Nanotechnologie Lösungen zur Selbstreinigung, schmutz- und wasserabweisende Beschichtungen

Traditionelle Beschichtungsmaterialien oft nicht stand den Test der gestiegenen Anforderungen an die Materialien heute gemacht. jedoch in den letzten Jahren wurden Fortschritte zuzuschreiben Nanotechnologie 1 unter Verwendung von Verfahren hergestellt.

Die Bereitstellung einer Antwort auf die Frage, wo die Nanotechnologie heute ist. Im Folgenden finden Sie einen kurzen Überblick über die Grundlage dieser Strukturen, die bei ihrer Herstellung beteiligten Prozesse, die Bereiche, in denen sie verwendet werden können, und die Wirkung, die sie auf die Umwelt und die menschliche Gesundheit haben.

Selbstreinig I - der "Lotus-Effekt"

Die Lotuspflanze (Nelumbo nucifera. Abbildung 1) ist in Asien für seine außergewöhnliche Reinheit verehrt. Obwohl es in schlammigen Gewässern wächst, erscheinen die Blätter immer makellos sauber. Die Pflanzen Blätter sind superhydrophobe, das heißt Wassertropfen abperlen rückstandsfrei, wobei alle Verunreinigungen mit ihnen.

In den meisten Fällen sind diese Form der Selbstreinigung dient nicht so sehr um die Pflanze vor Schmutz zu schützen, wie von Pathogenen (z.B. Pilzsporen, Bakterien). Super-hydrophobia ist eine Eigenschaft, die in der Lotuspflanze nicht nur jedoch gefunden wird, ist es auch in rund 300 anderen Pflanzenart vorhanden ist. Insekten zu, wie Libellen und Schmetterlinge haben diese Eigenschaft auf der Oberfläche der Flügel

Das erste kommerzielle Produkt hergestellt in Zusammenarbeit mit der Industrie war eine Silikonharz-Hausfarbe, die weit verbreitet, da wurde verwendet und in der Silizium-Nanopartikel bildet mikrostrukturierte Oberfläche 3. Andere „Lotus-Effect®“ Produkte sind keramische Dachziegel, Architekturglas und einer Spray für die industrielle Verwendung, die Oberflächen vorübergehend nicht benetzbar und selbstreinigender macht 4. Advances auch bei der Entwicklung von technischen Geweben hergestellt werden, die selbstreinigend sind.

Herstellung von Oberflächen, die einen „Lotus-Effect®“ -Funktion ist technisch anspruchsvoll und stellt nach wie vor gewisse Probleme. Bis heute gibt es nur wenig Low-Cost-Prozesse, die die Oberflächenstrukturen in großem Maßstab produzieren können.

Ein Beispiel ist die Anwendung von „Lotus-Effect®“ Strukturen in Hausfarben. Auch können die erforderlichen Oberflächenstrukturen entweder aus hydrophoben Polymeren, früh in der Herstellungsphase oder nach der Herstellung durch Formen erzeugt werden, Ätzen oder ein Pulver aus hydrophoben Polymeren oder von Nanopartikeln (z.B. Siliciumdioxid) aufgebracht wird. Eine weitere Möglichkeit ist die anschließende Hydrophobierung einer zuvor hergestellten Oberfläche, die die erforderlichen Strukturen 7 hat.

Einsatzmöglichkeiten und Grenzen

Die Empfindlichkeit dieser Oberflächenstrukturen auf mechanische Belastung verhindert, dass sie weit verbreitet sind. Während die Struktur der Lotuspflanze ständig selbst erneuert, technologische Nachahmungen nicht über diese Fähigkeit. Folglich keine Bekleidungstextilien mit dem „Lotus-Effekt“ erzeugt worden ist - Waschen in einer Waschmaschine würden die Oberflächenstrukturen zerstören.

Schmutz und Nanotechnologie wasserabweisend „Easy-to-Clean“ -Oberflächen

Abbildung 4: Schematische Darstellung einer "Easy-to-Clean" -Oberfläche.

Das Sol kann, wie beispielsweise Tauchbeschichten unter Verwendung von herkömmlichen industriellen Verfahren auf eine große Vielfalt von Oberflächen aufgebracht werden, Aufsprühen oder Aufschleudern. Die resultierenden Beschichtungen sind nur wenige Nanometer dünn und transparent - ein wichtiger Vorteil gegenüber anderen herkömmlichen Beschichtungsmaterialien wie Teflon ®, das wegen seiner Graphitgehalt eine dunkle Farbe hat. Diese Beschichtungen können somit auch auf verwendet werden, beispielsweise Glas. Sol-Gel-Verfahren werden bereits in der Kraftfahrzeugindustrie verwendet, um wasserabstoßende Beschichtungen für Windschutzscheiben oder Außenspiegel 14. In der industriellen Fertigung zu erzeugen verarbeitet die Beschichtung in die Oberflächen bei hohen Temperaturen verbrannt wird, um dadurch ihre Haltbarkeit zu steigern. Als Sol ebenfalls bei Raumtemperatur austrocknen kann eine feste Schicht zu bilden, Oberflächen wie Fensterglas auch Nachbearbeitung werden kann durch den Verbraucher oder einen kommerziellen Dienstanbieter behandelt (z.B. Reinigungsunternehmen). Eine Anzahl verschiedener Flüssigkeiten oder Sprays für diesen Zweck ist im Handel erhältlich. Diese Beschichtungen sind jedoch nicht haltbar und müssen nach einer gewissen Zeit erneuert werden. Leider Informationen über die genauen Bestandteile der Postproduktion mit „Easy-to-Clean“ Eigenschaften, die in Geschäften oder über das Internet bezogen werden können, sind knapp, da die Hersteller oft das Recht des Handelsgeheimnisses behaupten. Es ist daher in der Regel nicht möglich festzustellen, ob die Erzeugnisse der chemischen Nanotechnologie jeweils bezogen werden.

Selbstreinig II - photokatalytischer nanotitanium dioxid (TiO 2)

Bisher 15 photokatalytisch selbstreinigend ist wahrscheinlich die am weitesten verbreitete Anwendung der Nanotechnologie in der Bauindustrie zugeschrieben. Es gibt bereits eine große Anzahl von Gebäuden weltweit, die damit behandelt wurden. Die photokatalytischen Eigenschaften von TiO 2 wurden bereits im Jahr 1967 von Akira Fujishima, ein Wissenschaftler an der Universität von Tokyo, und das Phänomen wurde als „Honda-Fujishima-Effekt“ bekannt entdeckt. Das erste Haus mit selbstreinigenden Außenflächen war Fujishima eigene 9.

Photokatalytische Beschichtungen mit nano-TiO 2 wird in der Regel in der gleichen Zeit wie das Material selbst aufgebracht wird hergestellt, chemische Dampfabscheidung unter Verwendung von (CVD 23). Die Beschichtung ist bereits im Einsatz nicht nur in Glasoberflächen, aber auch in Kunststoffen (PVC), Schallschutzplatten, Fliesen, Dachsteinen oder Betonplatten. Doch dieses Verfahren ist es nicht möglich zu beschichten dieser Materialien Postproduktion. Im Fall von Glasscheiben, ist es wichtig, dass die Silikondichtungen verwendet werden, nicht zu gewährleisten, da ihre Öle über das Glas sickern, die hydrophilen Oberflächeneigenschaften zu zerstören und führen zu unansehnlichen Ausstrichen bilden 9.

Umwelt und Gesundheit

Aktuelle Risikobewertungen schließen, dass es auf die Umwelt oder die menschliche Gesundheit von Beschichtungen, in denen Nanopartikel fest eingebettet sind in einer Beschichtungsmatrix, wie im Fall von „Easy-to-Clean“ Beschichtungen sehr geringe Wahrscheinlichkeit einer schädlichen Auswirkungen. Es gibt bisher auch keine Hinweise auf Umwelt- oder Gesundheitsrisiken von Oberflächen mit dem „Lotus-Effekt“. Eine kürzliche Untersuchung der Abriebfestigkeit von Teststrukturen, die mit Zinkoxid-Nanopartikel-Schichten zeigten keine signifikante Freisetzung aus dem Beschichtungsmaterial beschichtet worden war 29. Es scheint jedoch möglich, dass Nanopartikel als Ergebnis Witterungseinflüsse auf die Beschichtung freigesetzt werden, Matrix, beispielsweise in dem sie bestehen aus biologisch abbaubaren Materialien. Eine Untersuchung von Kaegi et al. sehr geringe Mengen, zwischen 20 und 300 nm in der Größe, als Folge der Verwitterung synthetischen TiO 2 -Partikeln wurde freizugeben, die Fassadenfarben gezeigt, und dass diese den Boden über das Regenwasser Drains 30. Die photokatalytisch Aktivitäten von TiO 2 freien Sauerstoff erzeugen eingeben Radikale, die für Wasserorganismen giftig sind, wenn eine solche Nanopartikel die Gewässer einfahren bewohnen sie 31 Bisher Schwellenwerte unbekannt bleiben. Die Freisetzung von Teilchen in die Umgebung kann jedoch reduziert oder verhindert werden, wenn Nanobeschichtungen und -materialien entsprechend 32 ausgelegt sind.

Anmerkungen und Literaturhinweise

15 Photokatalytische Selbstreinigung ist die Eigenschaft von Oberflächen, beschichtet mit Titandioxid (TiO 2) Nanopartikel. Titandioxid (TiO 2) ist ein Halbleiter; Elektron-Loch-Paare erzeugen Licht, wenn die Energie der Photonen größer als die Bandlücke Eg (innerer photoelektrischer Effekt). Die Elektronen oder Löcher können auf die Oberfläche in Titandioxid diffundiert und produzieren Radikale, die organische Substanzen abzubauen. Die Löcher haben insbesondere eine starke Oxidationswirkung; OH-Radikale sind aus Wasser, als organische Substanzen sind nach unten gebrochen. Die Endprodukte sind oft CO2 und Wasser. Die Bandlücke Eg ist 0,2 eV für Anatas, die Form von TiO 2, die für die Photokatalyse (ca. 3,0 eV für die weniger effiziente Rutil-Kristallstruktur) am effizientesten ist. Da diese Energie entspricht eine Wellenlänge von ca. 390 nm, nur ultraviolettes Licht wirksam ist. Die super-hydrophilen Eigenschaften der Oberflächen durch Sauerstofflücken auf der TiO 2 -Oberfläche erzeugt. Es ist hier, dass die OH-Gruppen ein gutes Netting mit Wasser zu ermöglichen, gebunden sind.

22 In der chemischen Dampfabscheidung (CVD) mindestens zwei flüchtige Verbindungen mit einem Gasstrom in eine Reaktionskammer zugeführt werden, die das Objekt enthält beschichtet werden. Die Zugabe von Reaktionsenergie verursacht eine chemische Reaktion auf der Oberfläche des Objektes zu nehmen. Wenn die Verschiebung einer Schicht auf der Oberfläche zur Bildung von festen Partikeln in der Gasphase zu bevorzugen ist, muß der CVD erfolgen bei sehr niedrigen Drücken.

24 www.nanprom.de/fassadenfarbe.htm, 24.3.10.

26 www.dbu.de/575.html, 10.6.10.

Durch Nanotrust, Österreichische Akademie der Wissenschaften. Nanotrust Dossiers sind unregelmäßig veröffentlicht und enthalten die Forschungsergebnisse des Instituts für Technikfolgenabschätzung im Rahmen ihres Forschungsprojekt Nanotrust. Die Dossiers werden die Öffentlichkeit ausschließlich auf epub.oeaw.ac.at/ita/nanotrust-dossiers zur Verfügung gestellt.

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