Schnell mit Methylenblau

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1 Seite/Page: 1 Schnell mit Methylenblau Funktionalisierte Beschichtungen sollen die Oberfläche von Substraten schützen Dafür werden Beschichtungsstoffe so modifiziert, dass schmutzabweisende oder leicht zu reinigende Oberflächen entstehen Photokatalytisch aktive Nanopartikel auf Basis von Titan(IV)-oxid können hierbei helfen Freibewitterungsversuche zeigen, inwiefern sie wirken Schnellere Aussagen zur photokatalytischen Wirksamkeit macht die Entfärbung von Methylenblau In welchem Ausmaß Fassadenfarben organischen Verunreinigungen widerstehen Tobias Böttge*, Ulrich Westerwelle und Lars Teichmann, Magdeburg Photokatalytisch aktive Beschichtungen sollen organische Verschmutzungen und Mikroorganismen zu niedermolekularen Produkten im Idealfall zu Kohlendioxid und Wasser abbauen Die photokatalytische Aktivität von Titan(IV)-oxid ist seit mehr als 60 Jahren bekannt und vor allem im Zusammenhang mit der Zersetzung organischer Farbstoffe und Bindemittel im Sonnenlicht gut untersucht Dieser Vorgang heißt Kreiden (engl chalking) [1] Dem photokatalytischen Prozess (Abb 1) liegt die Bildung von Radikalen aus Sauerstoff und Wasser unter UV-Strahlung (Sonnenlicht) zugrunde Die reaktiven Radikale zersetzen organische Materie Da es immer mehr photokatalytisch wirksame Produkte auf dem Markt gibt, es aber an Nachweismethoden ihrer Aktivität und Wirksamkeit mangelt, will das Institut für Lacke und Farben zur Bewertung der Leistungsfähigkeit derartiger Produkte beitragen Freibewitterungsversuche erlauben prinzipielle Aussagen zur photokatalytischen Aktivität von entsprechend ausgerüsteten Fassadenfarben Die Versuche zeigen nicht nur die Wirksamkeit gegenüber Verunreinigungen, sondern auch die Beständigkeit der Beschichtungen unter praxisnahen Bedingungen (Einwirkung der natürlichen Bewitterung und Bestrahlung) Sie dauern allerdings sehr lange Fassadenfarben im Freibewitterungsversuch Photokatalytisch aktive Beschichtungen finden sich als Dispersionsfarben in der Bauindustrie Daher wurden verschiedene Dispersionsfarben für den Außenbereich (Fassadenfarben) formuliert und mit Photokatalysator versehen Verschiedene Bindemittelsysteme und Konzentrationen an Photokatalysator sollten dabei gegenüber einem photokatalytischen Angriff unterschiedlich beständig und gegen organische Verunreinigungen unterschiedlich wirksam sein Untersucht wurden eine Acrylatharzfarbe, eine Siliconharzfarbe und eine Dispersionssilicatfarbe Als Photokatalysator diente Titan(IV)-oxid (80 % Anatas, 20 % Rutil) mit einem mittleren Partikeldurchmesser von etwa 21 nm und einer spezifischen Oberfläche von 50 m2 g1 Der pulvrige Katalysator wurde der Formulierung vor der Dispergierung in Konzentrationen von 1, 2 und 3 Gew-% (bezogen auf die Gesamtformulierung) zugegeben In Freibewitterungsversuchen wurde nach festgelegten Zeitabständen die Beständigkeit der Fassadenfarben in Gegenwart des Photokatalysators ermittelt: Der Kreidungsgrad und das Aussehen der Probenplatten wurden beurteilt Abb 2 zeigt die Kreidungsgrade in Abhängigkeit von der Beanspruchungsdauer auf dem Wetterstand in Magdeburg Die photokatalysatorfreien Formulierungen kreiden deutlich weniger als die Formulierungen mit 3 Gew-% Photokatalysator Die Kreidung ist ein Zeichen für den Abbau organischer Materie durch die lichtinduzierte Bildung oxidativer Radikale in Gegenwart des nanoskaligen Titan(IV)- oxid-photokatalysators An den Fassadenbeschichtungen ohne Photokatalysatorzusatz wurden mehr Flecken und eine stärkere Vergrauung beobachtet als bei den Formulierungen mit Photokatalysator Dies weist auf eine schmutzabbauende Wirkung hin Problematisch ist jedoch, dass nicht nur Verschmutzungen, sondern auch die Bindemittelmatrix zersetzt werden Dies wird durch die Vergilbung nach einem Jahr Freibewitterung bei den Formulierungen mit organischem Polymer als Bindemittel deutlich, die bei der anorganischen Formulierung (Dispersionssilicatfarbe) nicht auftritt Nanoskaliges Titan(IV)-oxid wirkt in einer Fassadenfarbe schmutzabbauend Bei 3 Gew-% Photokatalysator ist allerdings zudem Kreidung sichtbar, da das organische Bindemittel ebenfalls angegriffen wird Schnellere Untersuchungsmethoden sollen ähnliche Ergebnisse zeigen Entfärbung von Methylenblau Einen Ansatz für schnellere Verfahren bildeten Untersuchungen zum Abbau von organischen Farbstoffen als Modellverunreinigungen und die Verfolgung der Entfärbung unter dem Einfluss von UV-Strahlung [2] Anders als in den meisten bisherigen Veröffentlichungen wurde jedoch nicht die Abnahme der Farbstoffkonzentration in der wässrigen Phase photometrisch bestimmt, sondern die Entfärbung direkt auf den verunreinigten Beschichtungen über die Bestimmung der Farbwerte vor und nach UV-Bestrahlung und anschließende Berechnung des Farbabstands ermittelt Dabei diente Methylenblau als Farbstoff Das Fließschema in Abb 3 zeigt den prinzipiellen Versuchsablauf Die unter Variation des Bindemittels (Acrylat, Silicon, Silicat) und der Einsatzkonzentration des Photokatalysators (0, 1, 2, 3 Gew-%) hergestellten Fassadenfarben wurden zunächst auf Probenträger aus Glas aufgetragen und getrocknet Anschließend wurden daran die CIELab- Farbwerte gemessen Die Probenträger wurden in einer Methylenblaulösung der Konzentration c = 10 mg L1 in lichtdicht verschlossenen Instrumentenschalen aus Edelstahl in einem Schüttelapparat (50 min1) gelagert Nach 24stündiger Sättigung der Beschichtungen mit Vincentz Network +++ Plathnerstr 4c +++ D Hannover +++ Tel:+49(511)

2 Seite/Page: 2 Methylenblau wurden die Probenträger für 12 Stunden UV- A-Strahlung der Wellenlänge von 300 bis 400 nm (UV- Lampen mit einer Leistung von 60 W) ausgesetzt (Abb 4) Von den bestrahlten und je nach photokatalytischer Aktivität mehr oder weniger entfärbten Beschichtungen wurden nach Trocknung bei 30 C erneut die CIELab-Farbwerte bestimmt Schließlich wurde die photokatalytische Aktivität in diesem Fall das Ausmaß der Entfärbung des organischen Farbstoffs Methylenblau über eine Farbdifferenzmessung zwischen der unbeanspruchten und der der UV-Strahlung ausgesetzten Beschichtung (Bestimmung des?e-werts nach DIN 6174) quantifiziert Nachweis der photokatalytischen Wirksamkeit Die Ergebnisse der Farbdifferenzmessungen zeigen die Tab und Abb 5 Als Größe für die Aktivität der Beschichtung wurde die photokatalytische Wirksamkeit eingeführt: P =?E0?EiDabei ist?e0 der Farbabstand der Beschichtung ohne Photokatalysator und?ei der Farbabstand mit i % Photokatalysator Die Siliconharzfarbe nimmt das Methylenblau sehr gut an, was sich in einem Farbabstand?E0 von 11,23 widerspiegelt Sie zeigt zudem die stärkste Photoaktivität im Vergleich zu den anderen Fassadenfarben und damit den besten Reinigungseffekt Die photokatalytische Wirksamkeit (gemäß obenstehender Definition) von 5,63 bei 1 % Photokatalysator, von 6,25 bei 2 % Photokatalysator und von 8,13 bei 3 % Photokatalysator liegt weit über den Werten der anderen Formulierungen Die Acrylatharzfarbe zeigt einen ähnlichen Effekt in der Sättigung wie die Siliconharzfarbe Sie nimmt das Methylenblau gut auf (Farbabstand 9,58) Die Wirksamkeit ist jedoch nicht so stark ausgeprägt wie bei der Siliconharzfarbe Die Werte für die photokatalytische Wirksamkeit betragen 1,94 bei 1 % Photokatalysator, 1,96 bei 2 % Photokatalysator und 2,34 bei 3 % Photokatalysator Die Dispersionssilicatfarbe zeigte den geringsten Effekt Die P-Werte liegen bei 0,75 bei 1 % Photokatalysator, bei 0,79 bei 2 % Photokatalysator und bei 0,87 bei 3 % Photokatalysator Wahrscheinlich dringt das Methylenblau aufgrund der poröseren Oberfläche in die Beschichtung ein Somit bleibt weniger an der Oberfläche als bei den beiden anderen Formulierungen, die glattere Oberflächen haben Diese Untersuchungsmethode erlaubt ohne großen apparativen Aufwand, Beschichtungen hinsichtlich ihrer photokatalytischen Wirksamkeit vergleichend zu testen Dabei beeinflusst die Oberflächenglätte und -rauigkeit die Sättigung mit Methylenblaulösung Nur Beschichtungen mit ähnlicher Oberflächenrauigkeit sollten verglichen werden Ergebnisse aus dem Methylenblautest sollten immer relativ zu einer photokatalysatorfreien Beschichtung bewertet werden Die photokatalytische Wirksamkeit einer Beschichtung zeigt sich bereits bei einer Zusatzmenge von 1 Gew-% Photokatalysator (bezogen auf die Gesamtformulierung)s - Damit ist es ohne großen apparativen Aufwand möglich, Beschichtungen hinsichtlich ihrer photokatalytischen Wirksamkeit zu vergleichen - Mit dem Verfahren lassen sich die Aktivität von Beschichtungen gegenüber organischen Verunreinigungen und die Leistungsfähigkeit photokatalytischer Oberflächen bewerten *Korrespondierender AutorKontakt: Tobias BöttgeInstitut für Lacke und Farben evtel tobiasboettge@lackinstitutde t Ergebnisse auf einen Blick - Der Abbau von Methylenblau als Modellverunreinigung wird über eine Farbdifferenzmessung bestimmt - Damit ist es ohne großen apparativen Aufwand möglich, Beschichtungen hinsichtlich ihrer photokatalytischen Wirksamkeit zu vergleichen - Mit dem Verfahren lassen sich die Aktivität von Beschichtungen gegenüber organischen Verunreinigungen und die Leistungsfähigkeit photokatalytischer Oberflächen bewerten - Dipl-Ing (FH) Tobias Böttge, Institut für Lacke und Farben ev Magdeburg, Jahrgang 1979, studierte analytische Chemie an der Hochschule Magdeburg-Stendal (FH) Seit dem Jahr 2004 ist er am Institut für Lacke und Farben im Laborbereich Anstrichprüfung/Bautenschutz als wissenschaftlicher Mitarbeiter tätig - Dipl-Chem Dr Ulrich Westerwelle, Institut für Lacke und Farben ev Magdeburg, Jahrgang 1960, studierte Chemie in Bielefeld und promovierte dort 1994 im Arbeitskreis von Prof Risch Nach Positionen in der Lackindustrie, wo er vor allem mit der Entwicklung von wässrigen Beschichtungsstoffen für Holz, Papier und Kunststoffe betraut war, ist er seit dem Jahr 2005 am Institut für Lacke und Farben als Leiter des Labors "Beschichtungsstoffe" tätig - Dipl-Ing (FH) Lars Teichmann, Lagotec GmbH Magdeburg, Jahrgang 1975, studierte Verfahrens- und Umwelttechnik an der Hochschule Anhalt (FH) Seit dem Jahr 2006 ist er Geschäftsführer der Lagotec GmbH t Literatur [1] J Winkler, Titandioxid (Hrsg: U Zorll), Vincentz, Hannover, 2003 [2] D Then und P Weinhold, FARBE UND LACK, 112 (2006) 4, "Dank" - Der Abbau von Methylenblau als Modellverunreinigung wird über eine Farbdifferenzmessung bestimmt Vincentz Network +++ Plathnerstr 4c +++ D Hannover +++ Tel:+49(511)

3 Seite/Page: 3 System/ Probenbezeichnung Farbabstand?E photokatalytische Wirksamkeit P Acrylatharzfarbe 0 % Photokatalysator 9,58 1 % Photokatalysator 7,64 1,94 2 % Photokatalysator 7,62 1,96 3 % Photokatalysator 7,24 2,34 Siliconharzfarbe 0 % Photokatalysator 11,23 1 % Photokatalysator 5,60 5,63 2 % Photokatalysator 4,98 6,25 3 % Photokatalysator 3,10 8,13 Dispersionssilicatfarbe 0 % Photokatalysator 4,33 1 % Photokatalysator 3,58 0,75 2 % Photokatalysator 3,54 0,79 3 % Photokatalysator 3,46 0,87 Vincentz Network +++ Plathnerstr 4c +++ D Hannover +++ Tel:+49(511)

4 Seite/Page: 4 Abb 5: Grafische Darstellung der Farbdifferenzen Vincentz Network +++ Plathnerstr 4c +++ D Hannover +++ Tel:+49(511)

5 Seite/Page: 5 Abb 1: Prinzip der Photokatalyse an Titan(IV)-oxid Vincentz Network +++ Plathnerstr 4c +++ D Hannover +++ Tel:+49(511)

6 Seite/Page: 6 Abb 2: Kreidungsverhalten verschiedener Formulierungen für Fassadenfarben mit 3 Gew- % und ohne Photokatalysator bei Beanspruchung durch Freibewitterung auf dem Wetterstand in Magdeburg von November 2006 bis November 2007 Vincentz Network +++ Plathnerstr 4c +++ D Hannover +++ Tel:+49(511)

7 Seite/Page: 7 Abb 3: Fließschema zum Versuchsablauf Methylenblautest Vincentz Network +++ Plathnerstr 4c +++ D Hannover +++ Tel:+49(511)

8 Seite/Page: 8 Abb 4: Beanspruchung der Beschichtungen durch UV-A-Strahlung Vincentz Network +++ Plathnerstr 4c +++ D Hannover +++ Tel:+49(511)