Beschichtungen dienen dem Schutz und der Optimierung von Bauteilen und Komponenten. Äußere Einflüsse sollen abgewehrt werden, um die Langlebigkeit und die Sicherheit der Konstruktionen zu gewährleisten. Moderne Kunststoffbeschichtungen erlauben es den verschiedenen Industriezweigen, ihre speziellen Anforderungen gezielt zu erfüllen. Lesen Sie in diesem Beitrag mehr über die Stärken diverser Hochleistungskunststoffe, erfahren Sie, wie Sie deren Eigenschaftsprofile mit Nanopartikeln sogar erweitern können und lassen Sie uns einen Blick in zukünftige Entwicklungen der Kunststoffbeschichtungen werfen.
Der Instrumentenkasten der Kunststoffbeschichtungen ist groß
Das Fertigungsverfahren „Beschichten“ findet bei zahlreichen Elementen und Produkten aus unterschiedlichen Werkstoffen Anwendung. Spricht man von „Kunststoffbeschichtungen“ sind mindestens zwei Herangehensweisen gemeint. Denn aus dem Begriff lässt sich ableiten, dass es sowohl
- um die Beschichtung von Kunststoffen mit Kunststoffen oder anderen Materialien geht,
- als auch um Beschichtungen mit Kunststoffen – auf Kunststoffen oder anderen Materialien, wie z. B. Metallen, Textilien, Leder, Glas etc.
Die Verfahren, mit denen Polymere und andere Beschichtungsstoffe auf Trägermaterialien aufgebracht werden, sind vielfältig. Die Überzüge können je nach Prozessart flüssig, gelöst oder fest sein. Welche Technik sinnvoll ist, hängt vom Einsatzzweck des Endprodukts ab. Oberflächenoptimierungen per Kunststoffbeschichtungen erfolgen beispielsweise durch:
- Tauchverfahren,
- Pulver-Flammspritzen,
- Gummieren,
- Lackieren,
- Elektrostatisches Pulverbeschichten.
Ein häufig eingesetzter Beschichtungsstoff ist Polyurethan. Der Kunststoff aus der Gruppe der Urethane verfügt unter anderem über hervorragende Hafteigenschaften und eine hohe Resistenz gegenüber vielen Außeneinflüssen. Wie universell PUR ist, haben wir bereits unter dem Aspekt der „Textilbeschichtung“ beleuchtet. Polyurethane werden darüber hinaus in vielen anderen Bereichen verwendet, z. B. für technische Anlagen oder in der chemischen Industrie.
Kunststoffe und deren Stärken nutzen und potenzieren
Anhand einer kleinen Auswahl aus dem breiten Spektrum der technischen Kunststoffe bzw. Hochleistungskunststoffe lassen sich Charakteristiken und Einsatzmöglichkeiten aufzeigen:
PUR (Polyurethan)
Herausragende Merkmale:
- vielseitig einsetzbar: je nach Herstellungsart hart, weich, elastisch etc.,
- abrieb- und verschleißfest,
- bietet zuverlässigen Korrosionsschutz.
Typische Anwendungen: Dichtstoffe, Vergussmassen, Transportbänder, Rohre, Trichter, Pumpenteile, Anlagen-/Fahrzeugbauteile
PTFE (Polytetrafluorethylen, auch unter dem Markennamen „Teflon“ bekannt)
Herausragende Merkmale:
- reaktionsträge,
- geringer Reibungskoeffizient,
- nicht brennbar,
- Temperaturbeständigkeit von -270 °C bis +260 °C.
Typische Anwendungen: Antihaftbeschichtungen, Auskleidungen für Chemieanlagen, Medizintechnik, Beschichtungen von Lagern, Dichtungen etc.
Des Weiteren wird das sogenannte ePTFE (expandiertes PTFE) als „Gore-Tex“ für Jacken, Schuhe und andere Bekleidungsstücke eingesetzt. Membrane aus diesem Material sind wasserundurchlässig, winddicht, aber dennoch atmungsaktiv. Optisches PTFE dient als Beschichtung, die leicht zu reinigen ist. Brillengläser und andere empfindliche Oberflächen können damit ausgestattet werden.
PEEK (Polyetheretherketon)
Herausragende Merkmale:
- ausgezeichnete Festigkeit und Steifigkeit – im Vergleich zu anderen Thermoplasten,
- beständig geben Hydrolyse bis etwa +280 °C, Schmelztemperatur +335 °C,
- effektive Barriere gegen Permeation von Flüssigkeiten und Gasen.
Typische Anwendungen: Isolierwerkstoffe, Schaltungsträger in der Elektronik, Chipherstellung, Instrumentensaiten, Wafer
ETFE (Ethylen-Tetrafluorethylen, ein Derivat von PTFE)
Herausragende Merkmale:
- geringes Gewicht,
- lichtdurchlässig bzw. transparent,
- und resistent gegenüber aggressiven Chemikalien.
Mögliche Anwendungen: chemische Geräte, Elektrotechnik, Ventile, Armaturen
Zum Teil sind durch Faserverstärkungen modifizierte Typen der genannten Kunststoffe mit außerordentlichen oder verbesserten Merkmalen verfügbar. Technische Eigenschaften wie Verformbarkeit, Bruchfestigkeit, chemische Beständigkeit, werden durch die entsprechende Auswahl des Grundmaterials, des Herstellungsverfahrens und der zugesetzten Additive variiert.
Eigenschaftsprofile erweitern, Kosten reduzieren – mit Nanocomposites
Kunststoffoptimierungen und Kunststoffbeschichtungen sorgen dafür, dass Werkstoffen und Baugruppen neue und stärkere Eigenschaften verliehen werden können. Denn eines ist sicher: Die Ansprüche an die Produkte und deren Oberflächen nehmen weiter zu. Die Nutzung von Nanomaterialien beim Beschichten bildet in Ergänzung zu konventionellen Methoden die Grundlage für die nächste Stufe der Spezialisierung.
Hochkonzentrierte Dispersionen aus Kunststoffen und nanoskaligen Additiven, sogenannte Masterbatches, ermöglichen es, eine gezielte Auslegung geforderter Merkmale und Funktionalisierungen vorzunehmen. Denn Nanocomposites dieser Güte sorgen aufgrund ihrer stabilen Zusammensetzung für eine beträchtliche Wirkung auf den herzustellenden Kunststoff oder Verbundwerkstoff.
Bauteile und Komponenten werden somit erhöhten Anforderungen gerecht und zeigen das gewünschte, anwendungsspezifische Verhalten. Produktmerkmale und Optimierungen, die für Standard-Kunststoffe oder andere Werkstoffe zunächst untypisch sind, können hergestellt werden – zum Beispiel der für tragende Konstruktionen so wichtige Schutz gegen Korrosion.
Mit der Herstellung von Werkstoffverbünden, z. B. von modifizierten Kunststoffen, Faserverbundstoffen oder Werkstoffen mit speziellen Kunststoffbeschichtungen, werden mögliche Schwächen ausgeglichen:
- geringe Härte,
- mittelmäßige Temperaturbeständigkeit,
- Gasdurchlässigkeit,
- geringe Lösemittelbeständigkeit und Leitfähigkeit,
- Brennbarkeit usw.
Der Vorteil dabei ist, dass dies ohne spürbare Einbußen bei den anderen, zum Teil nützlichen Eigenschaften geschieht.
Jedoch sind in der Regel hohe Füllgrade nötig, um dieses Ziel zu erreichen. Die Zugabe von Nanocomposites und Nanopartikeln versetzt die Fertigungsbetriebe in die Lage, hier Kosten einzusparen. Denn die größere Oberfläche der speziellen Füllstoffe führt zu einer stärkeren Wechselwirkung mit der Matrix. Damit ist weniger Material erforderlich, um adäquate Ergebnisse zu erzielen.
Den Materialeinsatz halbieren
Ein Rechenmodell am Beispiel Glasfaserverstärkter Kunststoff (GFK) zeigt mögliche Einsparungen durch die Nutzung von Nanopartikeln auf:
- 1 kg GFK setzt sich zur Hälfte aus Harz und Glasfaser zusammen, je 0,5 kg.
- Durch Zugabe von 1 % eines Nanocomposites kann das Eigenschaftsprofil des Werkstoffs um 50 % gesteigert werden.
- Der Effekt: Der Materialeinsatz von Harz und Glasfaser kann auf jeweils 0,25 kg reduziert werden.
- Und: Die geringe Beigabe des Additivs ist kostengünstiger als 0,5 kg Material.
Verbesserung von Qualität und Beständigkeit
Zahlreiche Branchen verlangen modernen Werkstoffen alles ab, was technisch möglich ist – jetzt und in Zukunft. Die Erkenntnisse und die Forschungen auf dem Gebiet der Nanotechnologie tragen einen entscheidenden Anteil daran, dass neue und äußerst leistungsfähige Kunststoffbeschichtungen auf die Einsatzbereiche zugeschnitten werden können. Auf die Beschichtungsprozesse bezogen stehen Nanopartikel für zusätzliche vorteilhafte Effekte:
- Reduzierung von Materialeinsatz und Energie,
- verbesserte Hafteigenschaften bzw. Haftfestigkeit
- und Steigerung der Beständigkeit.
Die Qualität der Beschichtungen auf den unterschiedlichen Trägermaterialien kann deutlich gesteigert werden. Sind die Nanopulver zudem dispergiert, sind sie einfach und sicher in einer Paste oder als Granulat zu handhaben, ohne die Zuverlässigkeit bestehender Prozesse zu gefährden.
Nano-Kunststoffbeschichtungen klug einsetzen
Nanomodifizierte Kunststoffe auf Metall
Schon vor einigen Jahren haben Forscher von Fraunhofer ITC entdeckt, dass Nanoadditive beim Energiesparen helfen. Metallbänder und Drähte wurden mit schaltbaren, thermochromen Beschichtungen versehen. Sie ändern je nach Temperatureinfluss die Farbe. Nano-Oberflächen können auf diese Weise Wärme absorbieren und sogar zurückstrahlen. Dieser Effekt kann im Bauwesen dafür sorgen, dass Außenhüllen von Gebäuden wärmeregulierend wirken und Betriebskosten entsprechend gesenkt werden können.
Ausstattung von Leder- und Textiloberflächen
Die Behandlung von textilen Flächengeweben, Fasern und Leder mit Kunststoffbeschichtungen im nanoskaligen Bereich versieht die Produkte mit speziellen Funktionen für weiterführende Anwendungen. So ist es möglich, Kleidungsstücke, die zum Beispiel in Situationen mit extremen Einwirkungen getragen werden müssen – wie persönliche Schutzausrüstung (PSA) – auf spezielle Anforderungen auszurichten: Hitze- und Strahlenschutz, Wasserdampfdurchlässigkeit etc.
Nanotechnologie für Farben und Lacke
Der Produktgruppe der Lacke, Wand- und Druckfarben kommt ebenfalls die grundlegende Funktion zu, Gebäude oder auch Produkte aus Papier, Glas oder anderen Materialien zu schützen oder zu kennzeichnen. Angestrebte Eigenschaften der Oberflächenbeschichtungen sind darüber hinaus:
- möglichst geringer Lösemittelgehalt,
- besondere und brillante Effekte,
- hohe Beständigkeit gegen Abrieb, UV-Beständigkeit
- und geringere Verschmutzung.
Dank neuartiger nanoskaliger Additive lassen sich diese Aufgaben erfüllen. Forscher betrachten dazu verschiedene Lösungswege, z.B.:
- Beschichtungen per Nanocomposites,
- Hybridbeschichtungen auf Basis der Sol-Gel-Technologie,
- Beschichtungen aus mehrphasigen Komponenten mit Bindemitteln.
Die Zukunft: High End Kunststoffbeschichtungen
Die bereits angestoßenen und die zukünftigen Projekte von Unternehmen und Forschungseinrichtungen werden weitere Lösungen für Kunststoffbeschichtungen hervorbringen. Viele F&E-Teams sehen großes Potenzial in den nanomodifizierten Kunststoffen. Denn ihr Einsatz bietet vielversprechende Chancen zur Etablierung innovativer Produkte für bedeutende Branchen: Medizin, Transport, Luft-/Raumfahrt, Energie, Chemie oder Elektrotechnik.
Nanocomposites können dabei helfen, Werkstoffe und Produkte leistungsfähiger auszulegen und Herstellungsverfahren effizienter zu gestalten. Je nach Anwendung und Wahl der Nanopartikel sind sehr unterschiedliche Eigenschaftsprofile realisierbar. Wir dürfen gespannt sein, welche Neuheiten die Nanotechnik noch bereithält. Können die nanoskaligen Additive beispielsweise durch Metallrecycling erschlossen werden, ist zudem der Anspruch an eine nachhaltige Ressourcenwirtschaft erfüllt.
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