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Hightech in Farbe und Wohntextil

12.07.2010

Die Erschaffer unserer Wohnwelten schicken sich an, die Welt winziger Nanopartikel für sich zu entdecken. color wagt einen Blick hinter die Kulissen dieser Technologie und verrät, womit die Branche in Zukunft werkt.

Text: Dominique Platz

Sie ist eine der Schlüsseltechnologien des 21. Jahrhunderts. Zahnpasta, Handy, Flachbild-Fernseher, aber auch der ein oder andere Lack, die eine oder andere Farbe sind ihr erwachsen. Doch wenngleich diese großen Erfindungen weltweit nachhallen, wären sie ohne ihre winzig kleinen Mitarbeiter nicht dahin gekommen, wo sie heute sind. Die Rede ist von den Nanopartikeln, deren zwergenhafte Winzigkeit sich auch in der griechischen Namensherkunft manifestiert. Denn Nano heißt Zwerg. Doch von diesen Ein-Milliardstel-Meter kleinen Partikeln darf man gerne Großes erwarten. Nahezu alle Branchen werden es hie und da mit der Nanotechnologie zu tun bekommen.

Aktuelle Marktprognosen für nanooptimierte Produkte gehen sogar von einer volkswirtschaftlichen Hebelwirkung auf ein Weltmarktvolumen um die drei Billionen US-Dollar bis 2015 aus. Es zeigt sich also: Nanotechnologie ist schon längst keine Zukunftsmusik mehr. In immer mehr heimischen Betrieben wird Nano zum Thema, sei es bei der Forschung mit und bei der Herstellung von Kleinstpartikeln oder bei deren Eindispergierung in die Produkte.

„Die Zahl von Unternehmen, die synthetische Nanomaterialien erzeugen oder verwenden, wächst – wenn auch vielleicht langsamer als noch vor wenigen Jahren prophezeit“, schreibt Günther Kittel von PPM Forschung + Beratung, Herausgeber einer aktuellen Studie zum Umgang mit Nano in österreichischen Betrieben. Grundsätzlich gilt: Kleinstpartikel sind naturgemäß fast überall enthalten. Der Unterschied in der Wahrnehmung aber liegt darin, wie offensiv die Unternehmen das kommunizieren.

Da lassen sich die verschiedensten Strategien finden: Einige Hersteller sind auf den Marketing-Zug aufgesprungen und heften sich die Nanotechnologie als Aushängeschild ans Firmenrevers. Andere hingegen verstecken ihre Nano-Aktivitäten bewusst, sorgen sich ob der negativen Schlagzeilen, für die der Technologiezweig gerade in Sachen Gesundheit immer wieder sorgt und gesorgt hat.

In die Offensive gehen
Mehr als offensiv wirbt etwa der Farbenhersteller Caparol/Synthesa mit folgendem Slogan: ein „Quantensprung für die Fassade“. Gemeint: die sogenannte Nano-Quarz-Gitter -Technologie. „Durch diese Technologie werden Beschichtungen ermöglicht, die über viele Jahre sauber und strahlend schön bleiben“, sagt Caparol-Produktmanager Stefan Kairies. Die Verschmutzungsneigung – also das Ankleben von Schmutzpartikeln, Feinstaub und Sporen – werde damit entscheidend gesenkt, heißt es vonseiten des deutschen Herstellers.

Was sich dennoch kurzfristig an den Fassaden festsetzt, könne sich spätestens beim nächsten Wind und Regen nicht mehr halten. Auch die Berliner Diessner GmbH setzt auf die Gitter. Die Funktionsweise: Nanoteilchen lagern sich von außen an das Polymer an und bilden nach der Trocknung der Farbbeschichtung das stabile mineralische Gitter. Die Vorteile dieser Technologie liegen auf der Hand: saubere Beschichtungen, die lange anhalten, eine schnelle Abtrocknung der befeuchteten Fassade und somit erschwerte Bedingungen für Algen- und Pilzbefall. Der erste Blick auf die vielseitigen Anwendungsbereiche zeigt: Es steckt viel mehr in der Nanotechnologie als der viel zitierte Lotusblüten-Effekt, wenngleich dieser zumindest in Sachen medialer Verbreitung den Stein ins Rollen gebracht und der Forschung den Weg in die Öffentlichkeit geebnet hat.


Erst forschen, dann anwenden
Doch Forschung fängt mit Forschern an. color sprach deshalb mit Axel Thielmann vom Fraunhofer Institut für System- und Innovationsforschung in Karlsruhe. Wir haben ihn gefragt, was denn Nanotechnologie aus wissenschaftlicher Sicht überhaupt sei, welche Prozesse – chemischer oder physikalischer Natur – ablaufen und – einem Innovationsforscher gemäß – was die Zukunft bringt.

„Aus wissenschaftlicher Sicht beschreibt der Begriff der Nanotechnologie die Untersuchung, Anwendung und Herstellung von Strukturen, molekularen Materialien und Systemen mit einer Dimension oder Fertigungstoleranz typischerweise unterhalb von 100 Nanometern (nm)“, weiß der Innovationsforscher, es gebe aber bislang keine einheitliche, allgemein anerkannte Definition der Technologie.

„Durch diese sogenannte Nanoskaligkeit der einzelnen Systemkomponenten entstehen neue Funktionalitäten und Eigenschaften zur Verbesserung bestehender oder zur Entwicklung neuer Produkte und Anwendungsoptionen“, so Thielmann weiter.

Anwendungen in der Nanotechnologie bauen in der Regel auf den neuen und besonderen Eigenschaften der Nanomaterialien und -strukturen auf, die beispielsweise zu Produkten und Verfahren in der Elektronik, den Informations- und Kommunikationstechnologien, der Optik, Lacken, aber eben auch in Sachen Bodenbeläge und Textilien führen können. Im Bodenbereich bewirkt die Beigabe von anorganischen Nanopartikeln, dass Parkett besonders gut versiegelt wird, wodurch Schmutzpartikel nicht haften können. Lässt sich der Rotweinfleck vom Boden vielleicht noch ohne vorherige Nano-Versiegelung gut abwischen, ist er in Sachen Textilien stets Produktschreck Nummer eins.

Doch mit Nanounterstützung soll es ihm jetzt an den Kragen gehen. Einige Hersteller werben bereits mit einer unsichtbaren Antihaftbeschichtung. Dieser Schutz soll bewirken, dass trockener Schmutz nicht mehr auf dem Stoff haften bleibt und feuchter Schmutz nicht mehr von den Fasern aufgesogen werden kann. An den Praxistest allerdings haben wir uns dann doch nicht gewagt.


Stichwort Quantenphysik

Was für den Maler Farbe und Lack, sind für den Nanoforscher seine rastertunnelmikroskopisch kleinen Partikel. „Die Beimischung von Nanopartikeln zu Lacken kann deren Qualität deutlich steigern, es verleiht ihnen zusätzliche Eigenschaften“, verrät Axel Thielmann. Lacke mit Nanopigmenten etwa können den Anstrich vereinfachen, sie sind schmutz- und bewuchsabweisender, auch biozide Wirkungen sind möglich.

Damit das alles Wirklichkeit wird, müssen Nanostrukturen zum Teil völlig andere physikalisch-chemische Eigenschaften als ihr wesentlich größer dimensioniertes Ausgangsmaterial aufweisen. Dabei hängen die zentralen Kriterien wie elektrische Leitfähigkeit, Farbe, Härte, Schmelzpunkt, Lichtabsorption, Magnetismus und Reaktionsfähigkeit der Nanoteilchen nicht ausschließlich vom Ausgangsmaterial ab, sondern werden maßgeblich von Größe und Gestalt beeinflusst. „Erst das ermöglicht die Entwicklung der zahlreichen, neuartigen Werkstoffe und Materialien mit diesen völlig neuen Eigenschaften“, so Thielmann. Dringt man noch tiefer in die Materie ein, kommt man unweigerlich auf das Thema Quantenphysik zu sprechen.

Sogenannte Tunneleffekte, diskrete Energiezustände oder die Selbstorganisation der Teilchen weisen hier den Weg ins Reich der Nanozwerge, sind aber für Otto Normalverbraucher vom Verständnis her genauso wenig greifbar wie die Teilchen selbst. Und für die Forschung? „Die Auswirkungen dieser Effekte sind für komplexere Moleküle nur schwer zu berechnen und vorherzusagen“, sagt Thielmann. „Das ist aber das Spannende, das macht sie so interessant“, erklärt der Forscher begeistert. Die Potenziale für die unterschiedlichsten Industriebereiche seien zudem enorm und heute oft noch kaum auszudenken.

Und konkret? Was bringt die Zukunft nun? Derzeit forsche man beispielsweise an selbstheilenden Materialien. Langfristig seien etwa auch Lacke denkbar, die mit Farbänderungen auf Temperaturänderungen oder bestimmte chemische Substanzen reagieren oder aber weniger Infrarotstrahlung absorbieren. Damit die Forschung diesen Weg auch konsequent weitergehen kann, bedarf es freilich finanzieller Mittel.

Und die öffentliche wie die private Hand investieren gutes Geld in die neuen Technologien. „Weltweit liegen die privaten und öffentlichen Investitionen im Bereich Nanotechnologie bei etwa 9 Milliarden Euro“, sagt Thielmann. Die sogenannten Triade-Regionen Europa (2,5 Mrd. Euro), USA (3,5 Mrd. Euro) und Japan (2,7 Mrd. Euro) schlagen da besonders stark zu Buche. „Demgegenüber steht aber ein durch die Nanotechnologie beeinflusster Weltmarkt von voraussichtlich 100 bis 1000 Milliarden Euro“, was laut Thielmann die großen finanziellen Anstrengungen rechtfertigt.


Gefahren kleinster Angreifer
„Der Ausgangspunkt für alle Effekte der Nanotechnologie ist letztlich“, wie Thielmann erklärt, „folgender: Das Verhältnis der Oberfläche zum Volumen vergrößert sich mit zunehmender Miniaturisierung. Die Reaktivität erhöht sich – was ja im Normalfall gewünscht ist. Wenn künstlich hergestellte Nanopartikel aber unkontrolliert in die Umwelt gelangen oder gar vom Menschen aufgenommen werden, könnten sie wegen ihrer geringen Größe und hohen Mobilität biologische Barrieren wie die Blut-Hirn-Schranke überwinden.“ Und genau hier liegt letztlich der sprichwörtliche Hund begraben.

Zur Klärung: Die Blut-Hirn-Schranke verhindert das Eindringen unerwünschter Substanzen in das Gehirn. Befürchtungen gehen von einer möglichen Überbrückung dieser natürlichen Barriere durch die Nanopartikel aus. Von Schäden, Entzündungen bis Krebs, ja sogar über den Hirntod wird spekuliert. „Hier ist noch viel Forschungsbedarf nötig“, räumt Thielmann ein. Aber wer schließt die Lücke? Zwei Studien zum Thema wurden jüngst in Deutschland publiziert. Von Herstellerseite hat die im Nanobereich weltweit führende deutsche Lackindustrie die Nanopartikel in Heimwerkerlacken untersucht.

Es wurden Lackfilme, die in einem ersten Schritt alltäglicher Belastung ausgesetzt werden, betrachtet. Das Ergebnis: Zwischen Lacken mit und ohne Nanopartikel bestehe kein Unterschied in den freigesetzten Partikelzahlen. Im zweiten Schritt wurde der Lackfilm mit einem Handschleifgerät bearbeitet. Es wurde zwar eine deutlich erhöhte Anzahl von Teilchen freigesetzt, die zugesetzten Nanopartikel lagen aber auch hier im Abrieb in der Lackmatrix fest eingebunden vor.

Zusammengefasst: Die bei den Messungen gefundenen Konzentrationen an Nanopartikeln waren so gering, dass sie an der Nachweisgrenze des verwendeten Messsystems von etwa drei Partikeln pro Kubikzentimeter lagen. Zum Vergleich: In einem normalen Wohnraum befänden sich etwa 5000 Nanopartikel in jedem Kubikzentimeter Luft, an viel befahrenen Innenstadtstraßen bis zu einer Milliarde nanoskalige Feinstaub­partikel, heißt es vonseiten der Industrie.


Risiko Nanosilber
Für Thomas Belazzi vom Wiener Beratungsunternehmen für Umwelt- und Gesundheitsthemen im Baubereich Bauxund eine Milchmädchenrechnung: „Man darf gerade auf der Baustelle das additive Verhalten der Nanoverbindungen nicht ausklammern. Nur weil bei einem Vorgang eine geringe Nanoskaligkeit vorliegt, heißt das noch lange nicht, dass sich die Teilchen nicht mit anderen verbinden können. Auf der Baustelle werden viele verschiedene Arbeiten verrichtet.

Da kann eine einzelne Studie keine Klarheit verschaffen.“ Das deutsche Bundesinstitut für Risikobewertung (BfR) warnt in einer aktuellen Studie vor einem neuen Trend: Silberpartikel in Nanogröße. Nanosilber findet etwa in Lebensmitteln, Textilien und Kosmetika Anwendung. Silber und Silberverbindungen setzen Silberionen frei, die das Wachstum von Keimen hemmen können.

Im Bereich Textilien heißt das etwa die Vermeidung von Geruchsbildung, sei es der Rauch am Vorhang oder der Schweiß in der Persönlichen Schutzkleidung. BfR-Präsident Andreas Hensel erklärt: „Solange wir mögliche gesundheitliche Risiken nicht sicher ausschließen können, empfehlen wir Herstellern, auf Nanosilber zu verzichten.

“ Auch der Fakt, dass die Chemikaliengesetzgebung Reach den Bereich der Nanotechnologie mit abdeckt, ist für Belazzi nur die eine Seite der Medaille. „Da wir hier noch keine wissenschaftliche Klarheit über die Gefahren selbst winzigster Mengen an Nanopartikeln haben, ist eine Beschränkung wie bei Reach nicht aussagekräftig genug.“ Außerdem: Egal ob der Hersteller mit Nanotechnologie wirbt oder nicht – die Vorsilbe Nano ist keineswegs geschützt, kann also von jedem Unternehmen, ja, von jeder Privatperson verwendet werden. Scharlatanerie gibt es in jeder Branche.

Eine Kennzeichnungspflicht für nanooptimierte Produkte im Bereich Innenraum- und Fassadengestaltung – wie es sie zumindest in Sachen Kosmetika ab 2012 geben wird – steht derzeit noch nicht auf der EU-Agenda. Was das Thema Farben und Lacke also anbelangt, werden wir uns wohl noch etwas gedulden müssen.

Autor/in:
Redaktion Color
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