Gläser und Metalle (insbesondere Stähle) zeigen ein attraktives und edles Erscheinungsbild. Beide Materialien können optisch ansprechend und harmonisch miteinander kombiniert werden. Deshalb werden Glas und Metall für Fassadenverkleidungen in zunehmendem Maße verwendet. Nachteile sind allerdings die Empfindlichkeit gegen Bruch und Kratzer (Gläser) oder Korrosion und Kratzer bzw. Anlaufen bei erhöhten Temperaturen (Stähle). Zudem erfordert die umweltbedingte Verschmutzung der Oberflächen, dass die Fassaden aus optischen Gründen von Zeit zu Zeit gereinigt werden müssen, oft mit erheblichem Aufwand.
Ziel der Untersuchungen am Leibniz-Institut für Neue Materialien (INM) in Saarbrücken war daher, auf Basis bereits vorhandener Sol-Gel-Beschichtungsformulierungen zum Korrosions- und Verschleißschutz von Glas und Metall Rezepturen zu entwickeln, die sich insbesondere durch zusätzliche Funktionalitäten (Easy-to-Clean- bzw. Antihaftwirkung, dekorativer Farbpigment-Einbau) und erhöhte Temperaturbeständigkeit auszeichnen. Darüber hinaus sollten die Sol-Gel-Systeme durch übliche Beschichtungstechniken (Sprühen, Tauchen, Drucken) sowie auf kostengünstige und umweltfreundliche Art und Weise appliziert werden können.
Die Beschichtungs-Experimente wurden auf polierten oder gebürsteten Edelstahlsubstraten (1.4301) sowie auf Natronkalk- bzw. Borosilikat-Glas durchgeführt. Die Sol-Gel-Basis bestand aus einer Mischung von Carbiden, Graphit, Silanen und hochtemperaturstabilen Farbpigmenten (bis 500 °C), die alkalisch hydrolysiert wurden.
Die Applikationen erfolgten mit einer handelsüblichen Lackierpistole (SATAjet) und durch Tauchbeschichtung. Prinzipiell sind aber auch Siebdruck bzw. Tampondruck möglich, allerdings müssten dafür noch Feinjustierungen hinsichtlich Viskosität, Lösemittel(menge) und Thixotropie erfolgen. Nach Applikation wurden die Sol-Gel-Schichten getrocknet und bei 400–500°C an der Luft oder unter Schutzgas (Stickstoff) gesintert.
Sehr hohe Beschichtungshärte und Temperaturbeständigkeit
Nach Sinterung erhält man 2 bis 10 µm dicke Schichten (abhängig von der Nassfilmdicke und dem Pigmentgehalt), die bis zu einer Temperatur von ca. 900°C temperaturstabil sind. Sie kombinieren Korrosionsschutz für Glas und Metall mit einer sehr hohen Universalhärte bis 10000 MPa. Diese Universalhärte liegt deutlich über der von normalem Edelstahl (ca. 3000 MPa bei 1.4301-Edelstahl und 4000 MPa bei Natronkalkglas). Trotz dieser hohen Härte zeigen die Schichten Flexibilität und können bis zu einem gewissen Grad zusammen mit dem Substrat gebogen werden.
Werden die Schichten unter Schutzgas gesintert, so wird eine weitere Funktionalität inkorporiert. Hohe Kontaktwinkel gegen Wasser von über 100° bewirken einen Antihaft- bzw. Easy-to-cleanEffekt. Die Berechnung der Oberflächenenergie ergibt einen Wert von rund 20 mJ/m2, was bedeutet, dass Wasser (Regen) sehr gut abperlt und eventuell doch anhaftende Verschmutzung leicht zu entfernen ist. Die neuartige Beschichtung bietet somit eine exzellente Kombination von Korrosions-/Verschleißschutz und hochtemperaturstabiler Antihaftschicht.
Da die neu entwickelten Beschichtungen über einfache Techniken auch auf größere Flächen aufgebracht werden können, sind sie insbesondere für den Architektur-, Automobil- und Küchengerätebereich geeignet. Gerade bei großflächigen Fassadenelementen aus Flach-Glas oder -Metall bietet die Beschichtung einen hervorragenden Witterungsschutz. Die Technologie zum Scale-up ist am INM vorhanden (Synthesereaktor bis 150 Liter, Flachspritzanlage mit Sprühroboter, Tauchbeschichtungsanlagen, Siebdruckmaschinen, Durchlauföfen).—
Die Autoren
Dr. Martin Amlung (oben) vom Forschungsbereich Glas und Optik und Dr. Peter W. Oliveira (Abteilungsleiter Glas und Optik) sind am Leibniz-Institut für Neue Materialien (INM), Saarbrücken tätig. Der Chemiker Dr. Amlung ist dort für glasartige und glaskeramische Sol-Gel-Schichten zuständig.