Eine Beschichtung, die sich selbst repariert

Wenn der Unterboden eines Autos oder der Rumpf eines Schiffes zu rosten beginnen, führt das nicht selten über kurz oder lang zum Altmetallhändler. Eine neuartiger Zusatzstoff für Farben und Lacke, der an der University of Illinois entwickelt wurde, soll nun Kratzer vollautomatisch wieder schließen und das darunter liegende Metall schützen können. So genannte Selbstheilungselemente stecken in Mikrokapseln, die aufreißen, sobald die Beschichtung beschädigt wird. Die Technologie ist zu einer großen Anzahl von Farben, Lacken und Schutzbeschichtungen kompatibel und soll vom Anbieter Autonomic Materials bereits in wenigen Monaten auf den Markt gebracht werden.

Entwickelt wurden der Zusatzstoff von Paul Braun und Scott White, beides Professoren am Beckman-Institut der University of Illinois in Urbana-Champaign. Die Selbstheilungselemente bestehen aus zwei Arten von Mikrokapseln: Die eine ist mit Polymer-Bausteinen gefüllt, die andere mit einem Katalysestoff. Weil eine Hülle aus Polyurethan die reaktiven Chemikalien im Innern isoliert, lässt sich das Material in zahlreiche Beschichtungen hineinmischen. Bei einem Kratzer werden die Kapseln dann aufgerissen und ihr Inhalt fließt aus. Es bildet sich Siloxan, das sich mit Sanitärabdichtungsmitteln vergleichen lässt. Im Gegensatz zu anderen Selbstheilungselementen benötigt die Technik der U of I-Forscher weder hohe Temperaturen noch Feuchtigkeit, damit sie funktioniert.

Die Forscher aus Illinois zerkratzten im Versuch Stahlplatten, einige davon mit dem Farbzusatz beschichtet, andere mit herkömmlichen Farben. Dann wurden die Elemente fünf Tage lang in Salzwasser getaucht. Das Metall mit dem Farbzusatz war gegen Rost geschützt, während die Kratzer in den herkömmlichen Platten deutliche Rostschäden verursachten. "Das ist ein sichtbarer Beweis dafür, dass das System wie gewünscht funktioniert", sagt Christopher Bielawski, Juniorprofessor für Material- und Ingenieurwissenschaften an der University of Texas in Austin.

Bielawski sieht zahlreiche Anwendungsgebiete für den Farbzusatz, der aus kostengünstigen, breit verfügbaren Chemikalien bestehe. Nahezu alle Beschichtungen mit Aushärtungen bei maximal 150 Grad seien geeignet. Braun und seine Gruppe demonstrierte die Technik bereits mit verschiedenen Stoffen, darunter einer kommerziellen Militärfarbe für Schiffe.

Die meisten Arbeiten an solchen selbstheilenden Materialien konzentrierten sich bislang auf die Einbindung in bestehende Strukturen. Dabei ging es unter anderem darum, die mechanischen Eigenschaften von Wänden wiederherzustellen, so dass sie nicht mehr zerbröseln. Auch Flugzeugflügel waren angedacht, die sich trotz Rost nicht zerstören lassen. Kernstück der U of I-Forschung ist nun aber die Verkapselung des Katalysestoffs. Wäre dieser ungeschützt, würde er die Beschichtung selbst angreifen. Die Kapsel sorgt erst dafür, dass das System mit einer großen Anzahl an Farben und Beschichtungen kompatibel ist.

Die Technologie ist allerdings noch nicht für Bereiche geeignet, in denen es um ästhetische und haptische Schönheit geht. Die Kapseln haben einen Durchmesser von 10 bis 100 Mikrometern. Werden sie in dünnere Beschichtungen eingeführt, fühlt sich das bei Berührung rau an. Larry Evans, Chef von Autonomic Materials, sieht deshalb als ersten Zielmarkt Industriebereiche, in denen es allein um die Belastbarkeit geht – etwa Schiffe, Ölplattformen oder Pipelines, bei denen Metalle harten Umweltbedingungen ausgesetzt sind. Überall dort, wo es besonders teuer sei, komplette Bereiche zum Rostschutz neu zu streichen, könne die Technik verwendet werden. Automatic Materials habe bereits Partnerschaften mit großen Farb- und Lackherstellern begonnen. (bsc)