Neuer Korrosionsschutz, der sich selbst repariert
ETH-Forscher haben nach einem Zufallsfund einen aussergewöhnlichen Schutz gegen Korrosion entwickelt: Er leuchtet an den Stellen, wo er nicht beschädigt ist, repariert sich selbst - und ist mehrfach wiederverwendbar.
Wolkenkratzer, Brücken, Schiffe, Flugzeuge, Autos – alles, was der Mensch erschafft, zerfällt früher oder später. Der Zahn der Zeit heisst Korrosion, und sie macht vor nichts Halt.
Der Kampf gegen die Korrosion ist dementsprechend teuer: Alle Länder zusammen investieren pro Jahr rund 3,5 Prozent des globalen Bruttoinlandsprodukts in den Korrosionsschutz, also etwa 4000 Milliarden US-Dollar. Ein riesiger Markt. Und ein gigantisches Problem.
Eine neue Lösung präsentieren nun ETH-Forscher um Markus Niederberger und Walter Caseri vom Labor für Multifunktionsmaterialien: Sie haben in den vergangenen Jahren einen Kunststoff entwickelt, der den Korrosionsschutz stark verbessern und vereinfachen könnte. Poly(phenylenmethylen) heisst das Wundermaterial, kurz PPM.
Dieses neue Korrosionsschutzmaterial schlägt mehrere Fliegen mit einer Klappe. PPM lässt sich, als Farbe angerührt und erwärmt, auf eine Oberfläche aufsprühen und wird fest. Löcher und Risse in der Schutzschicht zeigt das Polymer mittels Fehlen von Fluoreszenz an.
Zudem bessert es Schäden ohne weiteres Zutun von aussen selbst aus. Und am Ende der Lebensdauer eines Produkts lässt sich das Polymer vollständig ablösen und bei nur geringem Materialverlust recyceln. Das Rezyklat lässt sich auf eine andere Oberfläche auftragen, ohne dass die speziellen Eigenschaften und Funktionen des Polymers verloren gehen.
Zufall half mit
Am Anfang der Entwicklung stand purer Zufall. Vor rund zehn Jahren arbeiteten Forschende in Niederbergers Labor an der Herstellung von Nanopartikeln in einem speziellen organischen Lösungsmittel. Unter bestimmten Bedingungen wurde das Lösungsmittel fest, es polymerisierte. «Das war ungewollt und unerwünscht», erinnert sich der ETH-Professor. «Wir wussten zu Beginn auch nichts damit anzufangen.»
Doch dann entdeckten sie, dass das zufällig entstandene Polymer, PPM genannt, neben seiner hohen thermischen Stabilität eine weitere interessante Eigenschaft aufwies: Es fluoreszierte, obwohl es nach gängigen Vorstellungen gar nicht fluoreszent sein sollte – und sie entwickelten es gezielt weiter. Zunächst verbesserte ein Doktorand die Synthese des Polymers. Danach erhielt dessen Nachfolger, der Doktorand Marco D’Elia, den Auftrag, eine sinnvolle Anwendung für PPM zu finden.
«Und diesen Auftrag hat er mit Bravour gelöst», freut sich Walter Caseri, der D’Elia betreute. Dabei hätten sich auchdessen Kontakte zu Korrosionsfachleuten an der Universitá degli Studi di Milano als fruchtbar erwiesen.
Einfach anwendbar, vielseitig einsetzbar
Labortests zeigten nämlich: Ein Überzug auf PPM-Basis schützt Metalle, vor allem Aluminium, gut vor Korrosion. Obwohl die Schutzschicht bis zu zehnmal dünner als herkömmliche Schutzmittel, beispielsweise auf Basis von Epoxidharzen, aufgetragen werden kann, ist sie dauerhaft.
Nicht zuletzt schliesst das Polymer Schäden im Belag von selbst. «Mechanismen der Selbstreparatur sind stark gefragt, sie zu erreichen, ist allerdings sehr schwierig und gute Lösungen sind bislang selten», betont Caseri. Um Selbstreparatur zu erreichen, werden normalerweise chemische Zusätze verwendet, die über die Zeit aus dem Polymer verdrängt werden und in die Umwelt gelangen. Nicht so bei PPM: «Dieses Material benötigt keine Zusätze», betont der Titularprofessor.
Nachhaltiger als bisherige Korrosionsschutzmaterialien ist PPM auch, weil es am Ende des Produktelebens vollständig abgelöst und wiederverwertet werden kann. Dabei geht zwar etwas Polymermaterial verloren, aber die Recyclingrate ist mit 95 Prozent sehr hoch. Die Forscher haben in ihren Tests das Material fünfmal wiederverwenden können.
Studien zur Nachhaltigkeit des PPM-basierten Korrosionsschutzes belegen zudem, dass das Polymer sowohl bezüglich Umwelteinwirkung als auch der menschlichen Gesundheit besser abschneidet als Korrosionsschutzmaterialien auf Epoxidbasis. «Am Ende gibt es für Epoxidharze nur zwei Entsorgungslösungen: Verbrennen oder auf einer Müllhalde deponieren», sagt Marco D’Elia. «Unser Produkt geht den dritten Weg: den des Recyclings.»
«Projekt zeigt Vielseitigkeit der Materialwissenschaft»
Komplett harmlos für die Umwelt ist der PPM-Korrosionsschutz dennoch nicht. «Synthetische Produkte haben immer Auswirkungen. Wählt man aber das richtige Vorgehen, kann man diese stark eingrenzen», erklärt der ehemalige Doktorand, der auf eine Kommerzialisierung des Korrosionsschutzes hofft.
Für ihre Erfindung haben die Forscher ein Patent beantragt. Es ist noch hängig. Zudem suchen sie derzeit einen Industriepartner, der das Produkt weiterentwickelt und im grossen Massstab herstellt und vertreibt. Mit Blick auf das weltweite Marktvolumen schätzt D’Elia das Potenzial als sehr gross ein. «Unsere Technologie ist ziemlich weit fortgeschritten, aber um ein Produkt verkaufen zu können, müssen wir es noch verbessern», sagt er.
Walter Caseri wiederum ist stolz auf das Erreichte. Die chemische Synthese, die Charakterisierung der molekularen Struktur und die Untersuchung von Materialeigenschaften, wie der Fluoreszenz, die für diese Art von Polymer nicht erwartet wurde, zeigen «die ganze Vielseitigkeit der Materialwissenschaft.»
Auch die Fertigungstechnik, ebenfalls ein wichtiges Standbein seines Departments, sei zum Zug gekommen. «Und jetzt haben wir eine tolle Anwendung. All diese grundlegenden Elemente der Materialforschung haben wir mit diesem Projekt abgedeckt», berichtet Caseri begeistert.
Ausserdem zeigt sich hier, wie wichtig internationale Zusammenarbeit ist. In diesem Projekt arbeiteten die ETH-Forscher mit Partneruniversitäten in Spanien, Österreich, Italien sowie in Grossbritannien.
Literaturhinweis
D’Elia MF, Magni M, Romanò T, Trasatti SPM, Niederberger M, Caseri WR: Smart Anticorrosion Coatings Based on Poly(phenylene methylene): An Assessment of the Intrinsic Self-Healing Behavior of the Copolymer. Polymers 2022, 14, 3457. doi: externe Seite 10.3390/polym141734571
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