Technik

Nanu!

Die Nanotechnologie, ein Begriff der inzwischen auch im Bauwesen häufig auftritt, bleibt noch vielen ein Rätsel. Erst mit chemischem und physikalischem Verständnis lassen sich die verbesserten Materialeigenschaften von Bauprodukten durch Nanopartikel erklären. Diese werden unter anderem bereits bei Beschichtungen, Glasscheiben oder als Zusatz- mittel für Beton oder Zement verwendet. Nanotechnology, a term which has become frequently used in the construction industry, still remains a mystery to many. Only with a chemical and physical understanding can the improved material pro-perties given to building products by nanoparticles be explained. They are already used in coatings, glass sheets and as an additive in concrete or cement, as well as in other applications.

Nanotechnologie befasst sich mit der Herstellung, Untersuchung und Anwendung von Strukturen und Materiebausteinen mit geometrischen Ausdehnungen in mindestens einer Dimension zwischen eins und hundert Nanometern. Ein Nanometer ist ein Milliardstel Meter (10–9 m), das heißt, er ist etwa fünfzigtausendmal kleiner als der Durchmesser eines menschlichen Haares. Aber nicht allein die Kleinheit der Strukturen ist entscheidend: In Nanomaterialien können im Vergleich zu gröber strukturierten Materialien recht drastische Veränderungen in den physikalischen, chemischen und biologischen Eigenschaften auftreten, etwa hinsichtlich elektrischer Leitfähigkeit, Magnetismus, Fluoreszenz, Härte, Festigkeit, chemischer Reaktivität oder biologischer Aktivität.

Diese Veränderungen der Materialeigenschaften lassen sich gezielt für die Realisierung kleinerer, schnellerer, leistungsfähigerer und »intelligenterer« Systemkomponenten für neue Produkte mit deutlich verbesserten oder zum Teil gänzlich neuartigen Funktionalitäten nutzen. Hieraus ergeben sich Chancen auch für die Entwicklung kommerzieller Produkte und Anwendungsoptionen in einer Vielzahl unterschiedlicher Wirtschaftszweige, etwa der Automobil-, Chemie- oder Pharmaindustrie, der Informationstechnik oder der Optik. Deren künftige Wettbewerbsfähigkeit hängt unter anderem von der Weiterentwicklung der Nanotechnologie ab. Auch im Bausektor bietet die Nanotechnologie Innovationspotenziale; die Anwendungsfelder sind zum Beispiel Beschichtungen wie Putze und Farben für Außen- und Innenfassaden, der Brandschutz, Isolierungen oder Zusatzmittel für Zement und Beton.
Verbesserung von Oberflächenfunktionen Durch die Anwendung von Nanomaterialien lassen sich die Eigenschaften von Oberflächen gegenüber Wasser und Schmutzpartikeln in vielen Variationen verändern, zum Beispiel zu hydrophilen (wasseranziehenden), hydrophoben (wasserabweisenden) oder oleophoben (fettabweisenden) beziehungsweise superhydrophilen und superhydrophoben Flächen [1].
Superhydrophile Flächen und photokatalytisches Wirkprinzip Bei hydrophilen Oberflächen bildet sich bei Feuchtigkeitseinfluss ein gleichmäßiger Wasserfilm auf der Oberfläche, so dass eine Tropfenbildung und damit ein Beschlagen beispielsweise von Scheiben oder Spiegeln vermieden werden kann. Technisch lassen sich superhydrophile Oberflächen zum Beispiel durch photokatalytische Titandioxidschichten realisieren, die gleichzeitig auch noch antibakteriell wirken, an der Oberfläche anhaftende Keime abtöten und Schmutzpartikel zersetzen. Die Kleinheit der Teilchen des nanoskaligen Titandioxidpulvers vermeidet eine Lichtstreuung, so dass die erforderliche Transparenz, etwa für die Anwendung auf Scheiben, erzielt wird. Die photokatalytische Wirksamkeit der Titandioxidschichten basiert auf der Einstrahlung von UV-Licht, die Anwendung bleibt also in der Regel auf den Außenbereich beschränkt. Mittlerweile gibt es jedoch Ansätze, die Absorptionskante des Photokatalysators in den sichtbaren Bereich zu verschieben, so dass Innenraumanwendungen wie fungizide Wandanstriche auch ohne die Verwendung spezieller UV-Lampen möglich werden. Am weitesten vorange-schritten ist die Kommerzialisierung der Photokatalysetechnologie in Japan, aber auch von deutschen Unternehmen werden photokatalytische Schichtsysteme etwa für Spiegel, selbstreinigende Fenster, Fensterrahmen oder Ziegel auf dem Markt angeboten [2]. Sie sind auch nachträglich auftragbar.
Superhydrophobe Flächen und chemisch/mechanisches Wirkprinzip
Hydrophobe Schichten haben wasserabweisende Eigenschaften; das Wasser auf diesen Schichten perlt ab, die auf der Oberfläche anhaftenden Schmutzpartikel werden abgespült. Hydrophobe Oberflächen sind im Bausektor von großer Bedeutung, da sich mit ihnen zum Beispiel Antischmutz-, Antifouling-, Antigraffiti- oder Antikorrosionseigenschaften erzielen lassen. Es befinden sich bereits eine Vielzahl von Produkten zur Hydrophobisierung von Fassadenflächen auf dem Markt, die häufig auf der Anwendung fluor- bzw. silikonhaltiger Verbindungen basieren und unter dem Label »easy-to-clean« vertrieben werden. Auch sie lassen sich nachträglich auftragen, wobei der Effekt dann unter Umständen nicht absolut gleichwertig ist. Zusätzlich eingebrachte Nanopartikel können weitere Funktionen wie extrem hohe Abriebbeständigkeit, einen permanenten Schutz vor ultravioletter oder Infrarotstrahlung, antimikrobielle Eigenschaften, elektrische Leitfähigkeit oder neuartige dekorative Farbeffekte erzeugen. Für Anwendungen als Anti-Graffiti-oder Anti-Fingerprint-Schutzbeschichtungen werden hydrophobe mit oleophoben Oberflächeneigenschaften kombiniert.
Eine Verfeinerung des Ansatzes der hydrophoben Oberflächen stellt die zusätzliche Mikrostrukturierung dar, die die Tropfenbildung verstärkt und somit der Oberfläche superhydrophobe Eigenschaften verleiht. Dieser Selbstreinigungsmechanismus superhydrophober, mikrostrukturierter Oberflächen, der in der Natur an Pflanzen wie der Lotusblume beobachtet werden kann, wurde von Wilhelm
Barthlott in den siebziger Jahren entdeckt. In den Neunzigern gelang es, dieses physikalisch-chemische Phänomen erstmals technisch umzusetzen. Die auf diesem patentierten Selbstreinigungsmechanismus basierenden Produkte wurden unter der Markenbezeichnung »Lotus-Effect« im Bausektor eingeführt [3]. Dort sind prinzipiell alle mechanisch wenig belasteten äußeren Fassaden- und Dachflächen für Anwendungen des natürlichen Selbstreinigungseffektes interessant. Die bisherigen Ansätze zur technischen Nachahmung weisen allerdings noch gewisse Einschränkungen in ihrer praktischen und ökonomischen Umsetzbarkeit – denn die ist neben wirtschaftlichen Aspekten abhängig von der Art des Untergrundes beziehungsweise des gewählten Baustoffs – und der Haltbarkeit der Mikrostrukturierung auf. Denn insbesondere diese unter realen Umwelteinflüssen, speziell bei starker mechanischer Belastung, zu gewährleisten, ist teilweise schwierig.
Brandschutz Die Nanotechnologie bietet verschiedene Ansatzpunkte für die Entwicklung neuartiger Flammschutzmittel mit optimiertem Eigenschaftsprofil beziehungsweise als Ersatz für umweltbelastende Stoffe. Ein Forschungsschwerpunkt sind hier nanostrukturierte Silikatpartikel (»Nanoclay«), die als Füllstoffe für Polymere zur Optimierung der Flammschutzeigenschaften und der Hitzebeständigkeit verwendet werden. In der Gebäudetechnik spielen Polymere vor allem in Kabelummantelungen und diversen Installationen und Verschalungen im Innenausbau eine Rolle, etwa bei Sicherungskästen, Steckdosen oder Lampengehäusen. Hinsichtlich der Brandschutzeigenschaften von Nanoclay-Kompositen konnte gezeigt werden, dass sowohl die Hitzeabstrahlung als auch die Rauchentwicklung deutlich reduziert und der Zündzeitpunkt verzögert werden konnte. Ein weiteres Anwendungsfeld sind brandhemmende Beschichtungen für Holz, Metall, Kunststoff oder Beton, mit denen die Materialien der Feuerentwicklung länger standhalten und eine unkontrollierte Feuerausbreitung verhindert wird. Die nanopartikulären Beschichtungsmaterialien werden flüssig oder pastös auf das zu schützende Material appliziert. Im Brandfall entsteht innerhalb von Sekunden eine keramische Schicht, die wärmedämmend wirkt und die Rauchgasentwicklung drastisch reduziert. Die Verfestigungstemperatur wird gesenkt und die Schichtbildung beschleunigt, so dass eingeschlossene gasförmige Verbrennungsprodukte Blasen bilden können, die zusätzlich wärmedämmend wirken. Weitere Vorteile derartiger Brandschutzsysteme sind unter anderem gute Umweltverträglichkeit (halogenfrei) sowie hohe Lichtechtheit und Abriebfestigkeit [4].
Thermische Isolierung Hochporöse Nanomaterialien wie Silica-Aerogele zeichnen sich durch vorzügliche Isolation gegen Wärme-leitung und Konvektion aus, lassen hingegen Wärmestrahlung und Licht sehr gut durch und können fast glasklar sein. Die Isolationseigenschaften des sehr leichten Feststoffes sind deutlich besser als die herkömmlicher Isolationsmaterialien. Aufgrund der hohen Transparenz eignen sich Aerogele neben Fassadenisolierungen prinzipiell auch für die Verwendung in Fensterscheiben. So könnten sich vor allem in kälteren Klimazonen (Nordeuropa und -amerika, zum Teil Mitteleuropa) wirtschaftliche Vorteile gegenüber Konkurrenzlösungen ergeben. Haupthindernisse für kommerzielle Anwendungen sind derzeit noch die hohen Herstellungskosten sowie die geringe mechanische Stabilität (Brüchigkeit) der Aerogelscheiben. Um letzteres Problem zu umgehen, fokussieren sich andere Hersteller auf granulare Aerogelmaterialien, die sich aufgrund verringerter Lichtdurchlässigkeit allerdings eher für transluzente Gebäudefassaden eignen (Bild 8). Derartige Aerogelfenster basieren auf Doppelverglasungen mit Aerogel-Granulat im Zwischenraum.
Smart Windows Der Begriff Smart Window oder auch Smart Glazing bezieht sich auf Glasscheiben, die in Abhängigkeit von Umwelteinflüssen ihre Eigenschaften insbesondere hinsichtlich Transparenz und Transluzenz ändern können. Hierfür werden chromogene Materialien benötigt, deren Farbe beziehungsweise Transparenz/Transluzenz in Abhängigkeit physikalischer oder chemischer Einflussgrößen reversibel geschaltet werden können. Diese Möglichkeit ersetzt zum Beispiel externe Verschattungssysteme. Schaltbare Gläser lassen sich durch eine Vielzahl technischer Ansätze realisieren (Bild 9), die wesentlich auf der Anwendung von Nanomaterialien und nanoskaligen Schichtsystemen basieren. Bislang existieren allerdings erst Prototyplösungen und ein Durchbruch für eine größere Anwendung ist sowohl aus Kostengründen als auch aus technischen Gründen derzeit noch nicht abzusehen. Eine etwas marktnähere Entwicklung sind Antireflexschichten für Flachglas, die für einen hohen Licht-Transmissionsgrad sorgen und beipielsweise für Solarkollektoren oder Fassadenverglasung eingesetzt werden [5].
Zement/-Betonbaustoffe Hauptansatzpunkt für Materialverbesserungen ist hier die Verwendung von Nanopulvern und -fasern als Zuschlagmittel, beispielsweise kolloidales (fein verteiltes) Siliziumdioxid oder Blockcopolymere: Sie ermöglichen nicht nur eine Verbesserung der Festigkeit, Beständigkeit und Verarbeitbarkeit von Beton und Mörtel, sondern auch eine elektromagnetische Abschirmung oder Regulierbarkeit der thermischen Leitfähigkeit. Durch Anwendung von kolloidalem Siliziumdioxid, das typischerweise eine Partikelgrößenverteilung im Bereich von 5 bis 30 nm hat, lassen sich die Fließeigenschaften und die Stabilität der flüssigen Zementmischung verbessern. Der Effekt basiert im Wesentlichen auf einer hohen »aktiven« Oberfläche des kolloidalen Siliziumdioxid, die eine beschleunigte Abbindungsreaktion des Zements bewirkt und sich positiv auf die Mikrostruktur des Betons oder Mörtels auswirkt [6].
Fazit Von der Fülle nanotechnologischer Innovationspotenziale wurden nur einige exemplarische Beispiele vorgestellt, die sich auf dem Entwicklungsstand marktnaher Forschung und Entwicklung oder bereits kommerzieller Produkte befinden. Unerwähnt blieben längerfristige Optionen wie beispielsweise neuartige Beleuchtungstechniken auf Basis organischer Leuchtdioden, die das Potenzial für großflächige, biegsame und elektronisch steuerbare Multicolor-Leuchtmittel aufweisen und somit zukünftig Anwendungen wie etwa leuchtende Tapeten ermöglichen könnten. Die Vision einer sich dem Stimmungszustand der Bewohner anpassenden Wohnumgebung – ob virtueller Südseestrand oder Winterlandschaft – rückt so näher. Bis dahin ist es allerdings noch ein langer Weg entlang des Innovationspfades. Erste Nanotechnologie-Anwendungen, die bereits auf dem Markt sind, stehen natürlich in einem harten Preiswettbewerb gegenüber Konkurrenzlösungen. Welche technologischen Neuerungen sich im Bausektor etablieren werden, ist noch nicht abzusehen. Sicher ist jedoch, dass die Entwicklung der Nanotechnologie erst am Anfang steht. W. L.
[1] Oberflächen mit einem Kontaktwinkel eines aufgebrachten Wassertropfens < 90 ° heißen hydrophil (benetzbar), bei einem Kontaktwinkel > 90 ° hydrophob (unbenetzbar). Bei superhydrophilen Oberflächen beträgt der Kontaktwinkel eines aufgebrachten Wassertropfens weniger als 5 °. Diese Superhydrophilie bewirkt, dass anorganische Staubteilchen bereits durch geringste Mengen (Regen)-Wasser abgespült werden können, da sich dieses auf den superhydrophilen Flächen besonders effizient verteilt und den Schmutz quasi unterspült. Superhydrophobe Oberflächen weisen einen Kontaktwinkel > 150 ° auf. Hersteller (Auswahl): [2] So zum Beispiel das selbstreinigendes Tondach von Erlus (»Erlus Lotus«), selbstreinigende Wandanstriche und photokatalytische Innenraumfarbe von Sto (»StoPhotosan« und »StoClimasan Color«), »Hydrotect Fliesen« der Deutschen Steinzeug AG oder ein selbstreinigendes Flachglas von Pilkington Deutschland (»Pilkington Active«). [3] Ein Beispiel ist die Fassadenfarbe »Lotusan« der Firma Sto, die seit 1999 auf dem Markt ist und mit der mittlerweile über 300 000 Gebäude gestrichen worden sind. [4] Derartige Brandschutzsysteme werden in Deutschland zum Beispiel von der Firma ITN Nanovation aus Saarbrücken hergestellt und vertrieben. [5] Die Antireflexeigenschaften basieren auf einer nanoporösen Interferenzschicht, deren industrielle Produktion für großflächig entspiegelte Glasscheiben von den Firmen Flabeg und Merck vorangetrieben wird. [6] Derartige Produkte werden beispielsweise von Degussa als innovativer Verlegemörtel vermarktet.