Oberflachenfunktionalisierung

Einen Schwerpunkt der Anwendung der Nanotechnologie im Bauwesen stellt die Oberfla­chenfunktionalisierung von Fassadenflachen (AuBen – und Dachfassaden) dar. Durch die Anwendung von Nanomaterialien lasst sich beispielsweise das Verhalten von Oberflachen gegentiber Flussigkeiten gezielt einstellen, z. B. hydrophob, hydrophil oder oleophob (olab – weisend). Die wohl bekannteste Herangehensweise ist die Hydrophobierung der Fassa – denoberflache. Sie beruht in der Regel auf Beschichtungen mit Si-organischen (Кар. 9.2.4) oder fluororganischen Verbindungen. Auf wasserabweisenden Schichten (groBe Randwin – kel а; Кар. 6.2.2.2) perlt das Wasser ab und auf der Oberflache anhaftende Schmutzparti – kel werden abgespult. Durch eine chemische Modifizierung der Oberflache konnen Rand- winkel bis max. 110… 120° realisiert werden. Sollen hohere a-Werte – und damit eine noch

starkere WasserabstoBung – erreicht werden, muss die Oberflache (mikro)strukturiert wer – den. Dabei gilt: Bei hydrophoben Oberflachen wird die Benetzbarkeit durch die (Mikro)- Rauigkeit der Oberflache reduziert, bei hydrophilen wird sie dagegen verbessert.

Den Zusammenhang: Starke WasserabstoBung durch Mikrostrukturierung der Oberflache realisiert die Natur bei den Blattoberflachen einiger Pflanzen, z. B. auch der Lotuspflanze (Lotus-Effect ®). Der Tropfen liegt nur auf den auBeren Spitzen der Mikrostruktur auf, wobei Randwinkel um 160° auftreten. Man spricht von ultra – oder superhydrophoben Oberflachen. Der Selbstreinigungsmechanismus stutzt sich auf die minimalen Kontaktfla – chen zwischen Tropfen und Oberflache (2 – 3%!). Die wie auf einer Biirste aufliegenden Schmutzpartikel werden vom abrollenden Fliissigkeitstropfen mitgenommen (Abb. 14.3b). Die Besonderheit der Blattstruktur besteht darin, dass auf der Noppenstruktur (die Noppen sind 5… 10 jum hoch und 10… 15 pm voneinander entfemt; Abb. 14.3a) noch eine zweite, sehr feine Nanostruktur realisiert ist. Dabei handelt es sich um kleine Wachskristalle (0 ca. 100 nm), die sowohl die Noppen als auch die Taler dazwischen uberziehen.

image218

Abbildung 14.3 a) Noppenstruktur des Lotusblattes (www. lotus. effect. com): b) Selbst­reinigungsmechanismus an einer mikrorauen Oberflache.

Die Ubertragung einer solch komplexen Oberflachenstruktur auf technische Produkte zur Erlangung eines Selbstreinigungseffektes ist hoch kompliziert und auBerst anspruchsvoll. So wurden Anstrichstoffe entwickelt, bei denen durch Zugabe von Si02-Mikropartikeln zu geeigneten Bindemitteln nach der Verarbeitung eine kunstlich mikrostrukturierte Oberfla­che erzeugt wird. Die 1999 auf den Markt gebrachte Fassadenfarbe Lotusan® wirbt bei – spielsweise mit dem oben dargestellten Selbstreinigungsmechanismus. Es hat sich in den letzten Jahren jedoch gezeigt, dass die gewtinschte Selbstreinigung der Oberflache nicht in dem MaBe eintritt, wie erhofft. Die Tauwassertropfen sind so leicht und vor allem so klein, dass sie nicht abrollen konnen. Sie verbleiben im Mikrorelief und trocknen dort ab. Wenn sie losliche Verschmutzungen aufgenommen haben, lagert sich der Schmutz in der Mikro­struktur ab und die Fahigkeit zur Selbstreinigung geht allmahlich verloren. Hier ist die Lo­tuspflanze klar im Vorteil! Sie besitzt die Fahigkeit, ihre Oberflache zu regenerieren. Wird die Grenzschicht beschadigt, emeuert sie die defekte Oberflachenstruktur innerhalb weni – ger Stunden bis die Selbstreinigung wieder funktioniert.

Titandioxid (TiC>2)-Photokatalyse. Wie die Nutzung des gerade beschriebenen Lotus – Effects®, so kann auch die Anwendung der Titandioxid-Photokatalyse im Baubereich in – zwischen schon als Klassiker bezeichnet werden. Gibt es doch inzwischen eine ganze Reihe
kommerziell erhaltlicher Produkte, die Titandioxid als Photokatalysator zur Zersetzung von Luftschadstoffen praktisch nutzen.

Titandioxid gehort neben Verbindungen wie ZnO, ZnS, CdS und Fe203 zu den Photohalb – leitem (Кар. 3.3.3). Es kommt in drei unterschiedliehen kristallinen Modifikationen vor, dem Rutil, dem Anatas und dem Brookit. Die thermodynamisch stabile Rutil-Modifikation findet als WeiUpigment fur Farben, Lacke, Kunststoffe und Keramiken sowie in der Le- bensmittelindustrie breite Anwendung. Anatas ist thermodynamisch instabil, kinetisch je – doch stabil. Die Anatas-Modifikation wird aufgrund der im Vergleich zum Rutil deutlich erhohten Photoaktivitat nur begrenzt technisch verwendet. Fur einen Einsatz als Photoka­talysator ist Anatas geradezu pradestiniert.

Abb. 14.4 zeigt das Energieniveauschema eines Halbleiterteilchens in der Darstellungs – weise des Energiebandermodells. Bestrahlt man Ti02-Partikel mit UV-Strahlung der Wel – lenlange X < 390 nm (dieser Wert entspricht der Energie der Bandliicke zwischen Valenz (VB)- und Leitungsband (LB) des Ti02(Anatas), Eg = 3,2 eV), so reicht die Energie hv der Photonen aus, um die Bandliicke zu iiberwinden. Es erfolgt der Ubergang eines Elektrons in das Leitungsband (e“LB)5 wobei im Valenzband ein Defektelektron (auch „Loch44, Ь+ув) zuriickbleibt (Gl. 14-1).

(ТЮ2) + hv -> (ТІ02) + Ь+ув + e LB (14-1)

Liegen die Redoxpotentiale potentieller Akzeptormolekule (A) und Donormolekule (D) innerhalb der Bandliicke des Halbleiters, kann eine Redoxzersetzung erfolgen.

Die an die Partikeloberflache migrierten Elektron-Loch-Paare konnen, falls sie nicht vorher rekombinieren, auf direktem Wege adsorbierte SchadstoffmolekUle zersetzen. Eine zweite Moglichkeit des Schadstoffabbaus kann iiber intermediar gebildete Radikale erfolgen. Durch die hohe Oxidationskraft der Locher im Valenzband kann Wasser in einem Einelek – tronenschritt zum Hydroxylradikal *OH oxidiert werden. OH-Radikale gehoren zu den ef – fektivsten Oxidationsmitteln der Atmosphare, ihre Oxidationskraft iibertrifft die des Chlors und Ozons. Die photolytisch erzeugten Elektronen sind dagegen in der Lage, adsorbierten Sauerstoff zu Superoxidionen 02~* zu reduzieren. Aus den Superoxidionen konnen im Re – sultat unterschiedlicher Sekundarprozesse Wasserstoffperoxid (H202), Peroxyradikale (H02*) und wiederum Hydroxylradikale entstehen (Details s. [BC 16,17]).

image219Abbildung 14.4

Energieniveauschema eines Halblei­terteilchens (Energiebandermodell)

Uber ein zweites faszinierendes Phanomen, das vollig unabhangig vom gerade beschriebe – nen photoinduzierten Schadstoffabbau existiert, wurde 1997 von Watanabe und Mitarbei – tem berichtet [BC 16]: Eine Titandioxid-Oberflache wird bei UV-Einstrahlung ultra – hydrophil (Kontaktwinkel a < 1°). Das Wasser flieBt auseinander und bildet einen flussi – gen Film. Unterbricht man die UV-Bestrahlung, bleibt der niedrige Kontaktwinkel fur ei­nen, maximal zwei Tage erhalten, steigt dann jedoch langsam wieder an. Die Oberflache wird wieder hydrophober. Die Ultrahydrophilie kann durch emeute UV-Bestrahlung wie – dererlangt werden. Im Jahre 1994 kamen die ersten, gemeinsam vom japanischen Konzem TOTO Ltd. und der Universitat Токіо entwickelten photokatalytisch aktiven Fliesen auf den japanischen Markt. Aufgrund ihrer nachgewiesenermaBen bakteriziden Wirkung wur – den sie in Krankenhausem (OP-Bereich), Kliniken und im hauslichen Sanitarbereich einge – setzt. Mit der Entdeckung der hohen Hydrophilie der Ti02-Beschichtung bei solarer Ein – strahlung wurden die Fliesen sofort fur AuBenanwendungen interessant und 2002 in ersten Bauwerken in Japan eingesetzt. Von beschichteten Keramiken zu beschichteten Glasem ist es nur ein kleiner Schritt. Der international agierende Flachglashersteller Pilkington stellte 2002 das erste Bauglas Pilkington Aktiv™ mit dualaktiver (selbstreinigend und ultra – hydrophil) Wirkungsweise vor. Photokatalytisch aktives, selbstreinigendes Glas kann fur nahezu alle AuBenanwendungen eingesetzt werden.

Heute gibt es in Deutschland fast keinen Hersteller von Beschichtungs – bzw. Anstrichstof – fen, der nicht in mindestens einem Produkt die Schadstoffzersetzung der photoaktiven Ti02-Pigmente nutzt. Daneben werden Ti02-modifizierte Dachziegel, Ti02-modifizierte Zemente fur Fassaden und StraBenbeton zur Reduktion der hohen Konzentrationen an NOx und leicht fluchtigen organischen Verbindungen in Ballungsgebieten, Putze sowie Gegen – stande fur die Innenausstattung kommerziell vertrieben [18].

Thermische Isolierung. Als weiteres Anwendungsgebiet der Nanotechnologie muss die thermische Isolierung von AuBenfassaden angefuhrt werden. Die Warmedammung von Au – Benfassaden ist ein wesentlicher Faktor in der Bauwirtschaft – und zwar sowohl im Hin – blick auf Investitionskosten bei Neubauten und Gebaudesanierungen als auch hinsichtlich anfallender Betriebskosten. In Westeuropa wird der Markt fur die thermische Isolierung in der Gebaudetechnik auf ca. 6 Mrd. Euro geschatzt [BC 19, 20]. Hier bietet sich ein Zu – kunftsmarkt fur nanoporose Materialien. Seit 1999 werden so genannte Vakuumisolati- onspaneele (VIP, Vacuum Insulated Panel) entwickelt. Diese Dammplatten nutzen das Prinzip der Vakuumdammung. Die Vakuumdammung benotigt bei gleicher Dammwirkung wesentlich geringere Dammstarken als konventionelle Dammstoffe. Als Dammmaterial wird Aerosil® (Кар. 6.2.2.2), ein hochporoses, nanostrukturiertes Kieselsaurepulver ver – wendet. Platten aus feinteiliger, poroser Kieselsaure besitzen schon unter Normaldruck gute Warmeschutzeigenschaften. Bereits ein moderates Vakuum von etwa 50 Millibar reicht aus, um das Warmeleitvermogen des feinporigen Dammmaterials weiter deutlich herab – zusetzen. Die VIP bestehen aus Kieselsaureplatten, die in ein schutzendes Vlies gepackt, anschlieBend evakuiert und in metallisierte gasdichte Kunststofffolien eingeschweiBt wer­den. Ihre Warmeleitfahigkeit betragt nur ca. 0,004 W/m K. Ihre Warmeschutzwirkung ist fast 10-mal besser als die herkommlicher, am Bau eingesetzter Dammmaterialien wie Po – lystyrol, Polyurethan, Glas – oder Mineralwolle. Das bedeutet: Statt z. B. 40 cm eines libli – chen Dammstoffs wie Polystyrol erzielen 4 cm Vakuumisolationspaneele den gleichen Warmeschutz. Fazit: Schlankere Konstruktionen werden moglich. Die ersten Produkte erhielten im Juli 2007 ihre allgemeine bauaufsichtliche Zulassung.

Ein weiteres in den letzten Jahren entwickeltes Isolationsmaterial sind die so genannten Silica-Aerogele (z. B. Nanogel®). Silica-Aerogele, auch als "gefrorener Rauch” bezeichnet, bestehen aus einem nanostrukturierten, dreidimensionalen Netzwerk von Si02-Partikeln. Die Partikelgrolie betragt etwa 10 nm. Die Porositat dieser Gele kann Werte iiber 95% (!) erreichen. Fassadenelemente auf Basis von Silica-Aerogelen sind transparent im Gegenteil zu den in der Regel lichtundurchlassigen Vakuum-Dammplatten. Aufgrund der Licht – durchlassigkeit eignen sich diese Materialen sowohl fur durchscheinende Gebaudefassaden als auch fur Dachfenster. Die Aerogel-Fenster basieren auf Doppelverglasungen zwischen denen mit Aerogelgranulat gefullte Polycarboxylat-Stegplatten eingebracht wurden. Die Dammelemente weisen aufgrund der extrem hohen Porositat des Gels sehr gute Warme – und Schalldammwerte auf und bewirken gleichzeitig eine ausgezeichnete Grundhelligkeit mit angenehmem Streulicht.

Im Hinblick auf modeme Fassadenfunktionalitaten muss auch die Anwendung von La – tentwarmespeichern angefiihrt werden, wenngleich sich diese Entwicklungsrichtung noch auf dem Weg zur Nanostrukturierung befindet. Durch die Verwendung spezieller warme – speichemder Materialien kann der temperaturausgleichende Effekt dicker Wande auf nur wenige Millimeter dicke Putzschichten ubertragen werden. Das Prinzip ist leicht erklart: Bei der Speicherung von Warme tritt gewohnlich im Speichermaterial eine Temperaturer – hohung auf. Diese Temperaturerhohung verhalt sich zur gespeicherten Warmemenge pro­portional (Abb. 14.5).

Da die gespeicherte Warme zu ftihlen ist, wird diese Form der Warmespeicherung als fiihl – bare oder sensible Warmespeicherung bezeichnet. Bei der latenten Warmespeicherung wird die Warme dagegen von einem Material gespeichert, bei dem ein Phaseniibergang, z. B. vom festen in den fliissigen Zustand, erfolgt. Man spricht von Phasenwechselmateri- alien (engl. Phase Change Materials, PCM). Nach dem Erreichen der Phaseniibergangs – temperatur bleibt die Temperatur trotz weiterer Warmezufuhr solange konstant, bis das Speichermaterial vollstandig geschmolzen ist (Abb. 14.5). Erst dann steigt die Temperatur weiter an. Die wahrend des Phasentibergangs eingespeicherte Warme bezeichnet man als,,versteckte“ oder latente Warme.

image220Abbildung 14.5

Temperaturverhalten eines sensiblen (gestrichelte Kurve) und eines latenten (durchgezogene Kurve) Warmespeichers.

Fur den Phasenubergang fest-flussig entspricht die latente Warme der Schmelz – oder Kris – tallisationswarme (Кар. 4.2.1). Latentwarmespeicherung ist ein aus dem Alltag gut be – kanntes Phanomen, z. B. von so genannten Warmekissen. Sie enthalten meist ubersattigte

Losungen von Natriumacetat-Trihydrat (CH3COONa • 3 H20). Diese iibersattigten Losun- gen stellen den „geladenen Zustand“ des Warmekissens dar. Chemisch handelt es sich bei der Salzlosung um ein metastabiles System. Erst durch,,AnstoBen“ wird der metastabile Zustand gestort. Das Natriumacetat kristallisiert schlagartig aus und das System gibt (la – tente) Warme an die Umgebung ab. Dabei handelt es sich sowohl um Kristallisations – als auch um Salzhydratbildungswarme. Durch das AnstoBen, z. B. durch Bewegung eines Stahlklickers oder durch Biegen eines Metallstreifens bzw. – plattchens, werden aktive Stellen erzeugt. Wahrscheinlich handelt es sich um Mikrorisse im Metall, die als Kristalli – sationskeime wirken konnen. Das neuerliche,,Aufladen“ erfolgt im heiBen Wasser, wobei das feste Salzhydrat wieder in eine ubersattigte Losung iibergeht. Ein zweites Beispiel fur Latentwarmespeicherung stellt die Speicherung von Kalte im Eis dar.

Latentwarmespeicher konnen in einem groBen Temperaturbereich verwendet werden. Je nach Phasenumwandlungstemperatur und Anwendungsbereich werden Stoffe unterschied – lichster Substanzklassen als PCM verwendet, z. B. Salzhydrate und Salzhydratmischungen, wassrige Salzlosungen und Paraffine. Bei den auf dem Bausektor eingesetzten PCM-Mate – rialien handelt es sich gegenwartig vor allem um Paraffine (Paraffinwachse) mit Schmelz – temperaturen zwischen -3… 100 °С. Die Entwicklung geht jedoch in Richtung Salzhydrate, da bei ahnlichen Umwandlungsbereichen die gespeicherte Warmemenge dieser Verbindun – gen die der Paraffine deutlich ubersteigt.

Fur Anwendungszwecke werden die Paraffine in Kunststoff-Mikrokapseln eingebracht (0 der Kapseln 5…20 pm). Durch diese Mikroverkapselung ergeben sich eine Reihe von Vor – teilen:

• Die Paraffine konnen nicht in den Baustoff gelangen und eventuell dessen Eigenschaften negativ beeinflussen.

• Die Gesamt-Paraffinoberflache ist aufgrund der geringen GroBe der Kapseln sehr groB, damit wird ein optimaler Warmeaustausch zwischen PCM und Baustoff er – moglicht.

• Mikroverkapseltes Paraffin (Abb. 14.6) ist wie ein Pulver leicht und vielseitig einsetzbar, z. B. in Innenputzen und Spachtelmassen.

Подпись: Abbildung 14.6image221REM-Aufnahme eines PCM-haltigen Gipsputzes: Die Mikrokapseln sind deutlich zu erkennen.

Quelle: Fraunhofer ISE.

Steigt die Umgebungstemperatur an, wird das Paraffinwachs flussig und Warme wird ge – speichert. Fallt die Temperatur wieder ab, wird das Wachs emeut fest und Warme wird an die Umgebung abgegeben.

Im Februar 2005 kam in Deutschland der PCM-haltige Gipsputz maxit clima® (Fa. maxit) auf den Markt. Die eingesetzten mikroverkapselten Paraffine sind auf eine Phasenwechsel – temperatur von 24…26 °С eingestellt. Laut Hersteller nimmt der Spezialputz funfmal mehr Warme auf als ein herkommlicher Innenputz. Eine 1,5 cm dicke Putzschicht mit maxit
clima® weist demnach etwa die gleiche Warmespeicherkapazitat auf wie eine 7 cm dicke Gipsdielenwand. Wichtig ist, dass die durch sommerliche Uberhitzungseffekte „aufgela – dene“ PCM-Putzschicht durch Nachtluftung wieder ,,entladen“ wird. Da Paraffine brennbar sind, wurde der PCM-Gipsputz wie auch die Knauf-Latentwarmespeicherplatte in die Brandschutzklasse B2 eingestuft. Durch Aufbringen einer feuerhemmenden Beschichtung (Dammschicht) erftillen beide Baustoffe die Anforderungen der Brandschutzklasse Bl. Entwicklungsbedarf besteht gegenwartig noch hinsichtlich der Erhohung der Lebensdauer der Mikrokapseln in zementgebundenen Baustoffen. Die Mikrokapseln dtirfen weder beim Einmischen noch bei der Verarbeitung zerstort werden. Des Weiteren muss der erhartete Baustoff eine nahezu beliebige Anzahl von Schmelz-/Erstarrungszyklen uberstehen, ohne dass er in seiner Stabilitat beeintrachtigt wird. Es ware ein technologischer Durchbruch, gelange es Nano-PCM herzustellen – z. B. als Nano-Komposite, die dauerhaft in die Ze- mentmatrix eingebettet werden, ohne die Betoneigenschaflen zu beeinflussen [BC 19].