Mit Nanokapseln im Lack selbstheilend Rost bekämpfen
Rost ist ein übler Geselle, der jedes Jahr volkswirtschaftliche Schäden in Milliardenhöhe verursacht. Forscher haben jetzt Nanokapseln entwickelt, die einfach in Lack eingebracht werden. Diese Nanokapseln setzen korrosionshemmende Stoffe frei und können entstandene Schäden reparieren.
Rost: Forscher haben Nanokapseln entwickelt, die korrosionshemmende Stoffe freisetzen und entstandene Schäden reparieren können.
Foto: panthermedia.net/civic_dm@hotmail.com
Das größte Organ des Menschen, die Haut, hat eine bemerkenswerte Eigenschaft: Sie kann kleinere Verletzungen selbst heilen. Das Organ „erkennt“ die Verletzung und wie durch ein Wunder wächst die Wunde oder der Riss einfach wieder zu. Diese Intelligenz der Haut möchten Materialwissenschaftler der Max-Planck-Institute für Eisenforschung in Düsseldorf und für Polymerforschung in Mainz jetzt auf eine Rostschutzschicht übertragen. Sie wollen einen Rostschutz entwickeln, der kleinere Löcher und Risse im Lack erkennt und wieder verschließt. Rost verursacht jedes Jahr einen volkswirtschaftlichen Schaden in Höhe von drei Prozent des Bruttoinlandsproduktes.
Polymerkapseln sind nur wenige 100 Nanometer groß
„Auf dem Weg zu einen intelligenten Korrosionsschutz haben wir jetzt zwei Durchbrüche erzielt“, sagt Michael Rohwerder, Leiter einer Gruppe am Max-Planck-Institut für Eisenforschung. Die Forscher haben Kapseln aus dem leitfähigen Polymer Polyanilin als Container für korrosionshemmende Substanzen entwickelt. Die Polymerkapseln sind nur wenige hundert Nanometer groß und können in einen Lack eingelagert werden. Die Kapseln haben die Wissenschaftler mit Metall-Nanopartikeln versehen, um so einen geeigneten elektrischen Kontakt zwischen den Containern und dem Metall zu schaffen, auf das sie die Nanokapseln als Bestandteil einer Lackschicht auftrugen.
Test mit aggressivem Salzwasser
Dann kam der Härtetest: Die Forscher verletzten diese Schutzschicht und träufelten aggressives Salzwasser auf dieoffene Stelle. Wie durch ein Wunder, wurden die Wände der Polymerkapseln porös und die korrosionshemmenden Stoffe konnten austreten und den Sauerstofffraß unterbinden. „Entscheidend ist dabei, das richtige Signal zu wählen, um die Kapselwand zu öffnen“, sagt Michael Rohwerder.
Nanocontainer, die korrosionshemmende Substanzen enthalten, lassen sich in Lacken für Metalle einbetten. Sie geben die Stoffe ab, wenn die Schicht beschädigt wird und Korrosion das Metall angreift. Sobald die Korrosion stoppt, schließen sich die Kapseln wieder. In solche Kapseln haben Forscher auch Stoffe eingeschlossen, die Defekte in der Schutzschicht heilen.
Quelle: Advanced Materials 2013
Im Prinzip gibt es drei Wege, die Kapselwand zu öffnen. Der erste ist rein mechanisch, die Kapselwand bricht auf, wenn die Schutzschicht angekratzt wird. Der zweite Signalweg nutzt den steigenden pH-Wert aus, der mit der Korrosion einhergehen kann. Der dritte Signalweg nutzt das elektrochemische Potenzial als Kapselöffner, der die Polyanilinhülle durch einen chemischen Umbau löcherte. „Dieses Potenzial sinkt immer, wenn die Korrosion einsetzt“, erklärt Rohwerder. „Es gibt also das zuverlässigste Signal, um die Kapseln zu öffnen.“ Überträger des Signals sind die Metall-Nanopartikel, die einen elektrischen Kontakt zwischen Kapselwand und Metall herstellen.
Umgekehrt funktioniert dieses Signalübertragung genauso. Wenn die Korrosion stoppt, steigt das Potenzial. Die Kapselwand strukturiert sich dann um und die Poren werden wieder versiegelt.
Heilmittel polymerisieren in einem Defekt
Wiederverschließbar sind auch die Container, in denen die Forscher Heilmittel für eine Polymerhaut einschlossen. Diese Stoffe können in einen Defekt polymerisieren und so den Riss oder das Loch abdichten. Für den Test ahmten sie die chemischen Bedingungen bei beginnender beziehungsweise endender Korrosion mit reduzierenden sowie oxidierenden Substanzen nach. Werden die Polymerkapseln reduziert, so öffnen sie sich und setzen die in ihnen befindlichen Heilpolymere frei. Werden sie oxidiert, verschließen sie sich wieder. „Mehr als 80 Mal konnten wir diesen Redox-Prozess mit den Polyanilin-Kapseln wiederholen“, sagt Daniel Crespy, der die Arbeit als Leiter einer Forschungsgruppe am Max-Planck-Institut für Polymerforschung betreute.
Mini-Emulsion mit chemischen Tricks stabilisiert
Was sich so leicht anhört, war allerdings erst nach einem großen Griff in die Trickkiste der Chemie möglich. Die Forscher erzeugten eine Mini-Emulsion aus einer wässrigen Lösung, in der Öltröpfchen schwebten, ganz ähnlich wie Milch. Doch bei der Milch setzt sich nach einer Weile der Rahm an der Oberfläche ab. Die Chemiker haben ihre Miniemulsion nicht nur mit einer einheitlichen Größe der Öltröpfchen ausgestattet, es ist ihnen auch gelungen, die Emulsion mit einigen chemischen Tricks zu stabilisieren.
Vor der Emulgation mischen die Chemiker die Bausteine für die Polymerkapseln in das Öl hinein. Dann wird die ölige Flüssigkeit in der wässrigen Lösung durch Rühren und mit Ultraschall emulgiert. Die Polymerkapseln entstehen erst dann, wenn die Chemiker zu der fertigen Emulsion eine weitere chemische Zutat tropfen. Diese löst sich im Wasser und leitet genau an der Oberfläche die Polymerisation ein. „Auf diese Weise können wir ölige Flüssigkeiten in einer wässrigen Lösung verkapseln“, sagt Daniel Crespy.
Ziel: Korrosionshemmer und heilende Substanzen in einer Kapsel
Die beiden Arbeiten in Mainz und in Düsseldorf müssen jetzt in einem weiteren Schritt zusammen gebracht werden, um einen selbstheilenden Korrosionsschutz zu erhalten. „Nun wollen wir die Substanzen, die Defekte heilen, und die korrosionshemmenden Stoffe zusammen in Kapseln einschließen“, sagt Crespy. Denn nur beide gemeinsam bilden einen wirkungsvollen Schutz vor dem zerstörerischen Werk des Rosts.
Es ist dann ähnlich wie bei einer blutenden Wunde in der Haut. Während die korrosionshemmenden Stoffe den Rostfraß stoppen, so wie auch eine Blutung bei einer Verletzung zunächst provisorisch gestoppt wird. Die heilenden Substanzen stellen den dauerhaften Korrosionsschutz des Lackes wieder her, brauchen dafür aber wie eine heilende Wunde etwas länger. „Beide Substanzen lassen sich bisher nicht unter denselben chemischen Bedingungen verkapseln“, sagt Daniel Crespy. Das wollen er und seine Kollegen nun rasch verändern.
Auf der Suche nach Chromatersatz
Es sind noch zwei weitere Herausforderungen, die die Wissenschaftler auf dem Weg zum selbstheilenden Rostschutz, zu bewältigen haben. „Zum einen müssen wir hemmende Substanzen identifizieren, die etwa so wirkungsvoll sind wie Chromate“, sagt Michael Rohwerder. Denn Chromate setzen derzeit als Bestandteile von Korrosionsschichten noch Maßstäbe, werden aber in immer mehr Anwendungen verboten, weil sie ziemlich giftig sind. „Zum anderen müssen wir dafür sorgen, dass die heilenden Substanzen schneller und in größeren Mengen zu einem Defekt gelangen“, so Rohwerder. Denn erst dann wird ihr selbstheilender Korrosionsschutz sich mit seinem Vorbild messen können: der Haut.
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