Entwicklungsimpulse von kleinsten Teilchen

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1 Entwicklungsimpulse von kleinsten Teilchen Nanotechnologie liefert hohes Ökoeffizienzpotenzial. Michael Steinfeldt, Berlin, und Georg Wagner, Tholey. Nanotechnologie ist ein Sammelbegriff für eine Palette von Technologien, die sich mit Strukturen und Prozessen im nanoskaligen Bereich befassen. Aufgrund des hohen Veränderungspotenzials werden von ihr zahlreiche Entwicklungen in den verschiedensten technologischen Bereichen - so auch der Lackindustrie - ausgehen. Die Untersuchungen verdeutlichen, dass beim Einsatz von Nanolacken auf Basis der Sol-Gel-Technologie VOC-Emissionen und anfallende Abfallmengen vergleichsweise gering sind. Nanotechnologie wird zumeist dadurch definiert, dass sie sich mit Strukturen befasst, die in mindestens einer Dimension kleiner als 100 nm sind. Außerdem resultieren aus der Nanoskaligkeit neue Funktionalitäten und Eigenschaften zur Verbesserung bestehender oder Entwicklung neuer Produkte und Anwendungsoptionen. In der Lackindustrie können derzeit drei Ansätze der Nanotechnologie unterschieden werden: - Einarbeitung von nanoskaligen Partikeln in Lackformulierungen, z. B. anorganische Siliziumoxidpartikel zum Einstellen der Fließeigenschaften und zur Erhöhung der Kratzfestigkeit - Neuartige Synthesewege für Bindemittel über nanoskalige Kolloidpartikel, z. B. auf Basis von Organosilanen - Einstellung bestimmter Funktionalitäten durch geplante Syntheseplanung. Ein Bereich nanotechnologischer Anwendungen mit besonders hohen Ökoeffizienzpotenzialen liegt in innovativen Nanolacken auf der Basis von Organosilanen, wie eine Fallstudie im Rahmen des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Projektes "Nachhaltigkeitseffekte durch Herstellung und Anwendung nanotechnologischer Produkte" aufzeigen konnte. Im Rahmen der "Innovations- und Technikanalyse zur Nanotechnologie" des BMBF bearbeitete das Institut für ökologische Wirtschaftsforschung (IÖW) diese Themenstellung in Kooperation mit der Universität Bremen sowie zwei Praxispartnern. Das Projekt griff den aktuellen Stand der Stoff- und Technikbewertung auf und versuchte, ihn in Richtung einer integrierten Nachhaltigkeitsbewertung weiter zu entwickeln. Dabei lag der Fokus auf den ökologischen Chancen und Risiken dieser sich entwickelnden Technologie. Einschätzung der ökologischen Relevanz Im Projekt wurde ein dreistufiger Ansatz zur prospektiven Technologiebewertung und -gestaltung von Nanotechnologie verfolgt. Der prospektiv orientierte Ansatz fokussierte die Bewertung der Nanotechnologie und ihre Wirkungen durch eine 'Charakterisierung der Technologie'. Im prozessbegleitenden Bewertungsansatz wurden Nachhaltigkeitseffekte in Anlehnung an ökobilanziellen Methoden an konkreten Anwendungsbeispielen im Vergleich zu bestehenden Produkten und Verfahren vertiefend untersucht. Vier Fallstudien stellen mögliche Ökoeffizienzpotenziale durch Nanotechnologien dar; eine Fallstudie beschäftigt sich stellvertretend mit den Risikopotenzialen nanotechnologischer Anwendungen. Außerdem wurden in einem dritten Schwerpunkt gestaltende Ansätze für eine nachhaltige Nanotechnologie bspw. durch Leitbilder formuliert [3]. Dieser Beitrag widmet sich hauptsächlich den Ergebnissen einer der vertiefenden Fallstudien, in der das ökologische Potenzial von auf Nanotechnologie basierenden neuen Beschichtungsverfahren untersucht wurde. Als konkretes Beispiel wurde eine Klarlackbeschichtung für Aluminium durch einen neuartigen Nanolack auf Basis der Sol-Gel-Technologie von NTC Nano Tech Coatings GmbH betrachtet. Die Einschätzung der ökologischen Relevanz wurde hierbei mit Hilfe einer vergleichenden ökobilanziellen Abschätzung vorgenommen. Die Untersuchung der ökologischen Aspekte erfolgte im Vergleich zu anderen Lacksystemen, namentlich Wasserlacken, Lacken auf Lösemittelbasis und Pulverlacken und den damit verbundenen Vorbehandlungen. Nanolack auf Basis der Sol-Gel-Technologie Der neu entwickelte Nanolack unterscheidet sich durch mehrere Merkmale grundsätzlich von herkömmlichen Lacken. Der Lackaufbau ist ein grundsätzlich anderer. Zwar besteht der Klarlack wie die anderen Flüssiglacke auch aus Bindemitteln, Lösemitteln und Additiven. Das Bindemittel ist jedoch nicht wie üblich von organischer Struktur, sondern ein so genanntes anorganisch-organisches Hybridpolymer. Diese neuartigen Bindemittel stellen eine Mischform aus organischen und anorganischen Bindemitteln dar und vereinigen viele Vorteile dieser beiden Stoffe. Beim Aushärten bilden die anorganischen Partikel ein glasähnliches Netzwerk mit verknüpfenden organischen Elementen. Die Herstellung des Nanolacks erfolgt mittels Sol-Gel-Technik. Der Sol-Gel-Prozess ist ein bereits seit langem bekannter Prozess, hat allerdings durch vermehrte Forschungs- und Entwicklungstätigkeiten in den letzten Jahren eine wesentlich breitere Bedeutung erlangt. Er gilt als ein besonders viel versprechendes Feld der Nanotechnologie. Bei diesem Prozess werden häufig siliziumorganische Verbindungen, die so genannten Silane eingesetzt. Die Synthese des Bindemittels erfolgt durch die Hydrolyse von Alkoxysilanen. Speziell bei dem in dieser Fallstudie untersuchten Lack kommen organisch modifizierte Silane mit reaktiven Gruppen zum Einsatz. Hydrolyse und nachfolgende Kondensation führt zur Bildung des anorganischen Teils des Bindemittels. Zeitgleich erfolgt die Bildung des organischen Teils des Bindemittels. Die organischen Seitengruppen an den Silanverbindungen reagieren unter Ausbildung von organischen Netzwerkstrukturen. Durch die Bildung dieses anorganisch-organischen Netzwerks härtet der Lack aus. Analyse von Ökoeffizienzpotenzialen Das Bindemittel liegt als dünnflüssiges kolloidales System vor, dessen Kolloidpartikel einen Durchmesser von ca. 40 bis 50 nm haben. Im Lösemittel befinden sich zu diesem Zeitpunkt unreagierte Silane, Sila- nole sowie bereits teilweise gebildete Polysiloxane. Dieses kolloidale System befindet sich im so genannten Sol-Zustand. Nach dem Auftragen und Aushärten des Lacks liegt der Gel-Zustand vor [4]. Daraus leiten sich folgende Grundeigenschaften von Nanolacken ab: - verbesserte Untergrundhaftung - geringe Trockenschichtdicke - erhöhte mechanische und chemische Beständigkeit - geringer Materialverbrauch - vielfältige - oftmals neuartige - Einsatzgebiete für Lackmaterialien.

2 In Bezug auf den Einsatz als Korrosionsschutz für Aluminium ist darüber hinaus die Chromatierung als Vorbehandlung überflüssig und nur eine mild-alkalische Reinigung notwendig [1] und die Bindemittelmoleküle sind in der Lage mit dem Untergrund zu reagieren (vgl. Abb.1). Einige Eigenschaften dieser Beschichtung auf Aluminium sind in Tab. 1 aufgelistet. Es handelt sich um eine Klarlackbeschichtung, die nach der thermischen Härtung eine Trockenschichtdicke im Bereich von 4 bis 8 µm aufwies. Als Bewertungsansatz orientierte sich die ökologische Profilbetrachtung an der Methodik der Ökobilanzierung. Die Ökobilanz ist die am weitesten entwickelte und normierte Methode zur Abschätzung der mit einem Produkt verbundenen Umweltaspekte und produktspezifischern potenziellen Umweltwirkungen. Nach EN ISO besteht eine Ökobilanz aus folgenden Schritten: a) Festlegung des Ziels und des Untersuchungsrahmens b) Sachbilanz c) Wirkungsabschätzung d Auswertung Ein Vorteil besteht darin, dass durch die Ökobilanz die Analyse von Ökoeffizienzpotenzialen im Vergleich zu bestehenden Anwendungen möglich ist. Vier Varianten im Vergleich Auf der anderen Seite besitzt die Ökobilanzmethode auch Defizite; so existieren nicht für alle Wirkungskategorien bisher allgemein akzeptierte Wirkungsmodelle. Dies muss insbesondere für die relevanten Kategorien Humantoxizität und Ökotoxizität festgestellt werden. So geht die Berücksichtigung der Belastung durch Feinstäube (PM10-Risiko thematisiert ein mögliches Toxizitätspotenzial durch Partikel <10 µm) in Ökobilanzen bei Nanotechnologie-Anwendungen allein schon größenordnungsmäßig am Ziel vorbei. Außerdem werden in Ökobilanzen Risiken sowie die Wirkmächtigkeit von Anwendungen nicht betrachtet. Ein umfassendes Methodenset müsste derartige Analysen mit beinhalten. Im Projekt wurde mit dieser Ambivalenz dahingehend umgegangen, dass bei der Auswahl der konkreten Anwendungskontexte bewusst Schwerpunkte gesetzt wurden. Mögliche Risiko- und Gefährdungspotenziale nanotechnologischer Anwendungen wurden fokussiert, am Thema Nanopartikel analysiert und in einer separaten Fallstudie diskutiert. Untersuchungsgegenstand der Fallstudie "Ökoeffiziente Nanolacke" ist die Oberflächenbehandlung von Leichtmetallbauteilen, wie sie verstärkt in der Automobilindustrie zum Einsatz kommen. Als funktionelle Einheit wurde hierbei die Oberflächenbehandlung von 1 m ² Aluminium-Automobilteil mit verschiedenen Klarlacken verwendet. Der Bilanzraum stellte den gesamten Lebenszyklus des Produktes Lack inklusive der Oberflächenvorbehandlung dar. Die einzelnen Lebenswegstufen sind hierbei: - Rohstoffgewinnung - Grundstoffherstellung (Bindemittel, Lösemittel usw.), - Lackherstellung, - Oberflächenvorbehandlung, - Applikation (Lackiervorgang), - Nutzungsphase, - Entsorgung/Recycling. Die relevantesten Umweltauswirkungen sind in den Lebenswegstufen Lackherstellung inkl. Rohstoffherstellung, der Vorbehandlung, der Applikation sowie der Gebrauchsphase zu erwarten. Für die Profilbetrachtung muss einschränkend angemerkt werden, dass der Prozessschritt der Oberflächenvorbehandlung auf Grund von Datenlücken nur qualitativ behandelt werden konnte. Im Gegensatz zu den gebräuchlichen 10 bis 12 Bädern bei der Chromatierung bzw. Anodisierung sind bei der Vorbehandlung für die Nanolackanwendung nur drei Bäder mit einer mild-alkalischen Reinigung notwendig. Die letzte Phase Entsorgung/Recycling wurde als identisch angenommen und nicht weiter betrachtet. Für die Umweltrelevanz der zu betrachtenden Lacksysteme sind folgende Einflussparameter bestimmend: - Lackzusammensetzung, - Notwendige Oberflächenvorbehandlung, - Schichtdicke. Anhand dieser Parameter wurden vier Varianten betrachtet, die den Stand der Technik wiedergeben (1-Komponenten-Klarlack, 2-Komponenten-Klarlack, Wasser-Klarlack, Pulver-Klarlack). Als Datengrundlage der vier vorhandenen Lacktechnologien wurden die vorhandenen zusammengefassten Ökobilanzdaten der Studie von Harsch und Schuckert [2] zu Grunde gelegt, in der die Pulverlackierung mit anderen Lackiertechnologien ökobilanziell verglichen wurde. Als fünfte Variante wird der Nanolack betrachtet, wobei dieser bislang in der Autoserienlackierung noch nicht zum Einsatz kommt, was ihn von den anderen vier Varianten unterscheidet. Da keine quantifizierten Daten der Vorproduktion der Nanolackbestandteile, insbesondere des eingesetzten Silans vorhanden sind, wurden für den Nanolack die Daten des 2-Komponenten-Lacks übernommen und mit einem "Sicherheitsfaktor" von 1,5 belegt. Tab. 2 zeigt ausgewählte Basisdaten der betrachteten Lacksysteme. Vorteile für den Transportsektor Da quantitative Daten für die Vorbehandlung nicht vorliegen sowie die Lebenswegstufe Entsorgung/Recycling keine Berücksichtigung findet, ergeben sich für die jeweiligen Variantenbetrachtungen nur Berechnungen für die Lackerstellung inklusive der Rohstoffherstellung, Applikation sowie für die Gebrauchsphase. Die Lackeinsatzmengen werden durch die notwendigen aufzutragenden Beschichtungsdicken bestimmt. Die geringe Schichtdicke des Nanolackes ist die wesentliche Ursache für die hohe Ressourceneffizienz. Trotz des hohen Anteils an Lösemitteln im Nanolack ist die absolute Lösemittelmenge ebenfalls im Verhältnis zu den anderen Varianten sehr gering (Abb. 2). Auch bei den VOC-Emissionen wird der Vorteil des Nanolackes insbesondere in den Lebenswegstufen Lackherstellung sowie Gebrauchsphase sehr deutlich. Die VOC-Emissionen des Nanolackes sind um ca. 65 % niedriger als die Emissionen der anderen Varianten (Abb. 3). Die ökologische Vorteilhaftigkeit des Nanolackes zeigt sich ebenfalls beim anfallenden Abfall (vgl. Abb. 4). Auch bei den auswertbaren Umweltwirkungen zeigen sich deutliche Vorteile des Nanolackes. Der Treibhauseffekt wird im Untersuchungssystem durch Emissionen von Kohlendioxid (CO 2 ), Methan (CH 4 ) und Distickstoffoxid (N 2 O) hervorgerufen, wobei die Kohlendioxid-Emissionen aus dem Verbrauch fossiler Energieträger den größten Anteil ausmachen. Das Treibhauspotenzial wird überwiegend durch den energetischen Aufwand der Applikation bestimmt und umfasst neben dem eigentlichen Beschichtungsprozess auch die Aufwendungen für die Trocknung etc. Die Unterschiede zwischen den betrachteten Varianten sind hierbei gering. Das um ca. 1/3 geringere Treibhauspotenzial des Nanolackes (vgl. Abb. 5) resultiert einerseits aus der Lack- herstellung durch die geringere Lackmenge. Andererseits wird auf Grund der eingesparten Masse in der Gebrauchsphase Treibstoff eingespart.

3 Die dargestellten Vorteile aus der Gebrauchsphase sind besonders im Transportsektor im Zuge des Leichtbautrends zu erwarten. Neben der Automobilindustrie würden sich diese Potenziale noch stärker in der Flugzeugindustrie und in der Bahnindustrie auswirken. Die Untersuchungen zu Nanolacken verdeutlichen eindrucksvoll, dass durch den Einsatz von nanotechnologiebasierten Beschichtungen besonders auf Basis der Sol-Gel-Technologie bei allen betrachteten Emissionen und Umweltwirkungen sehr hohe Ökoeffizienzpotenziale bestehen. Darüber hinaus konnte der weitere Vorteil einer einfachen Vorbehandlung qualitativ aufgezeigt werden. Durch die geringe notwendige Beschichtungsdicke bei gleicher Funktionalität wird eine um den Faktor 7 bis 10 höhere Ressourceneffizienz erreicht; Vorteile aus der Gebrauchsphase sind vor allem im Transportsektor im Zuge des Leichtbautrends zu erwarten. Weiteres Optimierungspotenzial besteht beim Nanolack noch darin, den Lösemittelanteil in der Lackapplikation zu senken. Die Ausweitung der neuen technologischen Möglichkeiten auf den Stahlbereich z. B. für schweren Korrosionsschutz würde die bisherige Anwendungsbreite von Oberflächenbeschichtungen auf Basis der Nanotechnologie noch um ein Vielfaches erweitern und damit auch die Realisierung der damit in Verbindung stehenden Ökoeffizienzpotenziale. Diese Produkte wurden im Dezember 2004 vom Bundesministerium für Wirtschaft und Arbeit in Berlin wegen der hohen Ressourcen und Materialeffizienz mit den Deutschen Materialeffizienzpreis 2004 ausgezeichnet. Nanolackes die wesentliche Ursache für die hohe Ressourceneffizienz darstellt. Die VOC-Emmissionen des Nanolackes sind um etwa 65 % niedriger. - Die Ausweitung der technologischen Möglichkeiten auf den schweren Korrosionsschutz würde die bisherige Anwendung von Nanolacken um ein Vielfaches erweitern. Dipl.-Ing. Michael Steinfeldt, Institut für ökologische Wirtschaftsforschung ggmbh (IÖW), Berlin, ist wissenschaftlicher Mitarbeiter im Forschungsfeld Ökologische Unternehmenspolitik. Dr.-Ing. Georg Wagner, NTC GmbH, studierte Chemie an der Universität Saarbrücken und schloss sein Studium mit der Promotion am Institut für Neue Materialien ab. Es folgten Tätigkeiten als Entwicklungs- und Laborleiter in mittelständischen Lackunternehmen bevor er sich als Freiberufler selbstständig machte. Im Jahr 2000 gründete er im saarländischen Tholey die NTC GmbH, die sich mit der Entwicklung und Produktion von Korrosionsschutzlacken auf Basis der chemischen Nanotechnologie beschäftigt. Literatur [1] N. Aschenbrenner (2003): Ohne Chrom geht's auch. Korrosionsschutz durch neuartige Beschichtung. In: Spektrum der Wissenschaft, 02/2003 [2] M. Harsch & M. Schuckert (1996): Ganzheitliche Bilanzierung der Pulverlackiertechnik im Vergleich zu anderen Lackiertechnologien. Sachbilanzebene. Stuttgart: Institut für Kunststoffprüfung [3] M. Steinfeldt; A. v. Gleich; U. Petschow; R. Haum; T. Chudoba; S. Haubold (2004): Nachhaltigkeitseffekte durch Herstellung und Anwendung nanotechnologischer Produkte. Endbericht des gleichnamigen BMBF-Projektes. Schriftenreihe des IÖW 177/04, Eigenverlag, Berlin [4] G. Wagner und U. Wienhold, "Wenig hilft viel: Dünne hybride Sol-Gel Beschichtungen auf Leichtmetallen bieten effektiven Schutz", Farbe & Lack 109 (2003), Nr. 6, S. 29. [5] G. Wagner (2001): Silicon - an old element with a great future. In: European Coatings Journal, 10/2001 [6] Ergebnisse auf einen Blick - Der Beitrag untersucht die Einschätzung der ökologischen Relevanz eines neuartigen Nanolackes auf Basis der Sol-Gel-Technologie. - Das Bindemittel dieses Klarlackes ist nicht wie üblich, von organischer Struktur, somdern ein so genanntes anorganisch-organisches Hybridpolymer. - Nanolacke weisen u. a. verbesserte Untergrundhaftung, geringe Trockenschichtdicke und erhöhte mechanische und chemische Beständigkeit auf. - Nach EN ISO besteht eine Ökobilanz aus den Schritten Zielfestlegung, Sachbilanz, Wirkungsabschätzung und Auswertung. - Unter umweltrelevanten Gesichtspunkten wurden ein 1-K-Klarlack, ein 2-K-Klarlack, ein Wasserlack, ein Pulver-Klarlack sowie ein Nanolack verglichen. - Es zeigte sich, dass die geringe Schichtdicke des

4 Abb. 1: Chemische Anbindung an Aluminium.

5 Abb. 2: Lack- und Chromatierungsmengen (g/m ² lackierter Aluminium-Automobilfläche).

6 Abb. 3: VOC-Emissionen (g/m ² lackierter Aluminium-Automobilfläche).

7 Abb. 4: Anfallende Abfallmengen (g/m ² lackierter Aluminium-Automobilfläche).

8 Abb. 5: Treibhauspotenzial (kg/m ² lackierter Aluminium-Automobilfläche).

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