Kunststoff-Beschichtung 4.0 – wachsenden Ansprüchen mit Nanotechnologie begegnen

Mit den Zielen von Industrie 4.0 wachsen die Anforderungen an Produkte und Bauteile. Die Funktionalisierung von Oberflächen steht zunehmend im Fokus. Folglich nimmt der Bedarf an innovativen Kunststoff-Beschichtungen zu. Laut Datenblatt des Umweltbundesamts sieht der Verband der deutschen Lack- und Druckfarbenindustrie für die kommenden zehn Jahre einen starken Zuwachs der sogenannten Smart-Coatings. Erfahren Sie hier mehr über die Ziele und Vorzüge der Nanotechnologie in diesem Bereich.

Beschichtungen fördern die Eigenschaften von Produkten und Komponenten

Das Herstellen von Beschichtungen ist ein Fertigungsverfahren, dass das Aufbringen einer festhaftenden Schicht auf der Oberfläche eines Werkstücks umfasst. Dieser Prozess kann durch chemische, mechanische, thermische oder thermomechanische Methoden erfolgen. Träger können nahezu alle gebräuchlichen Materialien sein: Metall, Gewebe, Glas, Kunststoff u. v. m. Ein wichtiger und sehr bekannter Einsatzzweck für Beschichtungsverfahren ist der Schutz von Metalloberflächen vor Korrosion.

Aufgrund der Anforderungen im Leichtbau oder in der Automobilbranche nimmt der Anteil an Kunststoffbauteilen weiter zu. Produkte und Komponenten aus Kunststoff bieten viele Vorteile gegenüber konventionellen Stoffen, da sie bei geringem Gewicht eine vergleichsweise hohe Stabilität aufweisen. Darüber hinaus können mit der Kunststofftechnik komplexe und sehr fein konstruierte Formen realisiert werden. Häufig werden transparente Kunststoffe anstelle von Glas verwendet.

Da Kunststoffoberflächen in ihrem Ursprung empfindlich auf Abrieb, Verwitterung und chemische Einflüsse reagieren, werden diese mithilfe diverser, branchenbezogener Beschichtungssysteme optimiert. Folgende Eigenschaften können mit einer speziellen Kunststoff-Beschichtung erzielt werden:

• Abriebfestigkeit,
• chemische Beständigkeit,
• Witterungsbeständigkeit,
• Festigkeit,
• Härte,
• elektrische Leitfähigkeit.

Dekorative Farbbeschichtungen, Beschichtungen zum Erhalt der Farbechtheit oder UV-Beständigkeit, Antihaft- oder schmutzabweisende Effekte sind weitere Beispiele.

Anwendungsoptimierte Beschichtungssysteme

Industriell hergestellte Beschichtungen dienen dazu, die Eigenschaften von Bauteilen und Endprodukten positiv zu beeinflussen. Optische und haptische Aspekte spielen z.B. bei der Möbelherstellung und der Produktion von Haushaltsgeräten eine wesentliche Rolle. Für andere Branchen werden mit speziellen Oberflächenbehandlungen Merkmale erzielt, die für die Funktion der Werkteile essenziell sind.

Korrosionsschutz, Isolierung, Ableitfähigkeit, Glanz oder „Easy-to-clean“ sind in vielen Einsatzbereichen unerlässlich. Allein die Automobilindustrie stellt hier hohe Ansprüche. Zukunftsweisende Produkte sind so herzustellen, wie es die modernen, internationalen Märkte erfordern. Zu den klassischen Beschichtungsverfahren zählen das Lackieren, Verzinken, Pulverbeschichten, Galvanisieren sowie verschiedene Spritztechniken.

Die aus den zahlreichen Verfahren resultierenden Anwendungen finden in unterschiedlichen Branchen ihren Einsatz:

• Mit Kunststoff-Beschichtungen auf Glas kann Wärmedämm-/Sonnen- oder Sichtschutz erzielt werden. Wasser und Schmutz abweisende Eigenschaften sind an dieser Stelle ebenfalls zu nennen.
• Die Automobilindustrie fordert belastungsoptimierte Bauteile sowohl für Karosserie, Interieur und Motorraum. Schwankenden Temperaturen, hohen mechanischen Belastungen sowie den Ansprüchen auf Langlebigkeit oder den Erhalt der Optik sind innovative Lösungen entgegenzusetzen.
• In der Medizintechnik steht das Thema Sauberkeit und Hygiene an oberster Stelle. Medizinische Instrumente, Maschinen und Flächen müssen höchsten Standards genügen. Oberflächen, die antibakteriell, hoch resistent, glatt und kratzfest wirken, sind unverzichtbar.
• Beschichtungen auf textilen Geweben finden sich in einem breiten Spektrum wieder.
  Das Beispiel des Autointerieurs wurde bereits genannt. Eigenschaften, wie z. B. gute Pflegbarkeit, abweisend gegenüber Schmutz oder Wasser, antibakteriell, Rutschfestigkeit oder Flammschutz, sind ebenso in der Luftfahrt, Bekleidungsindustrie, im Innenausbau und bei der Möbelherstellung gefragt.

Kunststoff-Beschichtung mit Nanotechnik ermöglicht feinste Justierung

Spezifische Eigenschaften sollen möglichst optimal ausgelegt werden. Charakteristika, die Kunststoffe als „unbehandeltes“ Material zunächst nicht mitbringen, gilt es zu erzielen. Ob höhere Bruchfestigkeit, Härte oder Formstabilität: Durch den Einsatz von Nano-Additiven können Kunststoffprodukte und Komponenten so hergestellt werden, dass sie hoch leistungsfähig und gleichzeitig gezielt auf den jeweiligen Industriezweig zugeschnitten sind.

Mit der Nutzung von Nanotechnik lassen sich die Produkteigenschaften von Kunststoffen und Nanokomposit-/Hybridmaterialien weiter optimieren und herausarbeiten. Die homogene Einbindung der Zusatzstoffe in die Kunststoffmatrix verhelfen dem Ausgangsmaterial zu Eigenschaften, die einem bestimmten Zweck dienen oder völlig neu sind. Auf dieser Grundlage ist es möglich, Kunststoff-Beschichtungen mit sehr detailliert ausgeprägten Attributen herzustellen:

• Schutz vor äußeren Einflüssen, z. B. Witterung, Korrosion, Abrasion
• Erhöhung der Fließgeschwindigkeit und der Resistenz gegenüber Säuren und Laugen, bei Rohren, Schläuchen etc.
• Steigerung der Belastbarkeit von textilen Geweben, u. a. bei der Herstellung von Schutzausrüstungen und Arbeitskleidung

Die gewünschten Effekte erreicht man durch die Zugabe von nanoskaligen Additiven – oder durch die Herstellung von Kunststoff-Beschichtungen. Diese beruhen auf einer wässrigen Lösung unter Zugabe von Nanopulver. Zum Spektrum zählen u. a.:

• Nanoschichten
• Beschichtungen (Lack) aus wässrigen oder lösemittelhaltigen Materialien mit Nanopartikeln
• Hybridmaterialien (Einarbeitung von Nanomaterial in die Kunststoffmatrix)
• Strukturierte, funktionale Oberflächen

Leichte Bauteile mit Oberflächen, die hoch leistungsfähig sind

Die Verbesserung der Oberflächenhärte bei gleichzeitigem Erhalt der Durchsichtigkeit war und ist eine Herausforderung. Gerade in der Automobilindustrie sind Faktoren wie Sicherheit, Ästhetik und Funktionalität ausschlaggebend. Denn so müssen zum Beispiel Gläser und Kunststoffelemente rund um das Auto einerseits lichtdurchlässig, andererseits langlebig und darüber hinaus sicher im Falle eines Unfalls sein. Die sogenannte „Antifogging-Ausrüstung“ für Scheinwerferabdeckungen sei hier als bekanntes Beispiel genannt.

Immer wieder ist es das vorrangige Ziel, Schwächen von Kunststoffen mithilfe der Nanotechnologie auszugleichen. Zwei weitere Einsatzgebiete zeigen die Stärke dieser Herangehensweise. Die Erzeugung des Lotuseffekts auf Elementoberflächen, der die Benetzbarkeit herabsetzt und selbstreinigend wirkt, ist in vielen Branchen nicht mehr wegzudenken. Antihaftbeschichtungen, z. B. für Kunststoffverpackungen, sorgen für bessere Ergebnisse bei der Entleerung von Behältern. Dank der Nanotechnologie sind Oberflächen glatter und die Fließgeschwindigkeit signifikant erhöht.

Der optimalen Modifikation einer Kunststoff-Beschichtung sind kaum Grenzen gesetzt. Die Erzielung von Eigenschaften, wie Farbbrillanz oder Schutz durch Verschmutzung (z. B. das Verhindern des Anhaftens von Algen an Schiffen) kann genauestens austariert werden, ohne auf die Wirkung einzelner Stoffe oder Materialien angewiesen zu sein. Mit nanobasierten Kunststoff-Beschichtungen lassen sich Attribute miteinander kombinieren, die sonst gegensätzlich wären.

Zu den bekanntesten Anwendungen zählen außerdem:

• Kratz-/Abriebfestigkeit
• Entspiegelung/UV-Schutz
• antihaftbeschichtet, antibakteriell
• „easy to clean“

Vorteil: Hohe Effizienz der Kunststoff-Beschichtung

Kunststoffprodukte sind im Vergleich zu anderen Artikeln verhältnismäßig preiswert herzustellen. Die Realisierung vielfältiger Formen ist möglich. Außerdem sind Kunststoffteile leichter und können durch Additive sowie nanobasierte Beschichtungen optimal auf den jeweiligen Anwendungsfall ausgelegt werden. Auf dieser Basis können Sie als Hersteller regelrechte High-Tech-Werkstoffe mit High-Tech-Oberflächen entwickeln und zur Marktreife führen.

Moderne Beschichtungsverfahren können oft wirtschaftlicher und mit weniger Materialeinsatz umgesetzt werden. Gerade in der Nanotechnik führen niedrige Füllgrade in der Kunststoffmatrix zu deutlichen Einsparungen. Ein weiterer Effekt zeigt sich in der Ausgewogenheit der nanobasierten Kunststoff-Beschichtungen, bedingt durch Teilchengrößen, deren Verteilung und dem Strukturaufbau. Angestrebte Resultate können auf diese Weise sehr gezielt ausgearbeitet werden. In der Regel weisen Smart Coatings und andere innovative Verfahren eine bessere Verarbeitbarkeit im Vergleich zu konventionellen Prozessen auf.

Bedenken gegenüber Nanomaterialien in Kunststoff-Beschichtungen

Bisher konnte in Tests mit mechanischer Beanspruchung festgestellt werden, dass zugesetzte Nanopartikel fest in der Bindemittelmatrix eingebunden waren. Es wird angenommen, dass eine Freisetzung isolierter Nanoobjekte aus Beschichtungen lediglich durch einen chemisch oder thermisch bedingten Abbau des Matrixmaterials möglich ist. So kann dies im Datenblatt „Einsatz von Nanomaterialien in Beschichtungen“ vom Umweltbundesamt (UBA) nachgelesen werden.

Ist an die Umwelt gedacht?

Prinzipiell können wir Ihnen diese Frage mit „ja“ beantworten. Der Schutz von Oberflächen verschiedener Produkte und Komponenten stellt die Langlebigkeit sicher. Im Umkehrschluss führt das zur Ressourcenschonung. Nanobasierte Kunststoff-Beschichtungen reduzieren zudem den Materialeinsatz. Die geringere erforderliche Schichtdicke macht das möglich. Selbstreinigende und pflegeleichte Oberflächen sparen Arbeitsaufwand und Reinigungsmittel ein. Bei der Verwendung von Lacken für die Kunststoff-Beschichtung kann von einem verringerten Einsatz flüchtiger Lösemittel ausgegangen werden.

Wir fassen das Thema Kunststoff-Beschichtung für Sie zusammen

Insgesamt bieten Produkte der Kunststoffindustrie den Vorteil des Variantenreichtums und der Flexibilität. Zudem kommen sie den Anforderungen der Mobilität in der modernen Welt entgegen. Mit Kunststoff kann Gewicht und Raum eingespart werden. In der Folge führt das zu einer Ressourcenschonung beim Transport von Gütern und in ihrer Anwendung. Leichtbau ist ein wichtiges Thema und wird es wohl in der Zukunft bleiben.

Funktionelle Oberflächen sind im Zuge der Digitalisierung ein Muss. Hochintelligente Displays halten Einzug in Wohn- und Geschäftsgebäuden, in Fahrzeugen und an Arbeitsplätzen. Daher ist die Kunststoff-Beschichtung ein wichtiger Teil der komplexen Verknüpfung zwischen Stoffen, Materialien und Herstellungsprozessen. Ziel: zeitgemäße Produkte zu erzeugen, die die geforderten Eigenschaften erfüllen oder übertreffen. Denn sicher ist, dass die Herausforderungen in diesem Sektor weiter steigen werden.

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