Soll eine Flä­che vor Kor­ro­si­on geschützt wer­den, geschieht dies in 80 Pro­zent aller Fäl­le durch eine Beschich­tung mit Far­ben oder Lacken. Dabei ist der Anteil bio­ba­sier­ter, umwelt­freund­li­cher Lösun­gen ver­schwin­dend gering. For­schen­de des Fraun­ho­fer-Insti­tuts für Ange­wand­te Poly­mer­for­schung IAP haben sich in Koope­ra­ti­on mit dem Fraun­ho­fer-Insti­tut für Pro­duk­ti­ons­tech­nik und Auto­ma­ti­sie­rung IPA die­ser Lücke ange­nom­men und ent­wi­ckeln eine kos­ten­güns­ti­ge Beschich­tung auf Basis nach­wach­sen­der Roh­stof­fe. Im Mit­tel­punkt der For­schung: Kar­tof­fel­stär­ke.

Kli­ma­wan­del, end­li­che Res­sour­cen, zuneh­men­de Umwelt­be­las­tung – in immer mehr Indus­tri­en ver­schiebt sich der Fokus hin zu einer nach­hal­ti­gen Pro­duk­ti­on. So auch bei der Her­stel­lung von Beschich­tungs­mit­teln wie Far­ben und Lacken. Denn allein in Deutsch­land wer­den jähr­lich 100 000 Ton­nen an Beschich­tungs­stof­fen für den Korrosi­onsschutz pro­du­ziert. Bis­her waren Lacke und Far­ben mit bio­ba­sier­tem Bin­de­mit­tel oder Film­bild­ner jedoch meist zu teu­er oder konn­ten den Anfor­de­run­gen nicht stand­halten. Doch durch den Ein­satz modi­fi­zier­ter Stär­ke haben die Wis­sen­schaft­ler des Fraun­ho­fer IAP einen Weg gefun­den, der auch in die­sem Bereich nach­hal­ti­ge und kos­ten­güns­ti­ge Lösun­gen erlaubt. „Bis­her sind klas­si­sche indus­tri­el­le Anwendungsfel­der der Stär­ke die Papier-/Well­pap­pen- und Kleb­stoff­in­dus­trie“, weiß Chris­ti­na Gabri­el, Wis­sen­schaft­le­rin am Fraun­ho­fer IAP in Pots­dam-Golm. „Im Bereich Far­ben und Lacke hin­ge­gen wur­de Stär­ke bis jetzt meist nur als Addi­tiv ein­ge­setzt. Wir haben nun mit der Stär­ke als Haupt­kom­po­nen­te einer was­ser­ba­sier­ten Disper­si­on viel­ver­spre­chen­de Haf­tungs­er­geb­nis­se.“ Im Fokus der For­schung steht die Beschich­tung von Metal­len im Innen­raum, bei­spiels­wei­se von Alu­mi­ni­um, das etwa für Feu­er­tü­ren, Com­pu­ter­ge­häu­se oder Fens­ter­rah­men genutzt wird.

Von der Kartoffelstärke zum Filmbildner

Die Ver­wen­dung von Stär­ke als Haupt­kom­po­nen­te für Far­ben und Lacke stell­te das Fraun­ho­fer-Team vor ver­schie­de­ne Her­aus­for­de­run­gen. „Film­bild­ner müs­sen verschie­dene Auf­ga­ben erfül­len. Sie müs­sen einen zusam­men­hän­gen­den Film aus­bil­den, der eine gute Haft­fes­tig­keit auf dem Unter­grund­ma­te­ri­al besitzt, kom­pa­ti­bel mit zusätzli­chen Schich­ten und Addi­ti­ven ist sowie Pig­men­te und Füll­stof­fe ein­bet­ten kann“, erklärt Chris­ti­na Gabri­el. „In ihrer natür­li­chen Form weist Stär­ke jedoch eini­ge Eigen­schaf­ten auf, die der Ver­wen­dung als Film­bild­ner ent­ge­gen­ste­hen. Bei­spiels­wei­se ist sie weder kalt­was­ser­lös­lich, noch bil­det sie zusam­men­hän­gen­de, nicht brü­chi­ge Fil­me aus. Wir muss­ten daher die Stär­ke modi­fi­zie­ren, um sie den Anfor­de­run­gen anzu­pas­sen. Denn bei allen Her­aus­for­de­run­gen: Als nach­wach­sen­der und güns­ti­ger Roh­stoff ist Stär­ke für vie­le Berei­che hoch­in­ter­es­sant.“

Die Lösung der Pots­da­mer Wis­sen­schaft­ler: Die Stär­ke wird zunächst abge­baut, um so ihre Was­ser­lös­lich­keit und den damit spä­ter ver­bun­de­nen Fest­stoff­ge­halt der Stär­ke in Was­ser sowie ihr Film­bil­de­ver­mö­gen zu ver­bes­sern. Um jedoch ein stär­ke­ba­sier­tes Beschich­tungs­ma­te­ri­al her­zu­stel­len, das mit einem her­kömm­li­chen Lack ver­gleich­bar ist, ist dies noch nicht aus­rei­chend. Denn obwohl der Film­bild­ner zunächst in Was­ser lös­lich oder disper­gier­bar sein soll, darf sich die Beschich­tung spä­ter nicht mehr in Was­ser auf­lö­sen.

Die Stär­ke muss also wei­ter modi­fi­ziert wer­den. Dies geschieht durch ein che­mi­sches Ver­fah­ren, die soge­nann­te Ver­es­te­rung. Die dabei ent­ste­hen­den Stär­kees­ter sind was­ser­di­sper­gier­bar, bil­den geschlos­se­ne Fil­me und wei­sen eine sehr gute Haft­fes­tig­keit auf Glas- und Alu­mi­ni­um­flä­chen auf. In Zusam­men­ar­beit mit dem Fraun­ho­fer IPA wird die ver­es­ter­te Stär­ke dann »ver­netzt«, wodurch die Sen­si­ti­vi­tät der Beschich­tung gegen­über Was­ser wei­ter redu­ziert wird.

Am Fraun­ho­fer IPA wer­den auch die Sta­bi­li­täts­tests durch­ge­führt, in denen die Lang­zeit­sta­bi­li­tät über­prüft wird. In den Tests wer­den die beschich­te­ten Mate­ria­li­en rasch schwan­ken­den Tem­pe­ra­tur­zy­klen aus­ge­setzt, um in zeit­lich kom­pri­mier­ter Form den Wech­sel von Tag und Nacht und den Lauf der Jah­res­zei­ten zu simu­lie­ren. Außer­dem wer­den die Test­ob­jek­te mit Elek­tro­ly­ten ange­rei­cher­tem Was­ser aus­ge­setzt, um zu sehen, wie sich die Beschich­tung gegen­über Was­ser ver­hält und wie resis­tent sie unter extre­men Bedin­gun­gen ist.

Alternative zu erdölbasierten Filmbildnern

Im nächs­ten Schritt soll die Kor­ro­si­ons­be­stän­dig­keit und Haft­fes­tig­keit der modifizier­ten Stär­ke auf unter­schied­li­chen Metall­un­ter­grün­den unter­sucht wer­den. Dar­über hin­aus wer­den neue Rezep­tu­ren getes­tet, die die Eigen­schaf­ten der Beschich­tun­gen noch wei­ter opti­mie­ren sol­len. „Neben dem bis­her getes­te­ten Alu­mi­ni­um sol­len mit Stahl und ver­zink­tem Stahl zwei wei­te­re wich­ti­ge Gebrauchs­me­tal­le getes­tet wer­den“, führt Gabri­el aus. „Unse­re Unter­su­chun­gen zei­gen, dass Stär­kees­ter mit ihren guten Film­bil­dungs- und sehr guten Haf­tungs­ei­gen­schaf­ten auf ver­schie­de­nen Mate­ria­li­en das Poten­zi­al besit­zen, zukünf­tig eine Alter­na­ti­ve zu erd­öl­ba­sier­ten Film­bild­nern in der Beschich­tungs­in­dus­trie dar­zu­stel­len.“

Bild: Zukünf­tig sol­len auch Alu­mi­ni­um-Flä­chen in Innen­räu­men kos­ten­güns­tig mit Lacken auf Basis von Kar­tof­fel­stär­ke beschich­tet sein. (Quel­le: Fraun­ho­fer IAP)