Ziel der Entwicklung
Ziel des Projektes war die Entwicklung einer atmosphärendruckbasierten Technologie zur permanenten Funktionalisierung anspruchsvoller Oberflächen mit vorrangig nasschemischen Prozessen. Neben sol-gel-basierten Primern fanden dabei UV-härtende Sol-Gel-Systeme Anwendung. UV-härtbare Beschichtungslösungen eignen sich insbesondere für temperaturempfindliche Materialien, da keine thermische Behandlung zur Trocknung notwendig ist. Zudem sind diese Systeme oft lösemittelarm bzw. -frei.
Die Funktionalisierung kann dabei die Schutzwirkung gegen Umwelteinflüsse und mechanische Beanspruchung erhöhen oder wasser-, schmutz- oder ölabweisende, flammenhemmende, antibakterielle, photokatalytisch aktive, leitfähige bzw. antistatische Eigenschaften oder eine Kombination verschiedener Funktionalitäten auf der Oberfläche erzeugen.
Vorteile und Lösungen
Im Projekt wurden mit verschiedenen Precursoren UV-härtende Sol-Gel-Basis-Systeme entwickelt und hergestellt. Die Applikation auf ausgewählte temperatursensible Substratmaterialien (PMMA, PC, verschiedenen Papiere) war mit gängigen Verfahren wie Rakeln oder Sprühen möglich. Durch Variation des Abstandes zwischen UV-Lampe und Substrat sowie der Bestrahlungsdauer wurden optimale Parameter zur UV-Aushärtung gefunden und harte, kratzfeste Beschichtungen erhalten. Weiterhin fanden Versuche zum Einfluss atmosphärendruckbasierter Vorbehandlungsverfahren und Primern hinsichtlich der Verbesserung der Benetzung und Haftung statt. Zur weiteren Funktionalisierung konnten farbige Pigmente oder Fluoreszenzfarbstoffe in die Sole eingebracht werden, wobei eine Anpassung der Aushärtebedingungen notwendig ist. Die entwickelten Beschichtungen sind mechanisch stabil. Durch Verklebungen und anschließendem Stirnabzugstest konnte die Zugfestigkeit und damit auch Haftung der funktionalisierten Schichten bewertet und verglichen werden. In Langzeitversuchen wurde gezeigt, dass sich über einen längeren Zeitraum die Viskosität der Sole erhöht und sich das Aushärteverhalten verschlechtert.
Das Upscaling der Sol-Synthese in den Technikumsmaßstab war möglich. Es konnten Beschichungslösungen in größeren Ansätzen hergestellt werden, welche eine ebenso gute Verarbeitbarkeit und Stabilität aufwiesen. Als problematisch erwies sich die Übertragung der Beschichtungstechnologie auf die Sol-Gel-Laborbeschichtungsanlage, da die UV-härtenden Sole aufgrund ihres hohen Feststoffanteils nicht für die Applikation mit den vorhandenen Düsensystemen geeignet sind. Zur Prozessierung wäre eine starke Verdünnung der Beschichtungslösungen notwendig, sodass der Vorteil der von lösemittelfreien bzw. –armen Beschichtungslösungen nicht mehr gegeben ist.
Mit geeigneten Düsensystemen ist auch die Applikation von Beschichtungslösungen mit hohem Feststoffanteil möglich. Der Auftrag und die Aushärtung der Beschichtung mittels UV-Strahlern oder LEDs ist in-line möglich.
Das Verfahren lässt sich zudem auf weitere anspruchsvolle Oberflächen wie Holz, Leder oder andere Naturmatrialien übertragen.
Zielgruppe und Zielmarkt
Die steigende Nachfrage nach umweltfreundlichen Produkten treibt auch das Wachstum des globalen Sol-Gel-Marktes an. Dieser soll sich bis 2032 mehr als verdoppeln im Vergleich zum Jahr 2023. Somit erweitert sich auch die Zielgruppen und Zielmärkte konkret für UV-härtende Sol-Gel-Beschichtungen.
Die Ergebnisse des Projekts sind für den Markt des verarbeitenden Gewerbes von Interesse. Neben Chemikalienherstellern und Beschichtungsunternehmen könnten Anlagenbauer von der Technologie profitieren. Als mögliche Anwendungsfelder sind Membranfilter, Selbstreinigungs-, UV-Schutz-, Flammschutzschichten, Funktionsschichten zur Wasserkonservierung, zur Veredlung, zur Produktmarkierung oder auch zur Funktionalisierung hochwertiger Nischenprodukte zu nennen.
In den genannten Märkten herrscht ein stetig hoher Wettbewerbsdruck. Durch die Einsparung von Materialkosten, Zeit und Energie kann ein erheblicher Wettbewerbsvorteil erzielt werden. Eine Durchdringung des Marktes mit innovativen Nischenprodukten würde darüber hinaus zu einer Vermarktung von Produkten und entsprechender Anlagentechnik beitragen. Abhängig von Stückzahl und erreichtem Durchsatz ist das Preissegment entsprechend gefächert.