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Unter Verschluss
Saubere Oberflächen dank organofunktionellerSilansysteme.Sabine Giessler und Burkhard Standke, Rheinfelden.Naturbelassene Fassaden haben viele Feinde. Ob Alt- oderNeubau, ob Beton, Klinker oder Naturstein - auch wenn sievom Material noch so unterschiedlich sind, so leiden siedoch alle unter Witterungs- und Schadstoffeinflüssen.Beschichtungen, die dieses unterbinden sollen, müssenwitterungsstabil und flexibel einsetzbar sein. Schnell- undFreibewitterungsversuche von verschiedenenFassadenmaterialien zeigen, dass wasserbasierteorganofunktionelle Silansysteme auf einfache Weiselangzeitstabile Lösungen für diesen Problembereichdarstellen.Langsam aber sicher dringen mit saurem Regen undölhaltigen Ruß-Rückständen belastete Staubpartikel in diePoren von porösen Baustoffen ein und richten dort Schädenan: Verfärbungen, Abplatzungen, Algen und Moosbefallruinieren die Optik und auf lange Sicht auch dieBausubstanz. Produkte, die gezielt Oberflächenmodifizieren, so dass diese schmutzabweisend sind undeinen geringeren Reinigungsaufwand (Easy-to-Clean)ermöglichen, erfreuen sich steigender Nachfrage.Spezielles Interesse haben vor allem in den letzten zehnJahren Fluoralkylalkoxysilane geweckt [1]. Diese Silanekönnen beispielsweise die Oberfläche von Glas undKeramik in einer Weise verändern, dass ein Wassertropfenauf der Oberfläche nicht mehr spreitet, sondern abperlt.Ebenso kann Schmutz auf diesen Oberflächen nicht mehrso gut haften [2,3].Was für glatte Oberflächen schon Stand der Technik ist, giltnicht für poröse Untergründe. Bislang wurden für dieseUntergründe hinsichtlich der öl- und wasserabweisendenEffekte fluorhaltige, nicht filmbildende Acryl-Copolymerebzw. fluorierte Polymerdispersionen eingesetzt [4]. Eineandere Möglichkeit ist es, die Untergründe mitschmutzabweisenden Fassadenbeschichtungen zubehandeln. Beide Methoden bringen Nachteile mit sich. DieErste, dass die Imprägnierungen nicht lange UV-stabil sind;die Zweite, dass bei der Beschichtung Vergrauung oderVerkreidung auftreten kann [5]. Ebenso wird durch dieVerwendung von Fassadenfarben die sichtbareBaustoffoberfläche vor allem farblich verändert, was oft nichterwünscht ist.
Hydrophobie ohne filmbildenden EffektDas Eigenschaftsprofil eines für poröse Oberflächen idealgeeigneten Easy-to-Clean (ETC) Systems sieht wie folgtaus: UV- und witterungsstabil, unsichtbar, ungiftig undeinfach applizierbar. Diese Anforderungen werden vonwasserbasierten und VOC-freien, organofunktionellenSilansystemen erfüllt [6], die von Degussa weiterentwickeltwurden. Hierbei ist hervorzuheben, dass es sich beiorganofunktionellen Silansystemen dieser Art nicht umpolymere, transparente Beschichtungssysteme imherkömmlichen Sinne handelt, sondern um speziellesiliziumorganische Imprägnierungen, die ausgesprochenstarke oleophobe und hydrophobe Effekte auf derBaustoffoberfläche erzeugen. Ein großer Vorteil dieserBeschichtungen ist, dass das Erscheinungsbild nichtverändert wird (kein filmbildender Effekt) und dieWasserdampfdurchlässigkeit des Substrates erhalten bleibt[7].Organofunktionelle Silane haben einen weitenEinsatzbereich, der sich von haftvermittelnden
Eigenschaften in der Glasfaserindustrie bis hin zurModifizierung von Beton, Glas oder Keramik erstreckt [8].Diese Modifizierungsfunktionen umfassen auch denWitterungsschutz und die ETC Behandlung von Bauwerken.Die Reaktivität und Anwendungen von Silanen sindhauptsächlich durch deren bifunktionelle molekulare Strukturbestimmt. Die siliciumfunktionellen Gruppen, meistAlkoxysubstituenten, müssen durch Feuchte aktiviertwerden. Durch diese Aktivierung werden unter Abspaltungvon Alkohol (z.B. Methanol, Ethanol) Silanole gebildet. DieAnzahl von reaktiven Silanolgruppen bestimmt die Tendenzdes Silans, sich an eine anorganische Oberfläche zubinden. Die organofunktionelle Gruppe, im Falle von ETCAnwendungen Alkyl- oder Fluoralkylsilyloxygruppen, bewirktdie Bildung einer hydro- und oleophoben Oberfläche.Flüssige, monomere Alkylalkoxysilane werden schon seitüber 20 Jahren als hydrophobierende Imprägnierungen imBautenschutz eingesetzt. Diese niedrigviskosenFlüssigkeiten können aufgrund ihrer geringen Molekülgröße(<5 nm) sehr tief in einen porösen Baustoff eindringen. Nachder Silanaktivierung mit Wasser, das an der Oberfläche desPorenraumes adsorbiert ist, erfolgt die chemische Fixierungan die Porenoberfläche. Die sichtbare Oberfläche desBaustoffes bleibt dabei unmodifiziert, da die Silanmoleküleschneller von der Oberfläche verdunsten als sie mit ihrreagieren können. Daraus resultiert ein Baustoff der optischvollständig dem Unmodifizierten gleicht. Die Oberflächezeigt nur einen geringen Abperleffekt gegen Wasser, dasBaustoffinnere jedoch weist wasserabstossendeEigenschaften auf (siehe Abb. 1).Auf diese Weise wird sehr effizient und nachhaltig dasEindringen von Wasser und das Eindringen wassergelösterSchadstoffe in den porösen Baustoff verhindert. DieBaustoffoberfläche ist allerdings weiterhin empfindlichgegenüber Verschmutzungen, jedoch immer nochbenetzbar z. B. mit Silikonharzfarben oder Acrylatfarben[9,10].
Direkter VergleichGegen Verschmutzungen können hydro- undoleophobierende Silansysteme ansetzen. Diese bestehennicht aus monomeren Silanen sondern aus Silanoligomerenmit kontrollierter Molekülgröße. Die zur Aktivierung vonAlkoxysilanen notwendige Reaktion mit Wasser ist bei denSilansystemen schon vorweggenommen. Sie enthalten einehohe Konzentration an Silanolfunktionen und können dahergut an mineralischen Untergründen anbinden. Ausökologischen und arbeitssicherheitstechnischenGesichtspunkten wird auf die Verwendung von Lösemittelnverzichtet, denn die Systeme sind wasserbasiert. Aufgrundder Micellengrösse der wassergelösten Silanoligomere (ca.40 nm) [7] und deren Silanolstrukturen findet eine schnelleReaktion mit der mineralischen Oberfläche statt, die einehydro- und oleophobe Modifizierung der Baustoffoberflächebewirkt. Die Eindringtiefe dieser Systeme beschränkt sichmeist auf die obersten Zehntel eines Millimeters.Laborbewitterungstests sollen den Zeitaufwand vonFreibewitterungstests verkürzen. Hierfür muss jedoch fürjede Art von Substrat und Beschichtung zunächst eineKorrelation aufgestellt werden.Für die Bestimmung der UV- und Witterungsbeständigkeitwurden Proben (0,011 m2) bis zu 3000 Stunden einerkünstlichen Bewitterung in einemQUV-Schnellbewitterungsgerät ausgesetzt. Die Bewitterungfand in Anlehnung an EN ISO 11507 statt. Hierbei wurdenUV-A Lampen (0,92 W/m2, 340 nm) analog EN ISO 4892-3
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benutzt. Die künstliche Bewitterung besteht aus folgenden,sich wiederholenden Zyklen: 4 Stunden Bestrahlung mittelsUV-A bei 60 °C, 3 Stunden 55 Minuten Wasserkondensationbei 45 °C mit anschließender Wasserberieselung für 5Minuten.Unbestrahlte Proben wurden mit bestrahlten Proben direktdurch Farbmessungen und demBenetzung-/Abperlverhalten gegenüber wässrigen undöligen Flüssigkeiten verglichen. Nach dem Auftragen von 1Tropfen Testlösung für 10 (bei wässrigen Testlösungen)oder 30 (bei öligen Testlösungen) Sekunden werden diesemit einem Papiertuch aufgenommen. Die Fleckenbildungwird dann optisch beurteilt. Bei der Bewertung wird dieNummer der Testlösung notiert, bei der noch kein Schattenbzw. ein Fleck zurückgeblieben ist. Als wässrigeTestlösungen dienten folgende Systeme:1. Isopropanol / Wasser 2% / 98%2. Isopropanol / Wasser 5% / 95%3. Isopropanol / Wasser 10% / 90%4. Isopropanol / Wasser 20% / 80%5. Isopropanol / Wasser 30% / 70%6. Isopropanol / Wasser 40% / 60%Um keine Benetzung der 6. Testlösung zu erzielen, mussdie behandelte Oberfläche eine stark ausgebildeteHydrophobie aufweisen. Die öligen Testlösungen sindAbmischungen aus Mineralöl, n-Hexadekan und n-Dekan.
Gute Abperl-EigenschaftenEine andere Variante besteht darin, den Abperleffekt zubeurteilen. Hierbei wird bewertet, ob die Testlösungen aufder Oberfläche spreiten und dadurch einen Film beimAblaufen bilden, oder ob durch das Kippen des Substratesdie Testlösung noch als Tropfen abläuft.Die Freibewitterung wurde in Anlehnung an EN ISO2810:2004 durchgeführt. Da die Beschichtungen fürFassaden gelten, wurden die Probekörper im 90°-Winkelaufgestellt. Die Proben waren Richtung Süden gerichtet undauf dem Produktionsgelände der Degussa in Rheinfelden(Südwestdeutschland) platziert.In den Bewitterungsversuchen wurden folgende Systemegeprüft:- Das ETC Silansystem- Fluor/Acryl Polymersysteme (FA)- Tiefenhydrophobierung (TH) und ETC Silansystem- Tiefenhydrophobierung + Silikonharzfarbe + ETCSilansystemDie geprüften Substrate waren Beton und roter Sandstein.Die Applikation des VOC-freien Degussa ETC Materials"Protectosil SC Concentrate" wurde in verschiedenenwässrigen Verdünnungen vorgenommen. Die in den Abb. 2(Außenbewitterung) und Abb. 3 (künstliche Bewitterung)angegebenen Verbrauchsmengen sind auf die aufgebrachteMenge an Wirkstoff pro m2 bezogen. Die Applikation ineinem Arbeitsschritt erfolgte mittels einesNiederdruck-Sprühverfahrens (HVLP). Zum vollständigenAbbinden der ETC-Beschichtung wurden die Substrate zweiWochen bei Raumtemperatur gelagert, bevor dieBewitterungstests begonnen wurden.Im Gegensatz zu anderen handelsüblichen Produkten sinddie Silansysteme witterungsstabil (vgl. Abb. 2 und Abb. 3).Das ETC-Material wurde in verschiedenen Konzentrationenauf rotem Maintaler Sandstein zu FA verglichen. Dieaufgetragene Wirkstoffkonzentration des FA-systems warmehr als doppelt so hoch wie die der ETC Silansysteme.Schon nach einem Jahr Außenbewitterung sind dieFA-Systeme nicht mehr wirksam, während die Silansystemetrotz geringerer Wirkstoffkonzentration noch guteAbperl-Eigenschaften zeigen. Dieses ist durch die schlechteBenetzung für wässrige Testsubstanzen verdeutlicht. Der
Vergleich von Abbildung 2 und 3 zeigt, dass 300 Stundenkünstliche Bewitterung etwa einem Jahr Außenbewitterungentsprechen.
Guter LangzeitschutzEs ist auch zu erkennen, dass das ETC-Material für einenLangzeitschutz in hoher Konzentration angewendet werdensollte. Aus Abb. 3 geht hervor, dass auch die mitETC-Silansystem behandelte Probe, die in der künstlichenBewitterung jedoch ohne UVA-Bestrahlung platziert wurde,einen ähnlichen Abfall des Abperleffektes hat wie jeneProbe die UVA ausgesetzt war. Dieses verdeutlicht die guteUV-Beständigkeit dieser Silansysteme.Nachdem das reine ETC-Silansystem auf rotem Sandsteingetestet wurde, sollte auch geprüft werden, wie es aufanderen Substraten und in Wechselwirkung mit anderenBautenschutzmitteln wie Tiefenhydrophobierungen aufBasis von Alkylsilanen (TH) und Beschichtungssystemenwie Silikonharzfarben wirkt. In Abb. 4 sind Ergebnisse derkünstlichen Bewitterung dieser komplexen Schutzsystemeauf Beton dargestellt.Das Tiefenhydrophobierungsmittel wurde in zwei Aufträgenmit einer Auftragsmenge von 172 g/m2 aufgetragen. Danachwurde das Substrat über Nacht getrocknet, bevor dieSilikonharzfarbe (weiß oder mint) zweifach aufgetragenwurde. Nach Trocknung über Nacht wurde dasETC-Silansystem unverdünnt mit 36,4 g/m2 perHVLP-Technik aufgesprüht. Bevor die Bewitterungstestsbegonnen wurden, sind die Substrate zwei Wochen beiRaumtemperatur gelagert worden.Wie Abb. 4 verdeutlicht, sind die Abperl-Eigenschaften derSysteme aus drei Beschichtungsarten lange Zeitwitterungsstabil. Nach 3000 Stunden, entsprechend etwazehn Jahren Außenbewitterung, erlangen diese komplexenBeschichtungssysteme immer noch die höchsteBewertungszahl beim Abperlverhalten gegen wässrige undölige Testsubstanzen. Ebenso zeigt das ETC-System mitTiefenhydrophobierung gute Abperleigenschaften, was aufeine gute Verträglichkeit dieser beiden Bautenschutzmittelhinweist.ETC-Silansysteme werden in der Praxis schon vielfachangewendet. Am Beispiel eines Wohnhauses in Luzern(Schweiz) soll die positive Wirkung dieser Technologie aufNaturstein verdeutlicht werden. Im November 2000 wurdedie Fassade mit einem Hydrophobierungsmittel basierendauf Alkylsilanen sowie einer silanbasiertenETC-Beschichtung behandelt. Vor der Beschichtung wurdedie Fassade gesäubert und ausgebessert. Hierbei wurdenca. 77 g/m2 an TH und ca. 42 g/m2 an ETC-Silansystemaufgetragen. Abb. 5 verdeutlicht, wie sauber und hell dieFassade einige Jahre nach der Applikation aussieht.
Kernkraftwerksfassade saniertDie Gebäude des Kernkraftwerkes Leibstadt (KKL) in derSchweiz wurden von März bis November 2004 einergründlichen Renovierung unterzogen. Dabei wurden 40.000m2 Sichtbetonfläche inklusive Fugenersatz neu beschichtet.Neben 36 Gebäuden wurden auch der 99 m hohe Kaminund die Reaktorkuppel saniert. Die Anforderung hierbeibestand darin, die Oberfläche des Ortbetons, der mit undohne Anstrich (Silikonharzfarbe) ausgestattet war, zubeschichten. Sämtliche Flächen erhielten zunächst eineHydrophobierung mittels eines Alkylalkoxysilanes, dannzwei Silikonharzanstriche mit anschließenderETC-Beschichtung. Die Renovierungsarbeiten am KKL sinddetailliert in [11] beschrieben. Abb. 6 zeigt die gute Wirkungder ETC-Schicht im Vergleich zu der Fassade vor derRenovierung.
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Literatur[1] M. J. Owen und D. E. Williams: "Silanes and OtherCoupling Agents", Elsevier, Utrecht 1992.[2] P. K. Jenkner und R. Störger: "Easy-to-Clean Surfaces:Fluorosilanes for the Treatment of Ceramic Materials",Glazes and Glazing Techniques in the Ceramic Industry,20.-21. September 1999, Helsinki, Finnland[3] S. Giessler, Easy-to-Clean Beschichtungen auf Glas undKeramik- Chemische Grundlagen und Beständigkeit, Report11/2003 7. Jahrgang (Wien) S. 28-31[4] A. Stempf und P. Muller, Fluorinated Acrylics as analternative for hydrophobic and oleophobic coating for stoneand concrete, Proceedings of Hydrophobe II, September1998, S. 15-20[5] E. Bagda, Den Kräften der Natur ausgesetzt,Freibewitterungsversuche an Fassadenbeschichtungen,Farbe&Lack 110. Jahrgang 12/2004[6] B. Standke, P.K. Jenkner und R. Störger, "Easy-to-Cleanand Anti-Graffiti Surfaces: New Invisible Coatings on PorousMineral Materials with Fluoroalkysilane Systems", MaterialsWeek 2000, München, Deutschland[7] B. Standke, Permanenter Graffitischutz mit nanoskaligen,organofunktionellen Silansystemen, Themenheft"Nanotechnologie" der Zeitschrift "Der MathematischNaturwissenschaftliche Unterricht" Septemberausgabe2004, Herausgeber: Kompetenzzentrum Nanotechnologie,Saarbrücken[8] E. P. Plueddemann: "Silane Coupling Agents", 2nd ed.,Plenum Press, New York 1991[9] M. Collepardi und L. Coppola, ENCO report: Durability ofsilane & polyacrylate paint treated concrete, Degussa report[10] C. Fliedner, Silane als Hydrophobierungsmittel fürBeton -Teil 2, Bautenschutz und Bausanierung 4 (1994), S.52-54[11] A. Frei, Kernkraftwerk Leibstadt - umfangreicheSanierungen der Gebäudehüllen, Bautenschutz Nr. 4 (2004)S. 5-6
Ergebnisse auf einen Blick- Spezielle organofunktionelle Silansysteme erzeugen aufsaugfähigen mineralischen Oberflächen stark ausgeprägteAbperleffekte gegen Wasser und Öle. Dadurch bleibenbehandelte Fassaden länger sauber und lassen sich leichterreinigen. Zusätzlich ist der Bewuchs von Fassaden mitMikroorganismen verzögert und dunkle Wasserablaufspurenbei Regen können vermieden werden.- Die Silansysteme sind aufgrund ihrer speziellenchemischen Zusammensetzung und der festen chemischenAnbindung an den Untergrund UV- und witterungsstabil.Künstliche Bewitterung im Labor kann den Zeitaufwandgegenüber Freibewitterungstests verkürzen.- Die Easy-to-Clean-Systeme auf Silanbasis sind gutkombinierbar mit Tiefenimprägnierungen basierend aufmonomeren Alkylalkoxysilanen sowie Silikonharzfarben.Baustoffe können auf diese Weise optimal gegenSchädigungsmechnismen, die auf eindringendes Wasserzurückzuführen sind, und gegen Verschmutzungengeschützt werden.- Die Systeme sind aufgrund ihrer überragendenWasserdampfdurchlässigkeit gut für Fassadenbaustoffegeeignet; sie sind umweltfreundlich, da sie wasserbasiertund lösemittelfrei sind.
Dr. Sabine Giessler,Degussa AG, geb. 1971, studierte an der UniversitätDortmund und der TU WienChemieingenieurwissenschaften. Danach promovierte sieüber das Thema Optimierung von Reaktivdestillation an derUniversität Kyoto (Japan). Anschließend absolvierte sie
einen PostDoc an der University of Queensland (Australien).Seit 2001 ist sie bei der Degussa AG, Bereich Aerosil &Silane beschäftigt. Dort arbeitet sie in der AbteilungForschung und Anwendungstechnik Silane und leitet dieAnwendungsgruppe für Bautenschutz und Easy-to-CleanBeschichtungen.
Dr. Burkhard Standke,Degussa AG, geb. 1957, Studium und Promotion an derUniversität Hannover, Fachrichtung Festkörperchemie. Erwar 1986 zuständig für die Entwicklung neuer keramischerMaterialien bei der damaligen Hüls AG in Marl. Ab 1996arbeitete er in der Abteilung anwendungstechnischeBetreuung der Bautenschutzprodukte im Bereich Aerosilund Silane der Degussa AG. Seit 2005 ist Standkezuständig für die Forschung im Bereich funktionelle Silanedes Geschäftsbereichs Aerosil und Silane in Rheinfelden.
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Abb. 1: Unterscheidung von Tiefenimprägnierung (1) und Hydro-/Oleophobisierung mitorganofunktionellen Silansystemen (2); a) unbehandelte, wassergefüllte Kapillarpore,
b) mit Alkylalkoxysilan hydrophobierte Kapillarpore, sichtbare Baustoffoberflächebleibt unverändert, Wassertropfen spreitet auf der Baustoffoberfläche, c) hydro-/
oleophobisierte Baustoffoberfläche, ausgeprägter Abperleffekt.
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Abb. 2: Außenbewitterung von diversen verdünnten ETC Silansystemen auf rotemSandstein im Vergleich zu Fluor/Acryl Polymersystemen.
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Abb. 3: Künstliche Bewitterung von diversen verdünnten ETC Silansystemen auf rotemSandstein im Vergleich zu Fluor/Acryl Polymersystemen.
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Abb. 4: Künstliche Bewitterung von ETC Silansystemen auf Beton in Kombination mitFassadenfarbe (weiss/mint) und Tiefenhydrophobierung.
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Abb. 5: Wohnhaus Luzern, Fassade vor der Behandlung mit Silanen und nachmehrjähriger Bewitterung.
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Abb. 6: Kernkraftwerk Leibstadt, als Beispiel für eine großtechnische Applikation derSilansysteme (oben vor der Renovierung).
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