beschichtung –
der Lotuseffekt
Die technische Nachahmung der Hydrophobie der Lotuspflanze zur Selbstreinigung von Oberflächen ist die wahrscheinlich
bekannteste Leistung, welche die Bionik hervorgebracht hat.
Die Ursache des Lotuseffekts liegt in einer besonderen Oberflächenstruktur, welche so geringe Adhäsionskräfte erzeugt, dass schon bei
Flüssigkeiten mit geringer Oberflächenspannung die Kohäsionskräfte
innerhalb der Flüssigkeit die Adhäsionskräfte überwiegen und es
zu keiner Benetzung kommt.
tur durch Wachskristalle, die aus dem Blattinneren
Superhydrophobe Innenbeschichtungen von
Ein interessanter Ansatz, der sich allerdings noch
an die Oberfläche diffundieren und sich bei einer
Rohren und Behältern aus Edelstahl in indu-
in einem frühen Entwicklungsstadium befindet,
(begrenzten) Beschädigung neu ausbilden.
striellen Abfüllanlagen für Kosmetika und Me-
ist die so genannte „Wachsreservoirtechnik“. Sie
dikamente mit den genannten Eigenschaften.
versucht, die Hydrophobisierungstechnik der
Die Beschichtung soll den Reinigungsaufwand
Lotuspflanze konsequent technisch nachzubil-
bei einem Wechsel des Abfüllmediums erheb-
den.
Nanoskalig strukturierte
Wachsschicht
Wachsreservoir der
Deckschicht
Substrat
DER LOTUSEFFEKT
lich vereinfachen.
Abbildung 8:
Doppelt strukturierte Oberfläche
der Lotusblume
(Quelle NeesInstitut, Bonn)
44
Quelle nach Fraunhofer IST; SuNyx
Superhydrophobe Beschichtung von Kabinen
Dazu wird in eine poröse Deckschicht, bspw. ei-
und Werkstückträgern beim Spritzlackieren,
nem Polyurethanlack, ein geeignetes Wachs
welche die Haftung des Lackoversprays ver-
eingebettet, das durch gezielt eingestellte Poren
hindert und den Reinigungsaufwand erheb-
der Deckschicht an die Oberfläche diffundieren
Theoretische Abschätzungen zeigen, dass es ge-
lich vermindert.
kann, um dort eine nanoskalige Struktur wie
lingen kann, ein ausreichendes Wachsreservoir
auf der Lotuspflanze auszubilden. Bei einer Be-
bereitzustellen, um den Selbstheilungseffekt über
schädigung der Wachsschicht diffundiert aus
20 Jahre aufrechtzuerhalten. Ein ähnliches Lang-
ANWENDUNGSMÖGLICHKEITEN
Superhydrophobe Glasbeschichtungen, die
D I E N AT U R A L S K O N S E Q U E N T E S V O R B I L D
dem Reservoir der Deckschicht Wachs an die
zeitverhalten wird bspw. auch für Autolacke
ihre Funktion über 10 Jahre behalten und
Die technische Nachahmung des Lotuseffekts
Oberfläche und regeneriert die nanoskalige
gefordert. Die Herausforderung und das Know-
sich bei Beschädigungen durch mechanische
stößt auf das Problem, da sich die mechanisch
Die Natur
Struktur.
how liegen in der Entwicklung eines geeigneten
oder chemische Reinigungsvorgänge neu bil-
empfindliche Oberflächenstrukturierung nicht
regeneriert
den.
regeneriert, wenn sie zerstört wird. Die lang an-
den super-
Damit würde es möglich, selbstheilende super-
Umsetzung in ein marktfähiges Produkt würde
Superhydrophobe Beschichtungen für Chrom
haltende Funktionalität ist somit nicht gewähr-
hydrophoben
hydrophobe Oberflächen herzustellen.
ein enormes Anwendungspotenzial erschließen.
mit den gleichen Eigenschaften.
leistet.
Effekt.
Abbildung 7: Selbstregenerierende
hydrophobe
Beschichtung
(Quelle: Fraunhofer
IST und SuNyX)
Wachses. Ihr erfolgreicher Abschluss und ihre
45
der Lotuseffekt
Weniger Reinigungszyklen schonen den Lack und verlängern seine Haltbarkeit. Emissionsvermeidung durch Reduktion in
reinigungsintensiven Produktionsverfahren.
N
A
C
H
T
E
I
L
E
V O RT E I L E
Mio. €
%
Universalwaschmittel
975
26,0
lack zu Shampoo, mit aggressiven Reinigern, Satt-
Spezialwaschmittel
200
5,3
Weniger Reinigungszyklen schonen den Lack
dampf mit 100 °C und mit Wasserspritzverfahren
15,8
gesäubert. Verbrauchte Reiniger werden aufge-
Waschhilfsmittel
(Weichspüler, Waschzusätze etc.)
592
und verlängern seine Haltbarkeit.
Die Verlängerung der Nutzungsdauer von Pro-
fangen und als Sonderabfall entsorgt, was wie die
Geschirrspülmittel
548
14,6
dukten verringert den Ressourcenverbrauch.
Dampferzeugung mit Energieeinsatz und Emissio-
Weniger Reinigungszyklen vermindern den
nen verbunden ist. Beim Spritzlackieren werden
HAUSHALTSREINIGUNGSMITTEL
665
17,7
Verbrauch von Wasser und Tensiden.
zum Entfernen des anhaftenden Oversprays auf
Wohnraumpflegemittel
137
3,7
Längere Reinigungsintervalle senken den
Spritzkabinenbauteilen oder Werkstückträgern
Lederpflegemittel
68
1,8
Schmutzwasseranfall, der über die Kanalisa-
Wasserspritzverfahren auf einem Druckniveau
tion an die Kläranlagen abgegeben wird, und
von 2000 bar, thermische Abbrennverfahren und
AUTOPFLEGEMITTEL
212
5,6
den Eintrag von Schadstoffen in den ökosys-
chemische Entlackungsverfahren eingesetzt. Bei
Spezialreinigungs- und
-pflegemittel
355
9,5
temaren Kreislauf.
allen Verfahren sind verbrauchte und verschmutz-
3.752
100
Selbstreinigende Ausrüstung der Oberfläche
te Hilfsmittel zu entsorgen, und es entstehen
von photovoltaischen Solarzellen könnte
Emissionen.
V O RT E I L E
46
V O RT E I L E
DER LOTUSEFFEKT
V O RT E I L E
Ta b e l l e 4 :
Wa s c h - u n d
Reinigungsmittelmarkt in
Deutschland 2006
(IKW 2006)
Stromausbeute steigern.
Emissionsvermeidung durch Reduktion in
In Anbetracht des enormen Verbrauchs tensid-
Schon diese wenigen Beispiele vermitteln einen
schen Abbau organischer Verschmutzungen oder
reinigungsintensiven Produktionsverfahren.
haltiger Reinigungsmittel und deren negativer Wir-
spannenden Einblick in das Potenzial selbstreini-
einer antimikrobiellen Ausrüstung, könnte den
kung auf den ökosystemaren Kreislauf gewinnt
gender Oberflächen für den Umweltschutz. Die
ökologischen Nutzen solcher Oberflächen wei-
Abfüllanlagen für Kosmetika werden vor dem
die Entwicklung selbstreinigender Oberflächen
Kombination der Superhydrophobie mit weite-
ter steigern.
Wechsel des Abfüllmediums, bspw. von Nagel-
erheblich an Bedeutung.
ren Funktionalitäten, bspw. dem photokatalyti-
47
der Lotuseffekt
Generell sind die meisten Außenanwendungen, die regelmäßig von Regen getroffen werden, der für den Selbstreinigungseffekt benötigt
wird, potenzielle Anwendungsfelder.
V
I
S
I
O
N
AUSBLICK
TECHNOLOGIEPOTENZIAL
ser der Reinigungseffekt ausgelöst werden. Für
schicht zur Umgebung bildet, muss eine gewisse
Jeder zweite Experte mit großer Fachkennt-
Die Entwicklung einer selbstreinigenden und
die Anwendung auf Fensterglas ist eine hohe
Beständigkeit gegen äußere Einflüsse aufweisen,
nis sieht für selbstheilende superhydrophobe
selbstheilenden Lösung ist ein Technologie-
Transparenz sowohl der das Wachsreservoir tra-
bspw. gegen sauren Regen und Tenside, um den
Glasbeschichtungen ein großes Marktpoten-
träger, dessen Beherrschung die Oberflächentech-
genden Deckschicht als auch der nanoskaligen
Regenerationsmechanismus nicht zu überfordern.
zial. Das heißt, für so funktionalisierte Produkte
nik insgesamt voranbringt. Eine nahe liegende
Wachsschicht unerlässlich.
Die hohen Anforderungen untermauern die Ein-
liegt der weltweite Umsatz über 500 Mio. €.
Übertragung mit enormem wirtschaftlichem
Dem schließen sich nahezu die Hälfte aller
Potenzial sind Autolacke. Mit Autolacken wer-
Bei der Anwendung als Decklack, bspw. für
einer dauerhaften selbstheilenden superhydro-
anderen Experten an. Knapp 40 % der Ex-
den in Deutschland zwischen 50 und 250 Mio. €
Automobile, kann der Decklack die farbgebende
phoben Beschichtung auf erhebliche technologi-
perten sehen ein „mittleres“ Marktpotenzial.
jährlich umgesetzt (VDI 2004). In Deutschland
Schicht sein, wobei die nanoskalige Wachsschicht
sche Herausforderungen stößt.
Die Übertragbarkeit der Lösung für Glasflächen
gehen jährlich geschätzte 86.000 t Lack in die
deren Brillanz nicht wesentlich beeinflussen darf.
auf andere Anwendungen wird von fast der
Autoserienlackierung und 29.000 t in die Auto-
Hälfte der Experten als „groß“, vom Rest als
reparaturlackierung (DFO 2006). Damit liegt der
Wie eingangs beschrieben, wird die Superhydro-
EIN LANGER WEG BIS ZUR MARKTREIFE
Die Realisierung
„mittel“ eingeschätzt. (Angesichts der Fülle
Umsatz mit Autolacken allein für die Serien-
phobie des Vorbilds Lotusblume durch eine dop-
Die Realisierbarkeit der Wachsreservoirtechnik
einer dauerhaften
von Anwendungsfeldern scheint dies eher vor-
lackierung über der Obergrenze der vom VDI
pelt strukturierte Oberfläche erreicht. Für die
wurde von den befragten Nanotechnik-Experten
selbstheilenden
sichtig beurteilt.)
in 2004 angegebenen Spanne.
technische Nachbildung heißt dies, die mikro-
von allen Anwendungen am pessimistischsten
superhydrophoben
skalige Noppenstruktur der Decklackoberfläche
eingeschätzt. Ein Drittel der Experten ist der
Beschichtung stößt
AUSBLICK
AUSBLICK
DER LOTUSEFFEKT
AUSBLICK
48
Laut der Studie „Forschungsagenda Oberflä-
schätzung der Experten, dass die Realisierung
che“ der Deutschen Forschungsgesellschaft für
Generell sind die meisten Außenanwendungen,
muss dauerhaft erhalten bleiben und den Wit-
Meinung, dass solche Beschichtungen auf Chrom,
auf erhebliche
Oberflächenbehandlung (DFO), stehen bei
die regelmäßig von Regen getroffen werden, der
terungseinflüssen und der mechanischen Bean-
Edelstahl und als Antihaftmittel für Lackover-
technologische
den befragten Unternehmen und Forschungs-
für den Selbstreinigungseffekt benötigt wird, po-
spruchung bei aktiven Reinigungsvorgängen
spray nicht realisierbar seien. Am ehesten wird
Herausforderungen.
einrichtungen selbstreinigende Oberflächen-
tenzielle Anwendungsfelder. Darunter Atrien,
standhalten. Dies wird dauerhaft nur zu gewähr-
die Realisierung auf Glas gesehen. Fast 80 % aller
eigenschaften an erster Stelle der Entwick-
Wintergärten, Fenster, Fassaden, Dächer und
leisten sein, wenn die Deckschicht als weitere
Experten halten hier einen erfolgreichen Ab-
lungsziele (DFO 2006 S 86).
Photovoltaikanlagen. Wo Regen nicht hinkommt,
Funktionalität hohe Kratzfestigkeit aufweist. Auch
schluss der Entwicklung bis 2015 für möglich.
könnte durch sanftes Abspritzen mit reinem Was-
das Wachs selbst, das die eigentliche Grenz-
49
Korrosionsschutz
KORROSIONSSCHUTZ
Der Korrosionsschutz von Metallen ist von immenser Bedeutung für die Volkswirtschaft. Effektiver Korrosionsschutz erhält die Gebrauchstauglichkeit von Gütern und verhindert den
Wertverlust vor dem Ablauf ihrer Nutzungsdauer,
z. B. von Autos und anderen Fahrzeugen, Maschinen, Geräten und Brücken. Die mengenmäßig
wichtigste Korrosionsschutztechnik ist die Lackierung. Dabei kommt dem Lack oft auch die
Funktion zu, das optische Erscheinungsbild des
Produkts zu verbessern. Besonders ausgeprägt
ist diese Doppelfunktion bei Automobilen. Gerade
bei diesem Produkt werden höchste Anforderungen an die Optik der Lackierung gestellt.
hohe Ansprüche an den Korrosionsschutz, wie
Chrom(VI)-Verbindungen sind kritisch, weil sie
im Automobilbau, die Zinkphosphatierung zum
äußerst toxisch, mutagen und kanzerogen wirken.
Einsatz. Durch eine chemische Beizreaktion mit
Das Chrom(VI)-Oxid CrO3, das teilweise zum
Phosphorsäure wird eine Phosphatschicht aufge-
Passivieren bei der Zinkphosphatierung einge-
baut, welche die metallische Oberfläche vollstän-
setzt wird (Volk 2004), ist von der DFG als krebs-
dig bedeckt und mit dieser innig verzahnt ist.
erzeugender Arbeitsstoff der Kategorie 2 einge-
Die nicht in die Phosphatschicht aufgenomme-
stuft. Nickelmetall und Nickelverbindungen finden
nen Reaktionsprodukte bilden einen schwerme-
sich sogar in Kategorie 1 der krebserzeugenden
tallhaltigen Schlamm, der abgezogen und ent-
Arbeitsstoffe, das heißt, sie lösen beim Menschen
Die bisherigen
sorgt wird. Die Qualität der Phosphatschicht kann
nachweislich Krebs aus (DFG 2006).
Verfahren zur Er-
durch eine anschließende Passivierung verbes-
Eine dauerhafte, Wert erhaltende Metalllackierung
Auf die so vorbehandelte Metalloberfläche wird
zeugung der Kon-
ist technisch nur durch eine Vorbehandlung der
das Decklacksystem aufgetragen, das selbst aus
versionsschicht
Metalloberfläche realisierbar. Sie erfolgt in meh-
mehreren Schichten bestehen kann, z.B. dem
zum Korrosions-
Nach dem Spülen der passivierten Phosphat-
SCHUTZ
reren Schritten. Zunächst wird die Oberfläche von
Elektrotauchlack, dem Füllerlack, dem farbge-
schutz verursachen
schicht mit vollentsalztem Wasser und der Trock-
Als Alternative zur konventionellen Phospha-
Ziehölen, Kühlschmiermittelresten, Korrosions-
benden Lack und dem äußeren Klarlack.
deutlich negative
nung im Ofen bei 110 °C ist die vorbehandelte
tierung hat die Henkel KGaA Ende 2003 eine
Umwelteffekte.
Metalloberfläche bereit für die Aufbringung des
nanokeramische Konversionsbeschichtung auf
Decklacksystems.
den amerikanischen Markt gebracht, die in der
schutzölen oder anderen Fett-, Öl- und Schmutz-
50
Die Aufgabe der so genannten Konversionsschicht ist es, eine gute Haftung des Lacks mit dem metallischen Untergrund
herzustellen und eine Unterrostung des Decklacks zu verhindern.
sert werden.
NANOTECHNOLOGIE UND KORROSIONS-
resten gereinigt. Darauf wird eine so genannte
Für den Korrosionsschutz und die Dauerhaftig-
Konversionsschicht aufgebracht. Ihre Aufgabe ist
keit der Lackierung trägt die Konversionsschicht
es, eine gute Haftung des Lacks mit dem metal-
höchste Bedeutung. Das konventionelle Standard-
Die bisherigen Verfahren zur Erzeugung der Kon-
„Bonderite NT“ vertrieben wird. Bonderite NT
lischen Untergrund herzustellen und eine Unter-
verfahren ihrer Herstellung ist die Phosphatierung.
versionsschicht zum Korrosionsschutz verursachen
wird durch konventionelle Tauch- oder Spritz-
rostung des Decklacks zu verhindern.
Dabei kommt die Eisenphosphatierung und für
deutlich negative Umwelteffekte. Insbesondere
verfahren appliziert. Weltweit wurde diese Tech-
Zwischenzeit auch in Europa unter dem Namen
51
Korrosionsschutz
Für den Korrosionsschutz und die Dauerhaftigkeit der Lackierung trägt die Konversionsschicht höchste Bedeutung.
nologie nach Angaben des Unternehmens Mitte
nellen Phosphatierung von 40–60 °C auf 30 °C
2006 in 100 Anlagen genutzt, 50 davon in Europa
abgesenkt. Nach Angaben von Henkel übertref-
(Schönherr 2006). Die Beschichtung besteht aus
fen der Korrosionsschutz und die Lackhaftung die
titan- und zirkonhaltigen Metalloxiden und
mit der Eisenphosphatierung erreichbaren Werte.
komplexen Fluoriden. Die genaue Zusammen-
Sie erreichen allerdings (noch) nicht die Qualität
setzung wird als Betriebsgeheimnis nicht kom-
der Zinkphosphatierung, wie sie im Automobil-
muniziert.
bau gefordert wird und dort wesentlich höhere
KORROSIONSSCHUTZ
technologie wurde für kalt gewalzten Stahl, galva-
frei von kritischen Schwermetallen wie Chrom
nisierten Stahl, Zink, Aluminium und Magnesium
und Nickel und enthält keine eutrophierenden
erprobt. Bisher jedoch nicht für andere Metalle,
Phosphorverbindungen und keine sauerstoff-
wie Kupfer und Messing (Henkel 2006). Die Vor-
zehrenden organischen Stoffe (CSB). Mit Bonde-
behandlungstechnologie ist für die Nass- und
rite NT wird im Tauch- oder Spritzverfahren
Pulverlackierung geeignet.
eine 20–30 nm dünne nanokeramische Konver-
KONVENTIONELLE
E I S E N P H O S P H AT I E R U N G
Alkalische
Reinigung
Alkalische
Reinigung
Alkalische
Reinigung
Spülung
Spülung
Spülung
Konversionsbeschichtung
Eisenphosphatierung
bei 30 °C, 45 Sek.
bei 45 °C, 120 Sek.
VE-Spülung
VE-Spülung
Eingesparte Zeit
von 40 Sekunden
bei 15 °C weniger
Passivierung
Schichtdicken ausbildet. Die VorbehandlungsDie keramische Beschichtung ist vollkommen
BONDERITE NT
VE-Spülung
Abbildung 9: AFMAufnahme der Konversionsschichten
der Eisenphosphatierung (Henkel
2005)
Tr o c k n u n g i m O f e n
bei 110 °C, 10 Min.
Tr o c k n u n g i m O f e n
bei 110 °C, 10 Min.
Lackierung
Lackierung
Abbildung 10:
Prozessführung zur
Erzeugung einer
Konversionsbeschichtung bei
Raumtemperatur
(links Bonderite
NT, rechts konventionelles Verfahren)
(Quelle: Henkel
2005)
sionsschicht aufgebaut. Eine anschließende Passivierung entfällt, wodurch sich kürzere Taktzeiten
Kürzere Taktzeiten,
und damit ein höherer Anlagendurchsatz reali-
Abbildung 9 zeigt Aufnahmen der Feinstruktur
Die Abbildung 10 gibt die Prozessführung der
beiden konkurrierenden Verfahren wieder.
geringere
sieren lassen. Das nanokeramische Produkt kann
der Konversionsschicht von Bonderite NT und
Badtemperaturen
auf konventionellen Phosphatierungsanlagen
der Eisenphosphatierung im Rasterkraftmikroskop
und kein CSB.
eingesetzt werden. Die Anlagensteuerung ist den
(AFM10). Die feinere Struktur der Bonderite-NT-
geänderten Verfahrensparameter anzupassen. Die
Schicht führt nach Angaben des Herstellers zu
Badtemperatur wird gegenüber der konventio-
einer besseren Lackhaftung.
52
53
Korrosionsschutz
Zunächst zielt die Technologie mit ihren Konversionsbeschichtungen auf Massenmärkte wie große Haushaltsgeräte, elektrische und elektronische Geräte, Büromöbel und Landmaschinen.
N
A
C
H
T
E
I
L
E
V O RT E I L E
V O RT E I L E
Der zentrale umwelttechnische Vorteil liegt
also zugleich betriebswirtschaftlich interessant. Es
von 8 Mio. m 2 pro Jahr auf 35.000 € jährlich
Die nanokeramische Konversionsbeschichtung ist
jedoch in der Vermeidung von kritischen
wäre zu prüfen, ob es sich bei der nanoskaligen
(Henkel 2006). Wie erwähnt, können bestehen-
ein Paradebeispiel für die umweltschonende Ver-
Schwermetallen: Die Bonderite-NT-Beschich-
Konversionsbeschichtung im Sinne der IPPC um
de Anlagen zur Eisenphosphatierung umrüsten,
besserung von Prozessen durch die Nanotechnik.
tung ist frei von Chrom und Nickel, die sich
die Best Available Technology (BAT) für Kon-
die Investitionskosten sind entsprechend gering.
Die Beiträge der neuen Beschichtungstechnologie
bei der konventionellen Phosphatierung im
versionsbeschichtungen mit Qualitätsanforderun-
Da die Qualität der Konversionsbeschichtung für
zur Nachhaltigkeit und zum Umweltschutz sind
Bad und in den zu entsorgenden Schlämmen
gen handelt, die mit einer Eisenphosphatierung
den Massenmarkt der Automobilserienlackierung
vielfältig und signifikant.
finden.
erfüllbar sind.
noch nicht ausreicht, zielt die Technologie zu-
Material und Rohstoffeinsparung: Während
Nach Umstellung auf die nanokeramische
nächst auf andere Massenmärkte wie große Haus-
die Eisenphosphatierung einen Materialver-
Konversionsbeschichtung entfallen die ge-
haltsgeräte, elektrische und elektronische Geräte,
und die Zink-
fährlichen Einträge von Schwermetallen in
EINE TECHNOLOGIE AUF DEM SPRUNG IN
Büromöbel und Landmaschinen. Henkel geht
phosphatierung über 2.000 mg / m2 aufweist
den ökosystemaren Kreislauf. Zugleich ist die
DEN MARKT
davon aus, dass es durch die Weiterentwicklung
(Volk 2004), kommt die nanokeramische Be-
anfallende und zu entsorgende Schlamm-
Die höheren Chemikalienkosten des nanokerami-
der nanokeramischen Konversionsbeschichtung
schichtung mit 50–200 mg /m2 aus. Dies bei
menge deutlich geringer.
schen Produkts Bonderite NT gegenüber einem
gelingen wird, mit der Technologie die Qualität
gleicher oder sogar verbesserter Qualität einer
Durch die Absenkung der Badtemperatur auf
Eisenphosphatierung.
Raumtemperatur entfällt der Energieaufwand
Der Einsparung von Rohstoffen kommt ange-
für die Badheizung.
V O RT E I L E
V O RT E I L E
KORROSIONSSCHUTZ
brauch von 300–800
54
mg /m2
sichts steigender Rohstoffpreise und der mit
Eisenphosphatprodukt werden durch Einsparun-
der Zinkphosphatierung zu erreichen. Damit wür-
Geringere
gen bei der Badheizung, bei der Reinigung und
de das gesamte Marktpotenzial der Phosphatie-
Systemkosten
Wartung, der Schlammentsorgung und den Kos-
rung erschlossen, das von Experten weltweit auf
sprechen für die
ten für die Abwasserbehandlung kompensiert.
500 Mio. € geschätzt wird (Heitbaum 2002).
Nano-Lösung.
Nach Angaben von Henkel sind die Prozess-
ihrer Ausbeutung und Verarbeitung verbun-
Aus umwelttechnischer Sicht ist die Umstellung
denen Umweltlasten große Bedeutung zu.
auf die nanoskalige Konversionsbeschichtung
kosten der nanokeramischen Konversionsbe-
Die Korrosionsschutzschicht Bonderite NT wird
Die rasch wachsende Weltwirtschaft, die gegen-
dort, wo dies die Qualitätsanforderungen an den
schichtung um 10 % günstiger als die Eisen-
bereits von einigen Unternehmen eingesetzt.
wärtig insbesondere von China, künftig aber
Korrosionsschutz erlauben, wünschenswert. Nach
phosphatierung. In einem konkreten betriebli-
mehr und mehr auch von anderen BRICS-
den Angaben des Anbieters ist mit der Einfüh-
chen Beispiel summierten sich die eingespar-
Ländern getragen werden dürfte, wird die
rung der Technologie eine Rationalisierung und
ten Betriebskosten bei der Umstellung einer
Rohstoffnachfrage weiter steigern.
Kostensenkung verbunden, eine Umstellung
5-Zonen-Eisenposphatierung mit einer Kapazität
55
Modernste Technik
für alternative Energien –
Farbstoffsolarzellen
FA R B S T O F F S O L A R Z E L L E N
Ein Blick auf die stetig steigenden Benzin- und Gaspreise macht deutlich: Regenerative Quellen werden immer wichtiger, um unseren Energiebedarf
zu decken. Seit Jahrzehnten liefert das Sonnenlicht über Photovoltaik-Anlagen sichere, saubere
Energie. Ziel muss sein, diese Energiequelle noch
effizienter zu nutzen, die Wirkungsgrade der Solaranlagen zu verbessern. Mit Nanotechnologie geht
eine ganz neue Generation von Solarzellen an den
Start: Farbstoffsolarzellen und organische Solarzellen.
Die Farbstoffsolarzelle dient der Umwandlung von Lichtenergie in elektrische Energie. Die elektrochemische Farbstoffsolarzelle verwendet
zur Absorption von Licht nicht ein Halbleitermaterial, sondern organische Farbstoffe, zum Beispiel den Blattfarbstoff Chlorophyll.
Baden-
Noch sind Farbstoffsolarzellen hauptsächlich ein
TECHNISCHE GRUNDLAGEN
Württemberg ist
Kind der Forschung. Doch neue Produktionsver-
Farbstoffsolarzellen sind elektrochemische Dünn-
Die hochporöse
wissenschaftlich
fahren wie das Siebdruckverfahren zur Herstellung
schichtsolarzellen. Sie bestehen aus zwei aufein-
trode weist eine sehr große Oberfläche
gesehen mit
der Farbstoffsolarzelle oder der Rolle-zu-Rolle-
ander geklebten Glasplatten, die mit einem
auf, die in der Regel aus
führend in der
Druck bei organischen Solarzellen öffnen neue
Elektrolyt gefüllt sind. An zwei gegenüberliegen-
Solarzellen-
Anwendungsfelder. Die Nanotechnologie ermög-
den Enden befinden sich Elektroden (Anode
technologie.
licht disruptive Technologiesprünge mit großem
und Kathode), die entweder aus einer transpa-
Innovationspotenzial. Der Dreh- und Angelpunkt
renten, leitfähigen Oxidschicht (TCO) oder einer
sind die nanofunktionalisierten Oberflächen-
petenzen für die Erforschung und Entwicklung
`Plus´-Elektrode
Graphit
Ion
von Farbstoff- und Solarzellen sind vorhanden, um
TCO
aus den Forschungsergebnissen Applikationen zu
entwickeln und durch Demonstrationsprojekte
`Minus´-Elektrode
die Technologie sichtbar werden zu lassen sowie
deren Funktionsfähigkeit zu demonstrieren.
56
eine Schicht aus organischem
UV-Licht
Titandioxid
Farbstoff
Farbstoff
(in der Regel auf der Basis von Ruthenium)
Abbildung 11:
Aufbau einer
Farbstoffsolarzelle
Glas
des Jodid/Trijodid-Redoxsystems) zur Anode
gelangen. Zwischen Anode und Kathode
„fließt“ Strom.
Titandioxid besteht. Auf das Titanoxid ist
porösen Graphitschicht bestehen.
mit führend in der Solarzellentechnologie. Kom-
nanoskaligem
adsorbiert.
beschichtungen.
Baden-Württemberg ist wissenschaftlich gesehen
nanokristalline Elek-
Die Gegenelektrode ist auf der Innenseite meist
Eine Solarzelle
mit einer dünnen Schicht aus Platin versehen,
im Sandwich mit
das einerseits den kathodischen Elektronen-
TiO 2 , Elektrolyt
transfer katalysiert, andererseits gleichzeitig als
und Farbstoff.
Rückseitenreflektor für das transmittierte Licht
Trifft Sonnenlicht auf die Zelle, absorbieren die
dient.
Farbstoffmoleküle Energie. Die Elektronen gehen
in einen angeregten Zustand über. Dabei werden
Beide Elektroden sind auf Substraten
die Elektronen in einem ultraschnellen Prozess
aus
in den nanokristallinen Titandioxid-Halbleiter
bracht.
TCO-beschichtetem Glas aufge-
injiziert und wandern zur Kathode. Die gewanElektronen
(Strom)
derten Ionen hinterlassen positiv geladene Farb-
Über die TCO-Schicht und die mit ihr verbunde-
stoff-Ionen, die nun ihrerseits wandern und durch
nen Kontakte wird die Zelle mit einem externen
einen Elektrolyten (zurzeit meist auf der Basis
Verbraucher verbunden.
57
Modernste Technik für alternative Energien –
Die Vorzüge von Farbstoffsolarzellen können in den prinzipiell niedrigen Herstellungskosten und in der geringen Umweltbelastung bei der Herstellung liegen. Die Zellen können diffuses Licht im Vergleich zu den herkömmlichen Solarzellen gut
nutzen. Im Labor konnten Zellen bis 11,2 % Wirkungsgrad (zertifiziert) auf einer Fläche von 1 cm 2 hergestellt werden.
Pre-treatment
of glass
Structuring TCO
Screen printing
Sintering
Drilling holes
Drying
Glass fusing
Wa s h i n g t h e
glass
Coloration &
electrolyte filling
Ti O 2
Final sealing
(holes)
ZrO2
Paste
production
Pt
Ag
Electrical
contact
Glass frit
Abbildung 12:
Herstellung von
Farbstoffsolarzellen-Modulen
mit GlaslotVersiegelung
am Fraunhofer
ISE (Quelle:
Fraunhofer ISE)
miteinander verschmolzen. Ganz am Schluss
Der Ruthenium-Farbstoff fällt als Nebenprodukt
werden der Farbstoff und die Elektrolytflüssig-
der Platingewinnung an und ist ein wichtiger
keit eingefüllt. Die Farbstoff- bzw. Elektrolyt-
Bestandteil von Farbstoffsolarzellen. Für die Her-
lösung wird mit hohem Druck über pneumati-
stellung der Farbstoffsolarzellen wird ca. 0,1 g/m2
sche Kartuschen in die Module injiziert. Dieser
Ruthenium benötigt. Die Jahresweltproduktion
Prozess dauert zurzeit etwa 2 Stunden, kann
beträgt zurzeit rd. 24 t.
jedoch als modularer Batchprozess leicht parallelisiert werden.
H E R S T E L L U N G S V E R FA H R E N
der TCO-Schicht, das Bohren der Befüllöffnungen
vorkommen), würde es ausschließlich für die Her-
Die Herstellung von organischen Farbstoffsolar-
und das Waschen des Glases.
stellung von Farbstoffsolarzellen eingesetzt, für
zellen ist im Gegensatz zu der von anorganischen
58
So reicht prinzipiell das vorhandene Ru (Gesamt-
E I N G E S E T Z T E M AT E R I A L I E N
eine Gesamtleistung von 4800 bis 5700 GW-Peak.
Die Verfügbarkeit und die Verarbeitbarkeit von
Glaslot ist ein geeignetes Material zur Versiege-
schichten werden mit dem Siebdruckverfahren
Materialien entscheidet nicht zuletzt darüber, ob
lung der Zellen. Aufgrund der hohen thermischen,
einzeln auf die jeweiligen Glassubstrate aufge-
aus einer Idee ein marktfähiges Produkt wird.
mechanischen und chemischen Stabilität hält es
einfaches Siebdruckverfahren aufgetragen. Am
tragen. Nach jedem Siebdruckschritt wird die
Die wichtigsten Materialien zur Herstellung von
den hohen Anforderungen einer dauerhaft sta-
Schluss werden Farbe und Elektrolytflüssigkeit
Schicht in einem Durchlaufofen für etwa 10 Min.
Farbstoffsolarzellen sind:
bilen Versiegelung stand.
eingefüllt. Das Flussdiagramm in Abbildung 12
bei 150 °C getrocknet. Nach dem Trocknen er-
der Farbstoff Ruthenium (Ru),
Darüber hinaus kann es kostengünstig mittels
gibt eine Übersicht über die Herstellungsschritte
folgt das Sintern aller Schichten für 10 Minuten
Glaslot,
Siebdruck aufgebracht werden. Die Elektrode der
von Farbstoffsolarzellen-Modulen am Fraunhofer
bei rund 600 °C. Vorder- und Rückelektrode
Platin und
Farbstoffsolarzelle wird aus dem Weißpigment
ISE. Die Vorbehandlung der Glassubstrate um-
werden aufeinander ausgerichtet und bei Tem-
Titandioxid TiO2.
Titandioxid TiO2 hergestellt. Die jährliche Pro-
fasst die Laser- oder mechanische Strukturierung
peraturen um 600 °C unter Standardatmosphäre
Eine Solarzelle
Solarzellen billig und einfach. Nach einer Vor-
Die TiO2-, ZrO2-, Platin-, Silber- und Glaslot-
behandlung des Glases werden die einzelnen
Schichten (z.B. TiO2, Silber, Glaslot) durch ein
ohne Silizium.
duktion beträgt ca. 2,5 Mio. t.
59
Modernste Technik für alternative Energien –
N
U
T
Z
E
N
VISION
NACHTEILE
NUTZEN DER NANOTECHNOLOGIE
N
U
T
Z
E
N
VISION
VISION
Derzeit hohe Verarbeitungstemperatur: der
Verbesserter Ressourcenschutz durch Minia-
Verringerung der Menge an notwendigen
organischen Farbstoffen solare Wirkungsgrade
Farbstoff kann bei dieser Versiegelungs-
turisierung: Verringerung von Schichtdicken
Edelmetallen bzw. deren Ersatz.
bis 6 % erreicht.
technologie erst nach dem Verschmelzen des
und Materialbedarf.
Senkung des Ruthenium-Anteils durch Ent-
Der Bedarf an katalytischem Platin auf der
Glases in das Modul injiziert werden.
Erhöhung der Ressourceneffizienz durch ge-
wicklung stärker lichtabsorbierender organi-
Gegenelektrode in den Farbstoffsolarzellen liegt
Derzeit hohe Kosten für die Herstellung von
zielte Reaktionsführung mit Nanokatalysato-
scher Liganden im metallorganischen Farb-
ren: längere Lebensdauer der Solarzellen.
komplex.
Erhöhung der Wirkungsgrade und der Effizienz
Ersatz des Rutheniums durch die Entwick-
bei der Erzeugung von Energie aus regenera-
lung von rein organischen Farbstoffen.
tiven Quellen.
Reduktion des Platins durch die Aktivierung
Ersatz bedenklicher durch unbedenkliche
auf metalloxidischen Nanopartikeln oder durch
Materialien.
die Verwendung von metalloxidischen Kataly-
bei (0,05 bis 0,1
g/m2),
Begrenzungen durch
die natürliche Verfügbarkeit von Platin sind
nicht zu erwarten.
Trotz der geringen Häufigkeit von Ruthenium
ist die Menge an benötigtem Farbstoff (0,05
bis 0,1 g/m2) kein begrenzender Faktor. Eine
Ruthenium-Knappheit ist nicht zu erwarten.
Eine Untersuchung der Kanzerogenität des
Ruthenium-Farbstoff im AMES-Test blieb
negativ (vgl. de Vries et al. 2000).
Titandioxid TiO2 ist ein sehr häufiges Element, das lichtbeständig sowie ungiftig ist
und eine hohe Deckkraft besitzt.
TiO2.
TZEN
N U TNZU E
N
Bisher wurden für Farbstoffsolarzellen mit rein
N ANCAHC HTTEE II LLEE
60
V O RT E I L E
V O RT E I L E
V O RT E I L E
VNOA CRT
H TE
E IILL
EE
satorschichten.
Entwicklung transparenter Nanobeschichtungen mit Selbstreinigungseffekt, für Solarzellen eine bessere Energieausbeute.
VI SI S
V
I OINO N
VNOA CRT
H TE
E IILL
EE
Entwicklung von Dünnschichtsolarzellen, bei
denen ein siliziumhaltiges Gas auf kostengünstige Trägermaterialien abgeschieden wird.
61
Umweltaspekte der
Nanotechnologie –
Expertenmeinungen
Zwischen Mitte September und Mitte Oktober
2006 wurden 200 Nanotechnologie-Experten
schriftlich befragt. Der Rücklauf betrug 25 % der
Fragebogen, von denen ca. 20 % verwertbar waren.
Die Fragen an die Experten wurden als Thesen
über zukünftige Entwicklungen formuliert. Als Ziel
der Befragung galt es, eine Einschätzung der
Realisierungschancen bestimmter Oberflächenfunktionalisierungen mit umweltfreundlichen
Eigenschaften zu bekommen.
Z E I TA U F WA N D
Ca. 20 Minuten.
F U E - A U F WA N D
Hoch, wenn der Aufwand bis zur fertigungs-
Die Experten sollten den Realisierungszeitraum,
beschichtung von Edelstahlrohren/-behältern,
den FuE-Aufwand, das Marktpotenzial, das Tech-
superhydrophobe Beschichtung von Kabinen
nologiepotenzial, Umwelt- und Nachhaltigkeits-
und Werkstückträgern: nanotechnische Anwen-
Auswertung erfolgt anonymisiert.
Klein, wenn voraussichtlich weniger als
effekte, die Bedeutung der Lösung und mögliche
dungsentwürfe, die für die Firmen im Indus-
Rückschlüsse auf einzelne Firmen oder Per-
50.000 € benötigt werden (Investitionskosten
Risiken einschätzen. Die Experten erhielten in
triebeirat des Projekts interessant sind.
sonen sind ausgeschlossen.
für Fertigung nicht enthalten).
reifen Umsetzung der These auf mehr als
D AT E N S C H U T Z
500.000 € geschätzt wird.
einem weiteren Feld die Möglichkeit, beispiels-
weise die Gültigkeit der Antwort zu präzisieren.
Die Anwendungsentwürfe haben das Potenzial,
MARKTPOTENZIAL
Produkte funktions- und umwelttechnisch zu ver-
Thesen zur nanotechnischen Erzeugung be-
Hoch, wenn der insgesamt weltweit erzielbare
In den Fragebogen wurden 12 Thesen aufgenom-
bessern oder können zu neuen umweltfreundli-
stimmter Oberflächenfunktionen.
Umsatz mit allen Produkten, die durch die
men – Kratzfestigkeit von dreidimensionalen PE-
chen Produkten im Angebotsportfolio führen. Die
Wenn von einer dauerhaften Beibehaltung der
Realisierung der betreffenden These verbes-
und PP-Kunststoffgehäusen, Anti-Fingerprint von
Fachkenntnis des Experten wurde für jede einzel-
Oberflächenfunktion gesprochen wird, ist ein
sert werden können, auf über 500 Mio. €
Sanitär-Armaturen, Anti-Fingerprint nachträglich
ne These abgefragt. Es bestand die Möglichkeit
Zeitraum von mindestens 10 Jahren gemeint.
geschätzt wird.
aufgetragen, Diffusionssperre als Beschichtungen
zwischen „großer“, „mittlerer“, „geringer“ und
für wasserführende Metallbauteile, Antistatik-
„keiner“ Fachkenntnis zu unterscheiden. Bei
Beschichtungen für Kunststofffolien, antimi-
fehlender Fachkenntnis sollten einzelne Fragen
Eigene Beurteilung der individuellen Fach-
krobielle Beschichtungen in lebensmittelver-
übersprungen werden.
kenntnis für die spezielle These.
Ausmaß der Fachkenntnis, wenn aktiv arbei-
(Umfang der Übertragbarkeit der Lösung auf ver-
tend auf diesem Gebiet.
schiedene Anwendungen)
arbeitenden Betrieben, antimikrobielle Innen-
62
DIE THESEN
beschichtungen für Schmutzwasserbehälter,
D E R F R A G E N K ATA L O G
photokatalytische Innenbeschichtungen keim-
ZIEL DER BEFRAGUNG
Klein, wenn auf weniger als 50 Mio. € geFA C H K E N N T N I S
schätzt wird.
Groß, wenn auf Anhieb eine Vielzahl von
freier Verpackung, superhydrophobe Beschich-
Einschätzung der Realisierungschancen be-
tung von Glas, superhydrophobe Beschichtung
stimmter Oberflächenfunktionalisierungen
Zeitraum, der für die Realisierung der These,
Keine Übertragbarkeit heißt, die Lösung bleibt
von Chrombauteilen, superhydrophobe Innen-
mit umweltfreundlichen Eigenschaften
so wie formuliert, am wahrscheinlichsten ist.
auf eine einzige Anwendung beschränkt.
REALISIERUNGSZEITRAUM
Anwendungen erkennbar sind.
63
Umweltaspekte der Nanotechnologie –
Expertenmeinungen
Anwendung
Umwelteffekte
Bedeutung der
Lösung für …
2006–2010
Rohstoffeffizienz
Wirtschaft
Bereits
realisiert
Unspezifisch
Wirtschaft
Gesundheitsschutz
Gesellschaft
Rohstoffeffizienz
Technologie
ANTIMIKROBIELLE Be2006 – 2010
schichtungen in lebensmittelverarbeitenden Betrieben
(Großküchen, Schlachterei)
zur Verhinderung der Besiedlung mit MO
Gesundheitsschutz
Gesellschaft
ANTIMIKROBIELLE Innenbe- 2006 – 2010
schichtungen für Schmutzwasserbehälter zur Verhinderung der Besiedlung mit
MO und der Bildung von
Biofilmen
Gesundheitsschutz
Wirtschaft
PHOTOKATALYTISCHE
2006 – 2010
Innenbeschichtungen
keimfreier Verpackung von
medizinischen Instrumenten
und Medikamenten in PEund PP-Schalen
Gesundheitsschutz
Gesellschaft
SUPERHYDROPHOBE
2011 – 2015
Beschichtung von Glas
durch Wachsreservoirtechnik
Abfallvermeidung
Technologie
SUPERHYDROPHOBE
Beschichtung von Chrombauteilen durch Wachsreservoirtechnik
Abfallvermeidung
Technologie
Rohstoffeffizienz
Technologie
Abfallvermeidung
Wirtschaft
KRATZFESTIGKEIT von
dreidimensionalen PEund PP-Kunststoffgehäusen
ANTI-FINGERPRINT von
Sanitär-Armaturen
(gebürstetem / poliertem
Edelstahl, Chrom etc.)
Aufwand
DIFFUSIONSSPERRE als
2006 – 2010
Beschichtungen für wasserführende Metallbauteile zur
Reduktion von Ni-/Pb-Auswaschung
ANTISTATIK-Beschichtungen für Kunststofffolien
U M W E LT- U N D N A C H H A LT I G K E I T S E F F E K T E
RISIKEN
Abschätzung, ob die Lösung neben der Pro-
Möglichkeit zum Hinweis auf Risiken, die
duktverbesserung auch zu einer Verbesserung
mit der Realisierung der These verbunden
der Energieeffizienz, der Verbesserung der
sein können.
nichtenergetischen Nutzungseffizienz von
Rohstoffen, zur Minderung von Emissionen
K O M M E N TA R
in die Luft und die Gewässer, zur Abfallver-
Nennen einer besseren technischen Lösung
meidung oder zum Gesundheitsschutz von
Hinweis auf Einschränkungen der Antwort
Beschäftigten oder Verbrauchern beiträgt.
Spezifizierung des Wirkstoffs für die Realisie-
Berücksichtigung indirekter Effekte, zum Bei-
rung der Funktion, auf den sich die Antwort
spiel vermiedener Verbrauch von Reinigungs-
bezieht (z.B. ZnO bei antimikrobiellen Be-
mitteln durch eine hydrophobe Beschichtung
schichtungen).
oder die Verlängerung der Nutzungsdauer eines
Produkts.
E R G E B N I S D E R E X P E RT E N B E F R A G U N G
Auf den folgenden Seiten werden die Ergebnisse
BEDEUTUNG DER LÖSUNG
64
der Auswertung wiedergegeben. Zu jeder These
Bedeutung der Lösung für die Wissenschaft
werden 2 Antwortzeilen angeboten. Die obere
(Forschung), die Technologie (technische Ent-
Zeile enthält die Auswertung aller auf die Frage
wicklung), die Wirtschaft (Umsatz, Gewinn
Antwortenden mit Fachkenntnis, die untere Zeile
und Wettbewerbsfähigkeit) und die Gesell-
die Einschätzung der Personen mit großer Fach-
schaft (drängende gesellschaftliche Probleme).
kenntnis.
2006–2010
2011 – 2015
SUPERHYDROPHOBE
2011 – 2015
Innenbeschichtung (Wachsreservortechnik) von Edelstahlrohren/-behältern in
ind. Abfüllanlagen für
Kosmetika/Medizin
SUPERHYDROPHOBE
Beschichtung von Kabinen
und Werkstückträgern beim
Spritzlackieren mit Wachsreservoirtechnik
2011 – 2015
potenzial
Ta b e l l e 7 :
Ergebnisübersicht
der schriftlichen
Expertenbefragung
Auf den folgenden
Seiten ist der
Fragebogen samt
Auswertung der
Fragen dargestellt.
Jede Doppelseite
ergibt eine zusammengesetzte
Ta b e l l e m i t d e n
Thesen in den
Zeilen.
65
EINE ANGABE
keine
andere
75 %
67 %
84 %
49 %
60 %
78 %
3%
Gesellschaft
0%
0%
0%
0%
0%
0%
0%
0%
0%
0%
0%
Umwelt
Sicherheit
0%
0%
3%
3%
0%
0%
6%
Gesundheit
19 %
5%
0%
11 %
22 %
20 %
0%
32 %
20 %
22 %
33 %
keine
0%
5%
14 %
0%
0%
0%
Wirtschaft
Gesellschaft
31 %
33 %
30 %
32 %
40 %
11 %
83 %
Technologie
50 %
70 %
83 %
38 %
60 %
44 %
30 %
40 %
80 %
89 %
50 %
keine
Wissenschaft
19 %
16 %
19 %
20 %
33 %
50 %
Gesundheitsschutz
6%
22 %
27 %
0%
16 %
38 %
20 %
0%
11 %
20 %
22 %
17 %
Abfallvermeidung
53 %
35 %
27 %
40 %
44 %
83 %
Emissionsminderung
8%
19 %
14 %
20 %
44 %
17 %
Energieeffizienz
6%
8%
3%
27 %
0%
27 %
64 %
KOMMENTARE
RISIKEN
44 %
0%
BEDEUTUNG DER
LÖSUNG FÜR …
11 %
67 %
Rohstoffeffizienz
UMWELT- UND NACHHALTIGKEITSEFFEKTE
40 %
keine Übertragbarkeit
3%
3%
8%
20 %
0%
0%
mittel
6%
gering
47 %
30 %
17 %
49 %
35 %
20 %
22%
41 %
20 %
33 %
33 %
groß
44 %
19 %
16 %
40 %
44 %
50 %
klein
3%
mittel
36 %
5%
17 %
60 %
16 %
0%
0%
51 %
60 %
44 %
17 %
klein
hoch
56 %
50 %
24 %
16 %
40 %
56 %
8%
mittel
58 %
0%
43 %
35 %
40 %
44 %
51%
27 %
60 %
22 %
33 %
nie
hoch
31 %
19 %
11%
0%
33 %
67 %
nach 2020
0%
0%
0%
3%
0%
0%
0%
2016 – 2020
0%
0%
0%
8%
0%
0%
0%
8%
0%
0%
0%
2011– 2015
31 %
33 %
22 %
0%
11%
58 %
0%
11 %
43 %
38 %
44 %
41%
56 %
27 %
40 %
EINE ANGABE
66
33 %
2006 – 2010
FuEMARKTAUFWAND POTENZIAL
33 %
bereits realisiert
60 %
gering
25 %
38 %
43 %
groß
mittel
58 %
38 %
43 %
36
17 %
6
100 %
37
Solche Anti-Fingerprint-Beschichtungen werden
entwickelt, die auch nachträglich aufgebracht oder
erneuert werden können.
24 %
3
9
Für Metalloberflächen werden werkseitig aufzubringende Beschichtungen entwickelt, auf denen keine
Rückstände von Fingerabdrücken entstehen oder von
denen die Rückstände einfach mit einem trockenen
Tuch abgewischt werden können. Dadurch behalten
Oberflächen aus gebürstetem Edelstahl, poliertem
Edelstahl, Chrom oder anderen metallisierten Oberflächen dauerhaft ihr neuwertiges Aussehen.
100 %
2
37
Kratzfeste Beschichtungen für dreidimensionale Polyethylen-(PE-) und Polypropylen-(PP-)Oberflächen werden entwickelt, die zugleich als Sperre gegen die
Haftung von Schmutz auf der Kunststoffoberfläche
wirken. Die Kunststoffoberflächen behalten dadurch
dauerhaft ihr strahlendes, neuwertiges Aussehen,
auch wenn diese als Gerätegehäuse im professionellen Einsatz harten Beanspruchungen ausgesetzt sind.
14 %
1
FACHKENNTNIS
5
ANTI-FINGERPRINT
KRATZFESTIGKEIT
NANOTECHNISCHE ANWENDUNGEN
100 %
THESEN ÜBER
Anzahl der Antworten
Expertenmeinungen
Schmutzabweisend und kratzfest unter
starker Beanspruchung bisher nicht
erreicht.
Befriedigende Lösung technisch nicht
möglich.
Designeffekt ohne wirtschaftlichen Nutzen.
FuE-Aufwand klein, da bereits realisiert.
Falls wie bisher Abrieb, besteht Gesundheitsgefahr durch Stäube.
Dauerhaftigkeit?
Befriedigende Lösung technisch noch
nicht möglich.
Falls wie bisher Abrieb, besteht Gesundheitsgefahr durch Stäube.
Keine dauerhafte Lösung zu erwarten.
MEHRFACHNENNUNG MÖGLICH
67
keine
andere
50 %
49 %
39 %
30 %
22 %
50 %
56 %
50 %
Gesellschaft
4%
0%
0%
0%
3%
3%
0%
0%
6%
0%
0%
3%
0%
0%
0%
0%
Umwelt
Sicherheit
4%
3%
6%
3%
11 %
8%
0%
0%
Gesundheit
38 %
12 %
0%
16 %
25 %
14 %
33 %
0%
39 %
43 %
44 %
33 %
23 %
33 %
33 %
22 %
keine
12 %
0%
0%
3%
11 %
0%
0%
0%
Wirtschaft
Gesellschaft
62 %
22 %
78 %
53 %
44 %
92 %
11 %
75 %
Technologie
42 %
50 %
70 %
75 %
65 %
67 %
78 %
53 %
57 %
67 %
75 %
40 %
22 %
75 %
67 %
100 %
keine
Wissenschaft
19 %
25 %
43 %
31 %
33 %
44 %
33 %
44 %
0%
Gesundheitsschutz
92 %
0%
32 %
19 %
0%
22 %
92 %
3%
0%
77 %
67 %
11 %
92 %
44 %
75 %
Abfallvermeidung
12 %
24 %
44 %
57 %
67 %
58 %
33 %
25 %
Emissionsminderung
23 %
5%
17 %
13 %
11 %
17 %
0%
25 %
Energieeffizienz
Rohstoffeffizienz
4%
23 %
41 %
25 %
16 %
19 %
44 %
22 %
33 %
22 %
33 %
17 %
22 %
33 %
11 %
25 %
4%
5%
0%
0%
0%
0%
0%
0%
mittel
15 %
gering
62 %
5%
0%
43 %
8%
0%
44 %
7%
11 %
8%
73 %
56 %
50 %
44 %
50 %
groß
19 %
46 %
47 %
20 %
33 %
42 %
56 %
50 %
klein
mittel
35 %
12 %
0%
3%
25 %
43 %
0%
44 %
33 %
22 %
7%
47 %
47 %
11 %
17 %
11 %
klein
hoch
42 %
50 %
41 %
56 %
27 %
44 %
83 %
44 %
19 %
mittel
39 %
11 %
0%
43 %
11 %
56 %
42 %
3%
0%
8%
40 %
22 %
33 %
11 %
50 %
nie
hoch
39 %
41 %
47 %
57 %
78 %
58 %
33 %
50 %
nach 2020
4%
0%
0%
7%
0%
0%
7%
0%
0%
0%
2016 – 2020
12 %
0%
10 %
0%
22 %
3%
5%
KOMMENTARE
RISIKEN
6%
19 %
BEDEUTUNG DER
LÖSUNG FÜR …
0%
0%
Deutschland hat höchste Trinkwasserstandards, die eingehalten werden.
Es existieren einige spezielle Lösungen.
Kunststoffrohre verwenden.
Mögliche Beschichtungen führen zu
Kontamination.
Antistatische Effekte lassen sich durch
die Zugabe von Nanopartikeln auch im
Bulk erzielen.
Alternative: leitfähige Polymere.
Bisher keine Lösung bekannt.
Lösungen bald durch antibiotische Peptide
verfügbar. Für Pilze und Algen Silberionen
verfügbar, aber nicht nachträglich applizierbar.
Lösungen exist.: Nanosilber oder Nano-SIbasiertes Spray (Sarastro GmbH).
Keine Erfahrung mit langfristigen Effekten.
Die Kombination von antimikrobieller
Beschichtung bei Schmutzwasserbehältern
(aggressive Reiniger) und 10 Jahren
Lebensdauer ist kaum realistisch.
11 %
29 %
86 %
7%
25 %
36 %
43 %
64 %
7%
50 %
11 %
11 %
7%
0%
36 %
25 %
38 %
75 %
13 %
13 %
25 %
63 %
75 %
0%
25 %
0%
13 %
0%
0%
63 %
0%
0%
7%
11%
13 %
18 %
61 %
38 %
0%
29 %
50 %
EINE ANGABE
0%
43 %
11 %
0%
32 %
50 %
25 %
46 %
11 %
43 %
75 %
13 %
0%
0%
13 %
4%
0%
36 %
38 %
0%
46 %
38 %
0%
14 %
25 %
36 %
36 %
Keine Kommentare vorhanden.
EINE ANGABE
68
0%
0%
0%
2011– 2015
15 %
5v
16 %
28 %
37 %
33 %
25 %
33 %
19 %
50 %
16 %
43 %
22 %
25 %
39 %
8%
3%
37 %
0%
67 %
44 %
25 %
2006 – 2010
25 %
bereits realisiert
44 %
gering
42 %
35 %
33 %
3v
groß
mittel
42 %
41 %
33 %
40 %
26
15 %
4
100 %
37
24 %
9
100 %
36
ANTIMIKROBIELL
PHOTOKATALYTISCH
33 %
Innenbeschichtungen für die keimfreie Verpackung von medizinischen Instrumenten und
Medikamenten in Polyethylen-(PE-) und Polypropylen-(PP-)Schalen werden entwickelt, die es erlauben, die Zahl der Keime auf der Oberfläche
mit Hilfe von UV-Strahlung innerhalb weniger
Sekunden um den Faktor 106 zu vermindern. Mit
UV-Bestrahlung ohne Hilfsbeschichtung erreicht
man heute den Faktor 10 4 .
12
8
100 %
Innenbeschichtungen für Schmutzwasserbehälter werden entwickelt, welche die Besiedlung
mit Mikroorganismen und die Bildung von Biofilmen dauerhaft verhindern. Diese Beschichtung
hat eine Lebensdauer von 10 Jahren und ist
unempfindlich gegenüber Seifen, Shampoos und
Haushaltsreinigern.
30
7
30 %
Für höhere Lebewesen bioverträgliche Beschichtungen werden entwickelt, welche die Besiedlung von Oberflächen mit Mikroorganismen
(bspw. Bakterien, Pilze, Algen) dauerhaft verhindern. Solche Beschichtungen können in lebensmittelverarbeitenden Betrieben, darunter
Großküchen und Schlachtereien, eingesetzt und
auch nachträglich appliziert werden.
9
6
100 %
Beschichtungen werden entwickelt, welche die
elektrostatische Aufladung von Kunststoffen
dauerhaft verhindern. Die Beschichtung ist kratzfest und hochflexibel und kann deshalb auch
auf Kunststofffolien eingesetzt werden.
28
5
29 %
Lebensmittelverträgliche Beschichtungen für
wasserführende Metallbauteile, bspw. aus Messing, werden entwickelt, die dauerhaft das Auswaschen von Schwermetallen wie Nickel und
Blei verhindern. Schwermetallspuren im Trinkwasser, die aus Armaturen, Formstücken und
Rohren stammen, gehören der Vergangenheit
an.
FACHKENNTNIS
8
4
ANTISTATISCH
DIFFUSIONSSPERRE
100 %
THESEN ÜBER
Expertenmeinungen
69
keine
andere
46 %
38 %
48 %
39 %
71 %
57 %
14 %
20 %
0%
Gesellschaft
4%
0%
0%
9%
0%
0%
9%
0%
0%
0%
4%
14 %
29 %
20 %
13 %
Umwelt
Sicherheit
7%
0%
4%
4%
0%
0%
0%
0%
Gesundheit
14 %
32 %
25 %
40 %
25 %
30 %
30 %
20 %
44 %
26 %
17 %
14 %
29 %
13 %
14 %
57 %
keine
14 %
13 %
0%
4%
14 %
0%
20 %
13 %
Wirtschaft
Gesellschaft
36 %
50 %
17 %
22 %
21 %
29 %
14 %
0%
50 %
Technologie
57 %
35 %
50 %
44 %
48 %
60 %
48 %
50 %
71 %
43 %
57 %
KOMMENTARE
RISIKEN
43 %
14 %
20 %
63 %
keine
Wissenschaft
43 %
26 %
35 %
17 %
29 %
57 %
40 %
50 %
Gesundheitsschutz
0%
21 %
22 %
0%
13 %
9%
0%
13 %
0%
29 %
8%
4%
0%
14 %
60 %
38 %
Abfallvermeidung
57 %
30 %
35 %
63 %
43 %
29 %
20 %
63 %
Emissionsminderung
18 %
17 %
9%
25 %
14 %
14 %
20 %
13 %
Energieeffizienz
32 %
Rohstoffeffizienz
32 %
13 %
30 %
22 %
39 %
0%
17 %
46 %
0%
43 %
29 %
0%
38 %
EINE ANGABE
BEDEUTUNG DER
LÖSUNG FÜR …
0%
13 %
4%
13 %
13 %
4%
14 %
14 %
20 %
0%
mittel
4%
gering
50 %
17 %
0%
48 %
4%
20 %
52 %
17 %
29 %
14 %
63 %
57 %
43 %
40 %
63 %
groß
43 %
22 %
30 %
17 %
0%
29 %
20 %
38 %
klein
14 %
mittel
39 %
30 %
38 %
30 %
9%
40 %
57 %
29 %
29 %
38 %
21 %
14 %
43 %
20 %
13 %
klein
hoch
36 %
50 %
26 %
13 %
25 %
43 %
14 %
40 %
4%
mittel
25 %
4%
13 %
35 %
0%
20 %
30 %
13 %
0%
25 %
0%
14 %
14 %
20 %
25 %
nie
hoch
71 %
57 %
57 %
58 %
86 %
71 %
60 %
63 %
nach 2020
4%
0%
13 %
13 %
13 %
29 %
29 %
20 %
7%
2016 – 2020
11 %
0%
9%
0%
13 %
9%
0%
22 %
0%
0%
14 %
21 %
14 %
14 %
0%
36 %
50 %
35 %
35 %
29 %
29 %
29 %
40 %
7%
2011– 2015
36 %
4%
26 %
20 %
20 %
0%
22 %
0%
14 %
8%
29 %
14 %
EINE ANGABE
70
13 %
2006 – 2010
38 %
bereits realisiert
14 %
gering
18 %
35 %
35 %
33 %
groß
mittel
54 %
43 %
28
29 %
8
100 %
23
22 %
5
100 %
23
30 %
35 %
38 %
12 Mit der Wachsreservoirtechnik werden superhydrophobe Beschichtungen von Kabinen und Werkstückträgern beim Spritzlackieren entwickelt.
Die Beschichtung verhindert die Haftung des Lackoversprays und verringert den Reinigungsaufwand erheblich.
7
11 Mit der Wachsreservoirtechnik werden superhydrophobe Innenbeschichtungen von Rohren und Behältern aus Edelstahl in industriellen Abfüllanlagen für
Kosmetika, Medikamente etc. entwickelt, die ihre Funktion über 10 Jahre behalten und sich bei Beschädigungen durch mechanische oder chemische Reinigungsvorgänge neu bilden. Die Beschichtung verringert den
Reinigungsaufwand bspw. bei einem Wechsel des
Fluids erheblich.
100 %
10 Mit der Wachsreservoirtechnik werden superhydrophobe Beschichtungen für Chrom entwickelt,
die ihre Funktion über 10 Jahre behalten und sich
bei Beschädigungen durch mechanische oder chemische Reinigungsvorgänge neu bilden kann. Die
Beschichtung verzögert die Bildung von Kalkablagerungen auf der verchromten Oberfläche
erheblich.
24
Superhydrophobe Glasbeschichtungen werden
entwickelt, die ihre Funktion über 10 Jahre behalten und sich bei Beschädigungen durch mechanische oder chemische Reinigungsvorgänge neu
bilden. Dies gelingt durch die Einbettung von
Wachs in die Schichtmatrix, das an die Oberfläche
diffundiert und dort eine hydrophobisierende
Struktur ausbildet (Wachsreservoirtechnik).
29 %
SUPERHYDROPHOBE BESCHICHTUNG
9
FACHKENNTNIS
7
100 %
THESEN ÜBER
Expertenmeinungen
Gefahr durch Reinigungsmittel.
Gefahr durch Reinigungsmittel.
Wachsreservoir-Technik auf Chrom
nicht sehr realistisch.
Technik für die gewünschte Funktion
ungeeignet.
Wegen Spuren in Medikamenten wenig
Akzeptanz beim Anwender.
In dieser Anwendung wäre Technik etwas
zu modifizieren durch Verwendung von
niedrigmolekularen Komponenten (hohe
Beweglichkeit) des verwendeten Basiskunststoffs.
Lacke haften per Definition.
Wenig realistisches Ziel.
71
Nanotechnologie und
Umweltschutz –
Ausblick
Das Thema „Chancen der Nanotechnologie für
den Umweltschutz“ gewinnt zunehmend Aufmerksamkeit.
Innerhalb der deutschen „Nano-Initiative – Ak-
ENERGIE
tionsplan 2010“, eines thematischen Zusammen-
Im Energiebereich liegen die Innovationspoten-
schlusses von mittlerweile sieben Bundesminis-
ziale der Nanotechnologie in der effizienten, rege-
Umwelt und Energie
terien zur Nanotechnologie unter Leitung des
nerativen Energieerzeugung und leistungsfähigen
gehören zu den
Bundesministeriums für Bildung und Forschung
Energiespeicherung für mobile Elektronikgeräte.
Leitmotiven der
(BMBF), soll auch ein Branchendialog in dem
Zu den Anwendungsoptionen zählen leistungs-
„Nano-Initiative“.
Bereich Umwelt geführt werden. Diese Bran-
optimierte Solar- und Brennstoffzellen, Wasser-
chendialoge adressieren die wettbewerbsfähige
stoffspeicher sowie Akkumulatoren oder Thermo-
Umsetzung der Erkenntnisse aus den Nanowis-
elektrika zur Energieversorgung u.a. von Laptops,
senschaften und der FuE in der Nanotechnologie
Handys oder MP3-Playern.
Die Potenziale der Nanotechnologie für Umweltschutz und Ressourceneinsparungen sollen auf breiter Ebene
erschlossen werden.
Korrosionsschutzschichten
Nanomembranen zur Trinkwassergewinnung
Optimierte Batterien/Akkus
Preiswerte großflächige Solarzellen
Verschleißschutz für mechanische Bauteile
Abgaskatalysatoren
Verbreitung am Markt
Künstliche Photosynthese
Ressourcenschonende
Produktion durch
Selbstorganisation
Abbildung 13:
Beispiele für
Anwendungsoptionen und
Reifegrad
Photokatalytische Luft- und
Wasserreinigung
Sensorische Umweltüberwachung
Markteintritt
0 – 5 Jahre
Mikrobrennstoffzellen
Prototyp
5 – 10 Jahre
Nanosensor-Netzwerke
Konzept
10 – 15 Jahre
in standortrelevante Produkte. Umwelt und
Energie gehören zu den Leitinnovationen (aus
Abbildung 13 zeigt Beispiele für Anwendungs-
gruppen diskutieren Experten aus Wirtschaft,
dern. Für die Energie- und Ressourceneffizienz
BMBF 2006):
optionen und Reifegrad nanotechnologischer
Wissenschaft, Behörden und Verbänden im
zeichnen sich zahlreiche vielversprechende An-
Entwicklungen für den Bereich Umwelt/Energie
Rahmen des Nano-Dialogs der Bundesregierung
sätze ab:
(BMBF 2006), die bereits am Markt sind, z.B.
die Chancen und Risiken von Nanomaterialien.
Die Potenziale der Nanotechnologie für Umwelt-
Korrosionsschutzschichten oder Verschleißschutz
Die Nanokommission begleitet den Nano-Dialog
transparente Nanobeschichtungen von Solar-
schutz und Ressourceneinsparungen sollen auf
für mechanische Bauteile.
strategisch, erarbeitet Handlungsempfehlungen
zellen mit Selbstreinigungseffekt für eine besse-
und veröffentlicht ihre Ergebnisse. Der Dialog ist
re Energieausbeute oder Dünnschichtsolarzellen,
AUSBLICK
U M W E LT
breiter Ebene erschlossen werden. Ansatzpunkte
72
bieten beispielsweise neuartige Filtersysteme zur
Das Bundesumweltministerium hat zwischen-
zunächst auf zwei Jahre bis Ende 2008 angelegt.
bei denen ein siliziumhaltiges Gas auf kosten-
Abwasserreinigung und Trinkwassergewinnung,
zeitlich eine Nanokommission mit drei Arbeits-
Das BMU sieht in diesem Zusammenhang seine
günstige Trägermaterialien abgeschieden wird,
der Ersatz toxischer Stoffe durch Nanomateria-
gruppen eingerichtet, die Chancen, Risiken und
Aufgabe u.a. darin, die Chancen von Nanotech-
hocheffiziente Nano-Dämmmaterialien, die
lien oder Rohstoffeinsparungen durch miniatu-
den verantwortungsvollen Umgang mit Nanoma-
nologien oder Nanomaterialien für den Umwelt-
große Potenziale für die Altbausanierung ver-
risierte technische Komponenten.
terialien einschätzt (BMU 2007). In den Arbeits-
und Ressourcenschutz zu erkennen und zu för-
sprechen,
73
Nanotechnologie und
Umweltschutz – Ausblick
Durch die Nanotechnologie lässt sich die Besiedlung durch Bakterien und Pilze auf Oberflächen verhindern.
Nanotechnology Application
E s t i m a t e d To t a l A n n u a l
Energy Saving1
Strong, lightweight materials in transportation
6.2
Solid state lighting (such as white light LED’s)
3.5
Self-optimizing motor systems
2.0
Smart roofs (temperature-dependent reflectivity)
1.5
Novel energy-efficient separation membranes
0.8
Energy efficient distillation through supercomputing
0.3
Molecular-level control of industrial catalysis
0.2
Transmission line conductance
0.1
Total
erheblich leistungsfähigere Batterien oder
E I N S PA R U N G V O N E N E R G I E D U R C H
Akkus und nanotechnologische supraleiten-
GEWICHTSREDUKTION ODER DURCH
de Materialien, die Leitungsverluste mindern,
FUNKTIONSOPTIMIERUNG
1 Basierend auf dem US-amerikanischen jährlichen Energieverbrauch von 2004
Schutz von Ressourcen durch neue Werk-
Verbesserung der Wasserqualität – Meer-
V E R M I N D E R U N G D E S E I N S AT Z E S O D E R
dadurch sichtbar, dass im Bereich Umwelt und
stoffe/Materialien, z.B. durch dünnere Schich-
wasserentsalzung.
E R S AT Z D E R V E RW E N D U N G G E F Ä H R L I -
Energie wichtige Schlüsselmärkte liegen, wie die
ten, insgesamt leichtere Materialien, weniger
Einsatz nanotechnikbasierter Leuchtdioden
CHER STOFFE
Roadmap USA 2020 zeigt.
Verarbeitungsvorgänge, Verzicht auf gefährliche
– 3-5fache erhöhte Energieeffizienz.
Nano-Anwendung im Infektionsschutz/
Stoffe,
Effektivere Nutzung regenerativer Ener-
Schädlingsbekämpfung.
In dem STOA-Projekt (Scientific Technological
preiswertere und leistungsfähigere Brenn-
gien – org. Solarzelle, Farbstoffsolarzelle.
Korrosionsschutz durch nanotechnikbasier-
Options Assessment) „The Role of Nanotech-
stoffzellen durch nanotechnologische Verbes-
Siliziumdioxid- und Nanorußpartikel in
te Oberflächen – Chrom-IV-Substitution.
nology in Chemical Substitution“ wird in einer
serungen bei Membranen, Katalysatoren und
Autoreifen – Reduktion Rollwiderstand.
Gezielte Reaktionsführung mit Nanokataly-
Studie das Potenzial der Nanotechnologie für die
Elektroden.
Optimierte Bauteile bei Solar- und Brenn-
satoren – Erhöhung der Ressourceneffizienz.
Substitution von Gefahrenstoffen untersucht. Als
stoffzellen – verlustarme Speicherung.
AUSBLICK
sche Beschichtungen genannt, die z.B. als Ersatz
grundpapier (UBA 2006) Umweltentlastungs-
VERBESSERUNG DER REINIGUNGS-
Die US-amerikanische Environmental Protection
für Antifouling-Anstriche (Tributylzinn) in der
potenziale durch die Nanotechnologie zusam-
L E I S T U N G V O N F I LT E R S Y S T E M E N
Agency (EPA) hat in einem White Paper (EPA
Schiffsindustrie verwendet werden könnten. Das
mengestellt. Diese sind:
„Inverse Nanotechnik“ in Abwasserbehand-
2005) neben möglichen Risiken auch die Umwelt-
Vorhaben ist eines von elf Projekten der Euro-
E I N S PA R U N G V O N R O H S T O F F E N D U R C H
lung – Minderung von Nanopartikeln.
entlastungseffekte durch Nanotechnologie bilan-
pean Technology Assessment Group (ETAG).
M I N I AT U R I S I E R U N G
Nanoporöse Membrane und Filter – Schad-
ziert. So könnte durch geeignete technische Maß-
Auftraggeber ist das STOA-Panel des Europäi-
Nanotechnikbasierte Sensoren mit gerin-
stoffentfernung/Nebenproduktabtrennung.
nahmen der US-amerikanische Energieverbrauch
schen Parlaments.
gerem Gewicht – energieeffizient.
Optimierte Abgasreinigung bei Kraftfahr-
um über 14 % reduziert werden (Tabelle 5). Und
Verringerung der Schichtdicke – Rohstoffe
zeugen mit Nanotechnik.
nicht zuletzt wird die große Bedeutung der
Ziel des Projektes ist die Identifikation von Kon-
Umwelttechnik für die Nanotechnologie auch
zepten und Ideen für die Substitution gefährlicher
einsparen.
Ta b e l l e 5 :
Potential US
Energy Savings
from 8 Nanotechnology
Applications
( E PA 2 0 0 5 )
Anwendungsbeispiele werden nanotechnologi-
Auch das Umweltbundesamt hat in einem Hinter-
74
14.6
75
Nanotechnologie und
Umweltschutz – Ausblick
Environment
Energy
Chemical and biosensors
Energy conversion (Graetzel cell type
Environmental sensing (toxics)
devices-dye plus nano inorganic, solid
Remediation (TiO2+UV, catalysts, etc.)
polymer heterojunctions)
Clean water (nano-filtration, sorption,
Energy storage (H2, nanotubes)
exchange)
Batteries (high performance electrodes
Clean air (adsorbents)
and electrolytes)
Catalysts (Hydrodesulfurization, emulsion)
Fuel cells
H2-storage for fuell cells
Thermoelectrics
„Green“ technologies (manufacturing)
Magnetocaloric effects
Solid state lighting
Supercapacitors
Thermal batteries for materials enabling
higher temperature combustion
AUSBLICK
Ta b e l l e 6 : K e y
Market Opportunities for Nanomaterials – USA
2020 (Auswahl)
(Chemical Industry
2003)
Motors (higher efficiency through better
magnets)
High-performance catalysts
Low power consumption lighting and
displays
Substanzen durch Nanotechnologie. Hintergrund
toxische Schmierstoffe könnten durch nano-
ist die Erwartung, dass die Nanotechnologie alter-
technologische, superharte und selbstschmie-
native Lösungen für die Wirkung einer Substanz
rende Beschichtungen vermieden werden,
oder aber auch für die Herstellung einer Substanz
organische Lösungsmittel könnten durch
bietet, bei denen weniger toxische Abfallstoffe
Mikroemulsionen an der Basis von Lezithin
anfallen. Als Beispiele werden genannt:
ersetzt werden,
bromierte Flammschutzmittel könnten durch
biozide Beschichtungen auf der Basis von
funktionalisierte Nanopartikel, die in Lacke
texturierten Oberflächen oder photokatalyti-
eingebunden sind, ersetzt werden.
schen Wirkung von TiO2-Partikeln,
76
77
Abkürzungsverzeichnis
AEROSIL ® = pyrogene Kieselsäure
AFM = Rasterkraftmikroskop
Ag + = Silber-Ionen
ATO = Antimon-Zinn-Oxid
BAT = Best Available Technology
BMBF = Bundesministerium für Bildung und Forschung
BMU = Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit
BRICS = Brasilien, Russland, Indien, China und Südafrika
CNT = Carbon Nano Tubes
CSB = sauerstoff-zehrender organischer Stoff
DEHP = Diethylhexylphthalat
DFG = Deutsche Forschungsgemeinschaft
DFO = Deutsche Forschungsgesellschaft für Oberflächenbehandlung e.V.
DLC = Diamond like Carbon, amorphe diamantähnliche Kohlenstoffschichten
EPA = Environmental Protection Agency
ETAG = European Technology Assessment Group
IAO = Fraunhofer-Institut für Arbeitswirtschaft und Organisation
IAT = Institut für Arbeitswissenschaft und Technologiemanagement der Universität Stuttgart
IPP = Integrierte Produktpolitik
IPPC = International Plant Protection Convention
ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS
ISC = Fraunhofer-Institut für Silicatforschung
VERTEILERHINWEIS
Diese Informationsschrift wird von der Landesregierung Baden-Württemberg im
ISE = Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme
Rahmen ihrer verfassungsmäßigen Verpflichtung zur Unterrichtung der Öffentlich-
ISI = Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung
keit herausgegeben. Sie darf weder von Parteien noch von deren Kandidaten oder
ITO = Indium-Zinn-Oxid
Helfern während eines Wahlkampfs zum Zwecke der Wahlwerbung verwendet werden. Dies gilt für alle Wahlen.
ORMOCER ® e = Anorganisch-organische Hybridpolymere
PC = Polycarbonat
Missbräuchlich ist insbesondere die Verteilung auf Wahlveranstaltungen, an
PE = Polyethylen
Informationsständen der Parteien sowie das Einlegen, Aufdrucken oder Aufkleben
PP = Polypropylen
parteipolitischer Informationen oder Werbemittel.
PMMA = Polymethylmethacrylat
Untersagt ist auch die Weitergabe an Dritte zur Verwendung bei der Wahlwerbung.
Ru = Ruthenium
Auch ohne zeitlichen Bezug zu einer bevorstehenden Wahl darf die vorliegende
SiO 2 = Siliziumdioxid
Druckschrift nicht so verwendet werden, dass diese als Parteinahme der Herausgeberin zugunsten einzelner politischer Gruppen verstanden werden könnte.
STOA = Scientific Technological Options Assessment
TiO 2 = Titandioxid
Diese Beschränkungen gelten unabhängig vom Vertriebsweg, also unabhängig
TCO = „Transparent Conducting Oxide“, transparente, leitfähige Oxidschicht
davon, auf welchem Wege und in welcher Anzahl diese Informationsschrift dem
VDI = Verein Deutscher Ingenieure (VDI)
78
Empfänger zugegangen ist.
ZnO = Zinkoxid
Erlaubt ist es jedoch den Parteien, diese Informationsschrift zur Unterrichtung ihrer
ZrO 2 = Zirkoniumdioxid
Mitglieder zu verwenden.

Innovation durch Nanotechnologie in der

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