Getunte Schichten sorgen für Sauberkeit

Den alltäglichen Kampf mit Reinigungsmitteln gegen den Schmutz kennt jeder. Eine ganz andere Herausforderung ist es dagegen, industrielle Anlagen und Apparaturen sauber zu halten. Denn oft steckt der Teufel dort im Detail, etwa bei der Pasteurisierung von Milch. Hier lagern sich gelöste Milchproteine in Rohren, Kesseln oder Wärmetauschern der verwendeten Apparaturen ab. Diese sind dann bereits nach einer Arbeitsschicht derartig verschmutzt, dass die gesamte Anlage gestoppt und gereinigt werden muss. Für den Hersteller entstehen enorme Kosten. Diese Ablagerungen, die Produktionsabläufe durcheinander bringen können, werden von Experten «Fouling» genannt.

 

Massgeschneidert für jede Anforderung

Das Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST entwickelte Technologien, die den Schmutz in den Anlagen erst gar nicht entstehen lassen. Spezielle Beschichtungen verhindern, dass Proteine, Salzkristalle und Kalke an Anlagen- oder Bauteil­oberflächen anhaften. Das Problem: Die Art der Ablagerungen variiert dabei je nach verwendetem Anlagenmaterial und Flüssigkeit. Die Wissenschafter haben nun einen Weg gefunden, die Schichten für unterschiedliche industrielle Anwendungen und Belastungen anzupassen. Dies gelingt ihnen, indem sie die Strukturen und die Energie der Schichtoberflächen nahezu beliebig «einstellen».

Eine wichtige Stellgrösse ist dabei die Oberflächenenergie der Beschichtung. Sie bestimmt, wie stark die Ablagerungen haften bleiben. «Das Eigenschaftsspektrum dieser Schichten reicht von hohem Verschleissschutz bis zur extremen Anti-Fouling-Wirkung. Mit Hilfe spezieller Prozesstechnik sind wir in der Lage, nahezu jede gewünschte Eigenschaft zu kreieren», erklärt Dr. Martin Keunecke, Leiter der Abteilung «Neue Tribologische Beschichtungen» am IST.

Die Beschichtungen bestehen aus Kohlenstoff und weiteren Elementen und sind nur wenige Mikrometer dick. Das ist etwa 50 Mal dünner als ein menschliches Haar. Von Grund aus sehr hart und beständig, zeichnen sich Kohlenstoffschichten durch gute Antikorrosions- und Antiverschleisseigenschaften aus. Durch den «Einbau» von nichtmetallischen Elementen wie Fluor und Silizium lässt sich deren Oberflächenenergie, und damit ihre Hafteigenschaft, reduzieren. Ein zusätzlicher Anti-Fouling-Effekt entsteht. «Je nach Art und Menge des eingesetzten Elements können wir die Eigenschaften der Beschichtungen gezielt steuern», beschreibt Dr. Peter-Jochen Brand, Leiter der Abteilung «Transferzentrum Tribologie» am IST die Fertigung. «Dies ist auch nötig, denn Industrieanlagen sind durch flüssige Stoffe ganz unterschiedlichen Belastungen ausgesetzt. Man denke nur an die Milchverarbeitung oder Fruchtsaftherstellung in der Lebensmittelindustrie, die Fertigung von Lacken in der chemischen und die Medikamentenproduktion in der pharmazeutischen Industrie oder den Transport von Erdöl.»

 

Starke Nachfrage nach Anti-Fouling-Lösungen

Die Industrie setzt kohlenstoffbasierte Beschichtungen aktuell in erster Linie ein, um Reibung und Verschleiss zu verringern. Obwohl bereits jetzt stark nachgefragt, stecken die Anti-Fouling-Anwendungen noch in den Kinderschuhen. Von ihrer Innovation erwarten Martin Keunecke und Peter-Jochen Brand deshalb neue Impulse für den Markt. Anlässlich einer Präsentation zeigten sie die Vielfalt ihrer neuen Anti-Fouling-Beschichtungen anhand eines nachgebauten Springbrunnens. Das Wasser lief hier über die verschiedenen «getunten» Oberflächen und bildete dabei – je nach Grad des Anti-Haft-Effekts – unterschiedliche Tropfenmuster.

Nachdem sie nun wissen, wie sich die Schichten individuell «einstellen» lassen, geht es im nächsten Schritt um die Frage, wie die beschichteten Apparaturen am effizientesten produziert werden können. Denn Anti-Fouling funktioniert bereits sehr gut auf Aussenflächen. Die Innenbeschichtung, zum Beispiel von Rohren, ist jedoch alles andere als einfach. Hier wird deshalb zusammen mit Partnern aus Industrie und Forschung an neuen Herstellungsprozessen gearbeitet.

 

Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST

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