Non-stick coatings na Voorbeeld van de natuur

Biologisch gestructureerde coatings bieden eigenschappen die veel verder gaan dan het bekende lotuseffect - d.w.z. zelfreinigend in combinatie met water. Als onderdeel van een gefinancierd gezamenlijk project worden nieuwe laagsystemen ontwikkeld op basis van biologische modellen. De focus ligt op de ontwikkeling van antikleef- en corrosiewerende lagen.

Sinds een jaar of tien wint de term bionica, een kunstmatig woord uit biologie en technologie, ook wel bekend als 'technische biologie' of biomimetica, aan belang. De twee meest populaire voorbeelden uit fundamenteel onderzoek zijn de ribbenfilm met het voorbeeld van de huid van haaien en het lotuseffect, gebaseerd op het model van de bladtop van de lotusplant. Beide ontwikkelingen zijn gebaseerd op de ontdekking dat de natuur de voorkeur geeft aan fijn gestructureerde oppervlakken als ingenieurs zo glad mogelijke zouden gebruiken.

Zowel wat de optimale stroming om door de lucht of water en ten minste aanhechting van deeltjes microgestructureerde oppervlakken glad zijn superieur omdat de grenslaag van de stroming wordt positief beïnvloed. Zo remmen Verwirbe-betalingen worden vermeden, terwijl het verminderen van de vervuiling, die niet alleen een kwestie van esthetiek, omdat het resulteert in een toename van het gewicht en minder gestroomlijnde vorm en is van vitaal belang voor organismen, doordat de ziekteverwekker aanval. bij
technische ontwikkelingen, zoals de bouw van vliegtuigen en schepen, dit aspect van de bestrijding van verontreiniging wordt steeds belangrijker, vooral vanwege de huidige enorme toename van brandstof- en transportkosten. Biologische structuren zijn meestal geoptimaliseerd voor meerdere problemen en worden vaak gebouwd met moleculen met een grotere structuur en hun vermogen om zichzelf te assembleren, wat vaak resulteert in structurering. Buiten het zelfreinigende in combinatie met water, de Antiadhäsionseigenschaft een micro-gestructureerd oppervlaktereliëf van toenemend industrieel belang: zoals beschreven door het voorbeeld van het lotus effect, verlagen verschillende podia (hiërarchieën) van het bladoppervlak, zoals aders, epidermale cellen en waskristallen de combinatie ervan, het contactgebied teneinde naar 96%.

Samen met de sterke hydrofobiciteit van de waslaag worden vuil en water even goed verdreven. Dit geldt ook voor dieren, zoals libellen met hun grote stijve vleugels. Een dergelijke combinatie met eigenschappen die de zelfreiniging technisch niet kan realiseren, is nuttig voor een verscheidenheid aan toepassingen. Ontwikkeling vereist samenwerking tussen onderzoek en industrie naast puur fundamenteel onderzoek.

Nauwe samenwerking van onderzoek en industrie
Het bedrijf Rhenotherm is al 30 jaar gespecialiseerd in industriële coatings op basis van fluorpolymeer voor de toepassingsgebieden van antikleef-, droge smering en corrosiebescherming en staat open voor voortdurende verdere ontwikkeling van coatingsystemen om aan verschillende klantvereisten te voldoen. Met Lotuflon werd bijvoorbeeld een microgestructureerde fluorpolymeercoating met verschillende structurele niveaus ontwikkeld. Het bedrijf is betrokken bij een gezamenlijk project dat wordt gefinancierd door het federale ministerie van Onderwijs en Onderzoek (VDI-toezicht, FKZ 13N8676) voor de ontwikkeling van nieuwe en permanente antikleefcoatings. Hierbij zijn partners uit onderzoek en industrie betrokken: de firma Nehlsen-BWB uit Dresden (galvaniseren, luchtvaartindustrie) ontwikkelt samen met Rhenotherm de structureringsniveaus in µm en nm. Het Instituut voor Bioanalyse Technologie in Heiligenstadt werkt samen met de Universiteit van Halle, Instituut voor Fysiologische Chemie aan de toepassing en karakterisering van de nieuwe
Coating, de TU Dresden, Institute of Botany, werkt aan de coördinatie en het werken aan microscopisch onderzoek.

Zelfregenererende lagen
Eerdere, kunstmatig geproduceerde, microgestructureerde antiaanbaklagen verschillen van de biologische modellen in termen van hun oppervlakteparameters, die groter zijn met een factor 10 en meer. Een ander probleem kan de mechanische stabiliteit van de buitenste laag zijn, die - zoals in veel natuurlijke systemen - niet zelfherstellend is. Het probleem wordt omzeild door een dikkere toplaag te gebruiken, die tijdens gebruik kan slijten. Voor beide onderwerpen wordt met hulp van de natuur gewerkt aan nieuwe benaderingen, omdat zowel het coatingmateriaal als de doorslaggevende structuurparameters gebaseerd zijn op natuurlijke systemen.

Tetraether lipiden (TEL) maken deel uit van de schil van bepaalde archaebacteria zoals Thermoplasma of Sulfolo-bus. Archaebacteriën leven meestal in extreem ongastvrije omgevingen met hoge temperaturen en lage pH, bijvoorbeeld in hete bronnen of in de diepe zee. Hun schaal moet het inwendige van de cel beschermen tegen deze vijandige omgevingsinvloeden. De TEL's zijn bijvoorbeeld 4 nm minuscule cyclische moleculen gemaakt van twee alkaanketens, die elk aan hun uiteinden met etherbindingen overbrugd zijn en via hun kopgroepen covalent aan het substraat gebonden kunnen zijn.

Hoge chemische weerstand
Door hun veroorzaakt door deze structurele stabiliteit, kunnen zij zelfassemblage tot een gesloten laag hoofdzaak verticaal aangebrachte evenwijdig aan elkaar moleculen waarvan de eigenschap kan worden uit de afgeleide van de bacteriële omhulling, zoals temperatuurbestendigheid tot 300 ° C, hoge chemische- vormen , UV- en zuurbestendigheid.

Vanwege hun moleculaire structuur zijn TEL's niet-reactief, niet-geleidend en kunnen ze worden voorgesteld als een isolator in gelaagdheid van meerdere lagen.

In tegenstelling tot de eerder gebruikte antikleefcoatings van fluorpolymeren, biedt de mogelijkheid tot covalente hechting aan vrijwel elk materiaal een hoge mechanische stabiliteit, aangezien de laag niet alleen op het substraat rust, maar er uiteindelijk mee één wordt. De opwaartse kopgroep kan op zijn beurt zo worden gefunctionaliseerd dat bepaalde eigenschappen kunnen worden ingesteld - aan de buitenkant is bijvoorbeeld de coating hydrofiel, terwijl het TEL-molecuul zelf hydrofoob blijft.

Vanwege de kleine afmetingen en controleerbaar, flexibele functionaliseren-heid van de TEL verwachting uiteenlopende toepassingen: een om zweila-dent lagen geschikt voor medische producten zoals fijne naalden of buizen binnen verzegelen en vergemakkelijkt de zuivering ervan, die momenteel met andere technieken moeilijk te bereiken. Een covalent gebonden overlay met bacteriedodend colloïdaal zilver is ook mogelijk. Toegepast op bijvoorbeeld glasoppervlakken, hebben tests al met succes aangetoond dat optische sensoren vrijwel buitenshuis of in installaties vrijwel onderhoudsvrij kunnen worden gebruikt.

Belangrijkste focus op antikleef- en anti-corrosie-eigenschappen
Een volledig onbreekbare coating van gevelbeglazing, die technisch nog niet mogelijk was, lijkt mogelijk. Desgewenst kan de TEL ook in dikkere lagen worden aangebracht zodat bijvoorbeeld naast de andere gewenste eigenschappen zoals chemische bestendigheid, hoge antikleefeigenschappen of goede tractie dankzij een zachte, rubberachtige ondergrond, bijvoorbeeld slijtvastheid gegarandeerd kan worden. Bij de mogelijke toepassingen ligt de nadruk vooral op het coaten van metalen oppervlakken met betrekking tot antikleef- en corrosiebescherming. Toepassingsgebieden variëren van het coaten van functionele onderdelen van bijvoorbeeld kuipen, rollen, ontvormers, sproeidrogers en vaten tot het afdichten van gevelelementen. Het tweede bionische aspect speelt een belangrijke rol bij veel van de bovengenoemde toepassingsmogelijkheden, aangezien een microstructuur die is aangepast aan de natuurlijke modellen het contactoppervlak voor stof, water en zelfs eencellige levensvormen zoals algen en bacteriën zo veel verkleint dat er heel weinig op deze oppervlakken kan achterblijven. Met een overeenkomstige polyfluorering is het denkbaar dat zelfs sterke bevochtigers en oliën het oppervlak niet meer kunnen bevochtigen - mogelijk voor het eerst een oppervlak dat de stemming voor grafietsproeiers volledig bederft.

Maar tot die tijd moet je geduld hebben. Het project, dat een financieringsperiode van meer dan drie jaar heeft, startte in november met 2004 en het zal enkele jaren duren voordat de eerste producten klaar zijn voor gebruik. Een tot nu toe belangrijke hindernis is de beperkte beschikbaarheid van het bekledingsmateriaal: TEL zijn, omdat ze zijn verkregen uit de schelpen minder gewaardeerde eencellige organismen, in gezuiverde vorm tot nu toe slechts in kleine hoeveelheden in voorraad en derhalve overeenkomstig duur. 2 mg is echter voldoende voor dekking in een laag van 1 m².