Nanobeschichtungen in der Oberflächentechnologie: So profitieren Sie von diesem bahnbrechenden Verfahren

In den bedeutenden Branchen Automotive, Bau, Energie/Umwelt, Medizin, Anlagenbau, Optik/Elektronik sind komplexe Herstellungsverfahren etabliert. Doch die Ansprüche der Industrie sowie der Verbraucher und Verbraucherinnen sind höher denn je. Es gilt, diese zu optimieren – zum Beispiel mit Hilfe einer Nanobeschichtung. Neue Werkstoffe und Hochleistungsmaterialien entstehen, um zukunftssichere und leistungsfähige Lösungen für die Anforderungen unserer Zeit aufzubieten. Haben Sie die Möglichkeiten nanobasierter Oberflächentechniken für Ihr Unternehmen bereits voll erschlossen?

Der Einsatz von Nanobeschichtungen bedeutet: Produkte und Prozesse maximal optimieren

Beschichtungstechniken sind wesentliche Verfahrensbausteine bei der Herstellung verschiedenster Produkte und Komponenten. Sie erzeugen Schutzwirkungen, setzen optische Akzente oder ermöglichen zusätzliche Funktionen. Gewünschte Eigenschaften, die für zahlreiche Branchen essenziell sind, können mithilfe von Nanobeschichtungen und weiteren Oberflächentechnologien realisiert werden. Hier beispielhaft einige von zahlreichen Eigenschaften, die mithilfe von Nanobeschichtungen realisiert werden können:

• kratzfeste Oberflächen,
• sensorische Oberflächen,
• antibakterielle Oberflächen,
• entspiegelte Oberflächen,
• UV-geschützte Oberflächen,
• antistatische Oberflächen
• Oberflächen mit Korrosionsschutz
• Gas-/Feuchte-Barrieren

Neben den sogenannten nasschemischen Prozessen und Plasmaverfahren wurde bereits an neuen Fertigungstechniken geforscht, die für eine Reduzierung von Energie- und Materialverbräuchen sorgen. Darüber hinaus stellt der präzise Auftrag eines Smart Coatings oder einer Nanoversiegelung eine Herausforderung dar, die adäquate Lösungen erfordert. Der bewusste Umgang mit wertvollen Ressourcen ist auch bei Entwicklung technischer Lösungen für Oberflächen ein zentrales Thema.

Neuartige Nanobeschichtungen können außerdem dazu beitragen, galvanische Prozesse zu ersetzen, eine wichtige Alternative, um z.B. Bedenken gegenüber Chrom-VI-haltigen Oberflächen Rechnung zu tragen. Zudem ergeben sich überzeugende Vorteile in Form von

• geringeren Bearbeitungszeiten,
• weniger Materialeinsatz,
• glatten und gleichmäßigen Schichtdicken
• sowie einer sehr guten Maßhaltigkeit bei Bauteilen.

Die herausfordernde Steuerung der zahlreichen Einflussfaktoren im galvanischen Beschichtungsvorgang entfallen. Dies betrifft etwa Spannungsverlauf, Anordnung der Werkstücke oder die Konzentration des Bades.

Nanopartikel sind winzig, trotzdem äußerst effektiv

Der Begriff Nanobeschichtung definiert das Aufbringen von Nanostrukturen auf eine Oberfläche, um dem Objekt bestimmte Eigenschaften zu verleihen. Das ungewöhnliche Verhältnis von Oberfläche zu Volumen bei nanoskaligen Partikeln führt hierbei zu veränderten Bedingungen: beim physikalisch-chemischen Verhalten, bei den biologischen Attributen und der Wechselwirkung mit anderen Molekülen. Auf der Basis dieser besonderen Dimensionen können Merkmale so hergestellt werden, dass sie gezielt auf bestimmte Anwendungen zugeschnitten sind.

Nanopartikel-Beschichtungen werden beispielsweise in der Produktion, während der Verarbeitung oder im Produkt an sich eingesetzt. Grundsätzlich können Nanomaterialien für eine bessere Anhaftung sorgen. In der Folge steht eine äußerst feste Verbindung zwischen dem Schichtauftrag und der zu optimierenden Oberfläche. Im Vergleich zu konventionellen Imprägnierungen oder Beschichtungsarten sind Nanoversiegelungen zu einem höheren Grad mechanisch belastbar, wirken also unter anderem abrasiven Effekten entgegen.

Dabei ist die nanoskalige Oberfläche in der Regel für das Auge unsichtbar. Es bestätigte sich außerdem, dass Nanostoffe im Fertigungsprozess besser zu verarbeiten sind. Typische Einsatzbereiche sind in unterschiedlichen Industriezweigen zu finden:

• Sanitärschutz gegen Kalk,
• Lotuseffekt: wasser- und schmutzabweisend,
• Anti-Fingerprint,
• Schutz von textilen Fasern gegen Schmutz oder das Eindringen von Nässe,
• Selbstreinigung, z. B. für Hausfassaden oder Glasflächen,
• Lackschutz.

Für alle Anwendungen gilt, dass die Produkte und Elemente mit dem aufgebrachten Oberflächenschutz langlebiger sind und länger neuwertig bleiben. Neueste Forschung zeigte zudem, dass Nanomaterialien auch in Grenzflächen eine Rolle spielen können: Nanoschichten können bei Festkörperbatterien an den Grenzen zwischen winzigen Kristallkörnern des Feststoffelektrolyten zur Stabilisierung der Batterien beitragen und damit die Lebensdauer von Festkörperbatterien erhöhen, die die Lithiumbatterien in der E-Mobilität langfristig ersetzen sollen.

Alle Bestrebungen im Bereich der Nanobeschichtung haben eines gemeinsam: Sie spielen dem Anspruch an den Erhalt von Werten und dem Nachhaltigkeitsgedanken in die Hände. Durch Nanobeschichtungen können Oberflächen leichter, mit weniger Aufwand und Verbrauch von Mitteln gereinigt bzw. instandgehalten werden.

Smart Coatings stehen für zukunftsträchtige Erzeugnisse

Je nach Geometrie, Material und Anwendung werden bei der Produktion von Bauteilen, Leichtbaulösungen, Kunststoffverbünden und zahlreichen Komponenten entweder etablierte Beschichtungs- oder Nanoschicht-Technologien angewendet. Zur Herstellung widerstandsfähiger Oberflächen und Funktionalisierungen per Nanobeschichtung, sogenannter Smart Coatings, sind verschiedene Verfahren einsetzbar. Unter anderem:

• Sol-Gel-Verfahren, bei dem ein Sol bzw, eine Dispersion per Sprühen oder Tauchbeschichtung aufgebracht wird und ausgehärtet.
• Sole in Form von Spray oder als Flüssigkeit zur nachträglichen Behandlung von Oberflächen (trocknen bei Raumtemperatur, sind allerdings nicht dauerhaft).
• Nanokomposite bzw. Nanocomposites, z. B. für Fassadenbeschichtungen
• Chemische Gasphasenabscheidung für die Erzeugung von photokatalytischen Beschichtungen (für Glas, Kunststoffe, Fliesen, Dachziegel, Betonplatten u. v. m.)

Des Weiteren kann eine Modifikation von Oberflächen erfolgen, ohne dass eine separate Schicht aufgetragen wird – zum Beispiel durch Nitrieren oder Härten.

Die zentralen Effekte der modernen Technologien im Segment Smart Coatings und Nanobeschichtungen lassen sich anhand einiger Fallbeispiele auf den Punkt bringen:

• Wärmetauscher müssen seltener gewartet werden und arbeiten effizienter.
• Motorenteile sind langlebiger und besser vor Reibung geschützt.
• Korrosionsschutz für Stahloberflächen ist ohne den Einsatz von Chrom (VI) zu erzielen.
• Spezielle Beschichtungen mit hohen Anforderungen an die Transmission und Entspiegelung, ob für Photovoltaik-Elemente, Kollektoren oder bei Architektur-Anwendungen, sind realisierbar.
• Kratzfeste Instrumentenoberflächen und Oberflächen von Bodenbelägen stehen für Langlebigkeit, Nachhaltigkeit und gute Pflegbarkeit.
• Optimierte Eigenschaften von Lacken und Fassadenfarben per Nano-Quarz-Gitter-Technologie (Wetterbeständigkeit bei gleichzeitiger Wasserdampfdurchlässigkeit) führen zu Mehrwerten: geringere Anschmutzung, hohe Kreidungsstabilität, reduzierte Brandlast.
• Last but not least: Steigerung der Verträglichkeit von Implantaten.

Nanobeschichtungen: Die Zeitenwende in der Beschichtungstechnologie

Beschichtungen zeigen in vielen Bereichen eine überzeugende Wirkung, unabhängig davon, ob sie sichtbar und wahrnehmbar sind oder nicht. Sie wenden Einflüsse aus der Umgebung oder Kräfte und Abnutzungserscheinungen von Objekten ab. Und auch nach einer Kosten-Nutzen-Analyse überwiegen oftmals die Argumente für eine innovative neuartige Oberflächentechnologie, die auf den ersten Blick teurer erscheint.

Je nach Branche und Anwendung sollten die Kosten deshalb detailliert und gesamthaft (Fixkosten, Betriebskosten etc.) betrachtet werden. Ist der Schaden an einem Produkt oder Verschleißteil erst entstanden, lässt er sich oft nur mit Mühe beheben. Die dann noch verbleibende Möglichkeit wäre der Austausch gegen ein neues Element.

Mit der weiteren Etablierung von Nanobeschichtungen kommen wir dem Ziel näher, den Einsatz von Energie, Arbeitskraft und Ressourcen insgesamt zu senken. Studien und Auswertungen belegen eindrücklich, dass Materialverbräuche zum Teil halbiert werden konnten, ohne bestehende Fertigungsabläufe verändern zu müssen. Damit einher geht eine unmittelbare Steigerung der Prozess- und Kosteneffizienz, die für viele weltweit agierende Wirtschaftszweige von ausschlaggebender Bedeutung ist.

Effiziente Herstellung, lange Nutzungsdauer – das garantieren Nanobeschichtungen

Das ist nicht neu: Spezifische Produkteigenschaften sollen maßgeschneidert auf die jeweiligen Anwendungen ausgelegt sein. Ob Kratzfestigkeit, Dehnbarkeit, Glätte, Härte oder brillante Farben und Transparenz: mit der Zugabe von nanoskaligen Additiven bei der Erzeugung von Kunststoff-Beschichtungen lassen sich nahezu alle gewünschten Resultate erzielen. Zudem basieren Zusatzstoffe und Additive, die in modernen Fertigungsverfahren eingesetzt werden, häufiger auf nachwachsenden Rohstoffen oder auf Recycling.

Die Produktion von qualitativ hochwertigen, wolframhaltigen Nanopartikeln aus Hartmetall-Schrott ist hier stellvertretend für die Innovationssprünge in der Materialentwicklung zu nennen. Die daraus entwickelten funktionalen Additive, ebenso als Masterbatches bekannt, führen in vielen Branchen zu signifikanten Eigenschaftsverbesserungen sowohl für Vorprodukte, die in Fertigungsprozesse einfließen, als auch für Enderzeugnisse.

Um bei dem Werkstoffoptimierer „Metall/Metalloxid“ zu bleiben, betrachten wir einige der Anwendungsfälle von Nanobeschichtungen:

Zu erzielende Funktionen	Mögliche Materialien/Lösungen	Wirkungen	Einsatzbereiche/ Branchen
schaltbar	Wolframoxid	Farbeffekte	Fahrzeugtechnik
kratzfest	Nanoverstärkte Lacke oder Nanoglas-Beschichtungen	Erhalt der Kratzfestigkeit	Konsumgüter, Möbel, Parkettböden, Automobile
verschleißfest	Wolframcarbid	Korrosionsschutz, hohe Dichte und Härte	Bauteiloptimierung
antireflex	Mehrfachschichten aus Metalloxiden	Entspiegelung	Optik, Bauwesen, Energiesektor

Beschichten heißt perfektionieren und funktionalisieren

Es hat sich mehrfach bestätigt, dass die Nanobeschichtung oder Nanoversieglung für eine optimale Verbindung zwischen Auftragung und Substrat steht. In der Folge weisen die Ergebnisse eine außerordentliche Langlebigkeit auf. Der oft so wichtige Erhalt der Transparenz von Kunststoffen ist gewährleistet. Ressourcen können geschont und Trocknungszeiten verkürzt werden. Verschiedenste Verfahren, geforderte Schichtdicken oder Prozessbedingungen sind je nach Bauteil, Zustand und späterer Anwendung zu wählen. Es handelt sich um ein insgesamt sehr weites Feld, das es zu beherrschen gilt.

Es ist sicher, dass die Nanobeschichtung im Interesse weiterer technologischer Innovationen einen wachsenden Marktanteil belegen wird. Setzen Sie mit Ihrem Know-how und Ihren Produkten hier entscheidende Impulse, indem Sie den Einsatz von Nanopartikeln für Ihren Wettbewerbsvorteil nutzen. Es wird sich auszahlen, aktiver Part der Weiterentwicklungen in diesem Bereich zu sein. Die ohne Eingriffe funktionierende Selbstorganisation von Nanostrukturen ist auf den Weg gebracht. Aus visionären Ansätzen könnten „von selbst wachsende“ Schaltkreise hervorgehen. „Selbstheilende“ Oberflächen, z. B. in Form von Autolacken, die mit kleinsten Farbstoffkapseln präpariert sind, bergen ebenfalls großes Potenzial.

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