Oberflächen bleiben sauber

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1 Oberflächen bleiben sauber Neuartige Fassadenfarbe auf der Basis nanoscalierter Silica-Acrylat Bindemittel Günter Nosbüsch, Walter Weh und Alexander Färber, Stühlingen. Verschmutzte Fassaden sehen nicht nur schlecht aus. Sie bieten zudem den Nährboden für Pilze, Algen und Flechten, die auch das Mauerwerk schädigen können. Hier bieten sich Produkte auf der Basis Nanokomposite an. Sie verhindern die Anlagerung von Schmutzpartikel. Fassadenfarben auf der Basis von wässrigen Polymerdispersionen besitzen weltweit eine hohe Bedeutung und haben lösemittelbasierende Fassadenfarben weitestgehend ersetzt. Dies gilt für alle Klimazonen, wenngleich die Anforderungen an die Beschichtungsprodukte regional sehr unterschiedlich sind. Die Entwicklung einer völlig neuartigen Fassadenfarbe wurde durch Forschungsergebnisse in der Polymersynthese der Großchemie, kombiniert mit anwendungsnaher Produktentwicklung der Farbenindustrie, möglich. Die theoretischen Hintergründe und Modellvorstellungen, die zu den Bindemitteln bekannt sind, wurden publiziert [1]. Die Nanotechnologie nimmt bei den Forschungsaktivitäten in der Bundesrepublik einen bedeutenden Platz ein. So werden von der Bundesregierung jährlich rund 300 Millionen Euro zur Erforschung dieser zukunftsweisenden Technologie ausgegeben [2]. Das Resultat kann sich sehen lassen. Bei den weltweiten Patentanmeldungen liegt Deutschland auf Platz zwei hinter den USA, etwa die Hälfte der in Europa ansässigen nanotechnischen Firmen stammen aus Deutschland. Fassadenfarben auf der Bindemittelbasis von nanoscalierten Silicapartikeln in Polymerdispersionen waren bislang nur in den Forschungs- und Entwicklungszentren der Farbenhersteller ein Thema. Durch die Kombination von anorganischen feinstverteilten Silica-Nano-Domänen, eingebettet in eine verfilmbare Polymermatrix, versprachen diese Bindemittel interessante Eigenschaften. Für die erste anwendbare Fassadenfarbe liegen die Ergebnisse aus Labor und Praxis vor. Bindemittel bestimmt Farbeigenschaften Die wesentlichen Eigenschaften einer Fassadenfarbe gehen vom Bindemittel aus. Es müssen technische Grundanforderungen erfüllt werden: Haftung auf dem Substrat (Untergrund), hohe Alterungsbeständigkeit und somit lange Schutzwirkung. Die ästhetischen Anforderungen wie Farbtonstabilität und geringe Verschmutzung sind die eher sichtbaren, äußeren Aspekte, die dennoch von hoher Bedeutung sind. Viele konventionelle Polymerdispersionen erfüllen die meisten Anforderungen, lassen jedoch in einigen Produkten nur Kompromisslösungen zu [3]. - Polymerdispersionen, die auch bei niedrigen Temperaturen zuverlässig verfilmen, neigen aufgrund ihrer "Klebrigkeit" zur Verschmutzung [4]. Verschmutzungen an Fassadenbeschichtungen bieten häufig ideale Voraussetzungen für das Wachstum von Mikroorganismen. - Schutzbeschichtungen mit hohem Bindemittelgehalt (niedrige PVK) reduzieren die Wasserdampfdiffusion und führen zu einem verlangsamten Austrocknen des Substrates. Diese Nachteile sollten bei der Entwicklung der neuartigen Fassadenfarbe auf der Basis nanoscalierter Silica-Acrylat-Bindemittel - unter Beibehaltung der grundsätzlichen Eigenschaften - behoben werden. Die Nanokomposit-Fassadenfarbe erfüllt die Ansprüche an eine moderne Fassadenfarbe. Sie lässt sich mit den am Bau üblichen Verarbeitungsmethoden gut verarbeiten. Obwohl der VOC-Gehalt mit 23 g/l sehr niedrig ist, ist die Verfilmung der organischen Bindemittelphase bis 0 C sicher gegeben. Gute Ausbildung des Farbfilms Im Labor wurden Untersuchungen an der formulierten Farbe in Anlehnung an DIN ISO 2115 mit einer Schichtdicke von 250 µm durchgeführt. Sie dokumentieren eine rissfreie Filmbildung bis 0 C. Anwendungen in der Praxis während der kritischen Jahreszeit bestätigen die gute Ausbildung des Farbfilms bei Temperaturen zwischen 0 und 5 C (Abb. 1). Dennoch werden die niedrigen Grenzwerte für 2010 der VOC-Decopaint-Richtlinie [5] problemlos unterschritten (Tab. 1). Wie bereits in den Untersuchungen von Leuninger [1] erwähnt, bedarf die Ermittlung der Pigment-Volumen-Konzentration einer vollkommen neuen Betrachtungsweise. Dabei ist die Frage zu beantworten, ob der nanoscalierte Silicaanteil, der in der organischen Reinacrylatmatrix eingebunden ist, bindenden Charakter im Sinne eines Bindemittels besitzt. Oder als Füllstoff in der bekannten Rechnung eingerechnet werden muss* [6]. *[siehe PDF Seite elf] Die Untersuchungen dazu sind noch nicht abgeschlossen, die Ergebnisse allerdings für das Verständnis von Nanokompositfarben von hoher Bedeutung. Geschlossene Oberflächenstruktur bleibt unverändert Bei den Untersuchungen der Oberflächen der Nanokomposit-Fassadenfarbe mittels Rasterelektronenmikroskop ist die feine, geschlossene Oberfläche der Farbe zu erkennen. Deutlich sind die ultrafeinen Domänen der nanoscalierten Silicapartikel bereits bei der unbewitterten Probe zu sehen (Abb. 2). Auch nach der Freibewitterung bestimmen diese nahezu unverändert die Oberflächenstruktur der Farbe, lediglich ein Teil der filmbildenden organischen Acrylatphase wurde abgebaut (Abb. 3). Im Vergleich der Oberflächen mit denen einer Fassadenfarbe auf Reinacrylatbasis - ähnlich PVK -, ist die Dominanz des organischen Bindemittels und des Haufwerkes der anorganischen Füllstoffe und Pigmente zu erkennen (Abb. 4). Verschmutzte Fassaden sehen nicht nur unschön aus und ärgern Hausherren und Mieter, sie sind auch technisch ein Risiko für die "Schutzschicht" Fassadenfarbe. So wachsen Pilze und Flechten gerne auf Oberflächenverschmutzungen, die sie als Nährboden nutzen. Darüber hinaus verändern Verschmutzungen den Wasserhaushalt der Fassadenfarben und erhöhen das Bewuchsrisiko von Mikroorganismen. Die Verwendung von konventionellen anorganischen Bindemitteln, wie Wasserglas oder Zement, kann hier nur einen kurzzeitigen Vorteil bringen. Und zwar solange die Alkalität der Beschichtung auf hohem Niveau besteht. Naturgemäß baut sich diese jedoch sehr rasch ab und ab einem ph-wert von <9 sind die Voraussetzungen für den Oberflächenbewuchs gegeben. Lediglich die bekannte, unerwünschte Kreidung solcher Beschichtungen kann Verschmutzung auf Kosten von Dauerhaftigkeit und Farbstabilität temporär reduzieren. Nanokomposite verhindern Schmutzanlagerung Ziel muss es sein, durch den Einsatz von "Anorganik" in

2 einer geeigneten Form in der bewährten Polymermatrix quasi anorganische Oberflächen zu erzeugen. Diese Oberflächen, die in der Nanokomposit-Fassadenfarbe realisiert worden sind, erscheinen für organophile Schmutzpartikel anorganisch und verhindern die Adhäsion von beispielsweise Ruß, Reifenabrieb und organisch-anorganischen Partikeln aus Verbrennungsvorgängen. Als Resultat verschmutzt die Fassadenfarbe auf Basis Nanokomposit-Bindemittel sehr viel weniger. Dies ist eine der Schlüsselerkenntnisse aus dieser Studie. Die Verschmutzungsneigung von Fassadenbeschichtungen wurde in Labors ermittelt. Abb. 5 zeigt die Ergebnisse der Prüfungen im Sto Wet-Soiling-Test nach fünf Belastungszyklen. Eine konventionelle und eine optimierte Fassadenfarbe sowie eine Nanokomposit-Fassadenfarbe wurden parallel zueinander belastet. Die Nanokomposit-Fassadenfarbe zeigt visuell die besten Ergebnisse. Aus den Messwerten des Verschmutzungsindexes Dc (Helligkeitsabnahme L-Wert), der bei der unbelasteten Probe bei 100 % liegt, ist der günstige Verlauf der Schmutzaufnahme bei der Nanokomposit-Fassadenfarbe deutlich zu erkennen (Abb. 6). Schmutzaufnahme von Acrylatfarben verstärkt sich Die Messergebnisse zeigen eine recht schnelle Schmutzaufnahme der Acrylatfarben, die sich mit den 5. Zyklen deutlich verstärkt. Es ist also zu erwarten, dass sich die Nanokomposit-Fassadenfarbe in der natürlichen Bewitterung messbar günstiger verhält. Zur Überprüfung dieser Annahme wurden auf dem werkseitigen Wetterstand in Shanghai/China Testflächen mit verschiedenen Fassadenfarben angelegt und in 90 Exposition Süd/West bewittert. Aufgrund der hohen Luftverschmutzung in dieser Region können Verschmutzungsneigungen von Fassadenbeschichtungen zeitgerafft und praxisgerecht bestimmt werden. Abb. 7 visualisiert die unterschiedliche Schmutzaufnahme von verschiedenen Fassadenfarben im Vergleich. Die Ergebnisse des Wet-Soiling-Tests werden in dieser Freibewitterungsstudie bestätigt. Die Nanokomposit-Fassadenfarbe zeigt die sauberste Oberfläche nach 21 Monaten Exposition. Erfahrungsgemäß entspricht diese Schmutzbelastung auf dem Wetterstand in Shanghai einer mehrjährigen Belastung im europäischen Industrieklima. Interessant ist, das eine so genannte "Clean-Farbe" auf der Basis einer Fluorpolymerdispersion, die speziell für Anwendungen in der erwähnten Region Asiens entwickelt wurde, unbefriedigende Ergebnisse lieferte (Abb. 8). Das erste Produkt auf der Basis Nanokomposite ist geschaffen und erfolgreich getestet. Dennoch ist dieses innovative Gebiet der Nanokomposit-Farben noch wenig erforscht und die Erfahrungen in der Praxis sind noch eingeschränkt. Erst weitere Forschungs- und Entwicklungsprojekte werden schlussendlich das gesamte Leistungsspektrum der Nanokomposite, als innovative Produktklasse, erschließen. Dabei müssen auch wirtschaftlichen Aspekte, die insbesondere in der heute preissensiblen Bauindustrie eine bedeutende Rolle spielen, bedacht werden. Bautenfarben" S. 41, 204. [4] E. Bagda, "Den Kräften der Natur ausgesetzt", Farbe und Lack 12/04, S [5] Richtlinie 2004/42/EG des Europäischen Parlamentes und des Rates vom (VOC Decopaint Richtlinie). [6] H. Dörr, F. Holzinger, Kronos Titandioxid in Dispersionsfarben, Herausgeber Kronos International Inc., 1990, Leverkusen, Deutschland. Ergebnisse auf einen Blick Fassadenfarben auf der Basis von wässrigen Polymerdispersionen haben lösemittelbasierende Fassadenfarben weitestgehend ersetzt. Farben auf der Bindemittel-Basis von nanoscalierten Silicapartikeln in Polymerdispersionen versprechen interessante Eigenschaften. Das wird möglich durch die Kombination von anorganischen feinstverteilten Silica-Nano-Domänen, eingebettet in eine verfilmbare Polymermatrix. Oberflächen-Untersuchungen der Nanokomposit-Fassadenfarbe mittels Rasterelektronenmikroskop zeigen die feine, geschlossene Oberfläche des Farbfilms - die ultrafeinen Domänen der nanoscalierten Silicapartikel bestimmen die Oberflächenstruktur der Farbe. Die Oberflächen mit Nanokomposit-Fassadenfarbe erscheinen für organophile Schmutzpartikel anorganisch und verhindern die Adhäsion dieser Partikel. Sie verschmutzen also sehr viel weniger. Günter Nosbüsch, Sto AG, Jahrgang 1957, studierte Chemie an der Fachhochschule in Stuttgart Fachbereich Farbe-Lack-Kunststoff und war nach seiner Diplomierung bei mehreren international tätigen Unternehmen in Forschung und Entwicklung tätig trat er in die Sto AG ein und leitet dort die Produktentwicklung für Fassadenfarben und Putze sowie anorganische Produkte. Weithin koordiniert er den F&E Know How Transfer des Unternehmens international. Walther Weh, Sto AG, Jahrgang 1962, ist staatlich geprüfter Lack- und Kunststofftechniker der Fachschule Stuttgart-Feuerbach. Er kam 1989 zur Sto AG und ist in der Forschung und Entwicklung Fachbereich dispersionsgebundene Anstrichstoffe und Abdichtungen tätig. Dort leitet er das Projekt Nanokomposit-Anwendungen. Alexander Färber, Sto AG, Jahrgang 1970, Lacklaborant und Spezialist für Fassadenverschmutzung international, trat 1986 in die Sto AG ein. Seitdem ist er in der Forschung und Entwicklung tätig und aufgrund seiner Tätigkeit bei StoCorp. Atlanta und Sto China für die Produktentwicklung von Dispersionsfarben international zuständig. Literatur: [1 J. Leuninger, Tiarks, Wiese, Schuler, "Wässrige Nanokomposite" Farbe und Lack 10/04 S [2] Chemie. DE Information Service News-Center. [3 R. Baumstark, M. Schwarz, "Dispersionen für

3 Abb. 1: Praxisanwendungen während der kritischen Jahreszeit.

4 Abb. 2: Oberflächenstruktur einer unbewitterten Probe.

5 Abb. 3: Oberflächenstruktur nach der Freibewitterung.

6 Abb. 4: Vergleich der Oberflächen verschiedener Fassadenfarben.

7 Abb. 5: Sto Wet-Soiling-Test nach fünf Belastungszyklen.

8 Abb. 6: Schmutzaufnahme bei der Nanokomposit-Fassadenfarbe.

9 Abb. 7: Schmutzaufnahme von verschiedenen Fassadenfarben.

10 Abb. 8: Anwendung der "Clean-Farbe".

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