Haut mit hohem Rostschutzfaktor

28. Mai 2014

Korrosion verzehrt in den Industrienationen jährlich bis zu vier Prozent der Wirtschaftsleistung. Substanzen, die Metalle wirkungsvoll vor ihrem zerstörerischen Werk schützen, belasten oft die Umwelt oder haben andere Nachteile. Daher entwickeln Wissenschaftler um Martin Stratmann und Michael Rohwerder am Max-Planck-Institut für Eisenforschung in Düsseldorf Kunststoffschichten, die etwa Stähle vor Rost bewahren und sich selbst heilen, wenn sie beschädigt werden.

Text: Peter Hergersberg

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Das soll künftig nicht mehr passieren: Eine umweltverträgliche Kunststoffschicht, die vor Korrosion schützt und sich selbst heilt, soll Rost verhindern.
Das soll künftig nicht mehr passieren: Eine umweltverträgliche Kunststoffschicht, die vor Korrosion schützt und sich selbst heilt, soll Rost verhindern.

Erin Brockovich hat die Welt mit einem Problem bekannt gemacht, das Forscher des Max-Planck-Instituts für Eisenforschung nun endlich lösen wollen. In Brockovichs Geschichte geht es um Gift, viel Geld und die Gesundheit von fast 2000 Menschen; und es ist die Geschichte einer Frau, die viel dazu beigetragen hat, einen mächtigen Konzern in die Knie zu zwingen. Diese Zutaten ergaben die Mischung, die auch Hollywood gerne verarbeitet. Dass im Film Erin Brockovich Julia Roberts die amerikanische Rechtsanwaltsgehilfin und Umweltaktivistin spielt, dürfte dem Problem wohl zusätzliche Aufmerksamkeit verschafft haben: dem krebserregenden Chrom VI.

Der kalifornische Energiekonzern Pacific Gas and Electric Company ließ die Substanz zwischen 1952 und 1966 ins Grundwasser der Stadt Hinkley gelangen. Dafür musste das Unternehmen 1996 am Ende eines Verfahrens, das Erin Brockovich vorangetrieben hatte, rund 200 Millionen Dollar an die Einwohner der Stadt und noch einmal 133 Millionen Dollar an die Anwälte zahlen.

Die Salze von Chrom VI setzen beim Korrosionsschutz immer noch Maßstäbe, sind jedoch für viele Anwendungen inzwischen verboten. Gesucht ist nun eine ebenso wirkungsvolle, aber umweltverträgliche Alternative. Denn Korrosion frisst in den Industrienationen jährlich drei bis vier Prozent des Bruttoinlandsproduktes auf – das sind allein in Deutschland mehr als 75 Milliarden Euro. Den Prozess, der vor allem metallische Werkstoffe zersetzt, erforschen Martin Stratmann und Michael Rohwerder am Max-Planck-Institut für Eisenforschung in Düsseldorf, und sie suchen nach Mitteln, ihn zu verhindern.

Das Ziel der Forscher sind Kunststoffschichten, die verschiedene Metalle, aber vor allem Stahl oder Aluminium, vor Korrosion schützen und wie die Haut von Lebewesen von selbst heilen, wenn sie verletzt werden. Solch eine Kunststoffschicht soll – meist unter einem Farblack – ein Bollwerk gegen den zerstörerischen Fraß am Metall bilden. Bei den meisten Stählen errichtet eine Zinkschicht direkt auf dem Blech eine weitere Barriere. Bei Aluminium besteht sie aus einer besonders widerstandsfähigen, dichten Oxidschicht. Werden die Schutzschichten und möglicherweise sogar das Metall darunter durch einen Kratzer beschädigt, soll die Kunststoffhaut die Korrosion eventuell gemeinsam mit dem Zink zunächst stoppen. Und zwar so lange, bis sie die Wunde im Werkstoff wieder versiegelt hat.

Nutzt zwei Branchen: Erst beschichten, dann formen

Ein solcher Überzug würde nicht nur das Chrom-VI-Problem beseitigen, sondern könnte noch mit weiteren Vorteilen auftrumpfen. So soll es die Kunststoffhaut Stahlherstellern ermöglichen, die Zinkschicht zumindest zu reduzieren. Denn auch Zink ist in mancher Hinsicht umstritten. „Die Zinkschicht kann sich zwar in gewissem Maß selbst heilen, weil sich in Rissen oder Löchern auch passivierendes Zinkoxid abscheidet, das die weitere Korrosion verhindert“, sagt Michael Rohwerder, Leiter der Forschungsgruppe Molekulare Strukturen und Oberflächenmodifikation. „Aber das Metall gilt als problematisch für die Umwelt, ist teuer und verdampft beim Laserschweißen leicht, sodass die Schweißgeräte verunreinigt werden.“

Zudem könnten Beschichtungen, wie sie die Düsseldorfer Materialwissenschaftler entwickeln, den Wartungsaufwand für Flugzeuge minimieren. Feine Kratzer etwa in deren Tragflächen würde eine selbstheilende Schicht sofort verschließen. Heute müssen die Fluggesellschaften ihre Flieger regelmäßig nach noch so kleinen Schäden absuchen, um diese dann ebenso aufwendig zu reparieren.

Schließlich könnte mit der selbstheilenden Haut für Metalle ein neues Kapitel in der Fertigung von Autos oder Maschinen beginnen. Bisher werden Karosserien erst dann mit schützenden Schichten überzogen, wenn sie ihre endgültige Gestalt angenommen haben. Den Stahl vorher zu beschichten wäre kostengünstiger, bringt aber wenig, weil sich in der Schutzhaut feine Risse bilden, während das Material in Form gebracht wird. Eine selbstheilende Schicht könnte auch dieses Problem  beheben. Einen Gewinn brächte das sowohl den Automobilherstellern und Maschinenbauern als auch den Stahlerzeugern. Erstere könnten sich einen aufwendigen Prozessschritt sparen, der nichts mit ihrem Kerngeschäft zu tun hat, während Letztere ihre Produkte wertvoller und einträglicher machen könnten.

Motive, selbstheilende Polymerschichten zu entwickeln, gibt es für Martin Stratmann und Michael Rohwerder also reichlich, allerdings müssen sie sich dabei auch zahlreichen Herausforderungen stellen. Um zu verstehen, worin die Schwierigkeiten liegen und mit welchen Kniffen die Düsseldorfer Wissenschaftler sie überwunden haben oder überwinden wollen, hilft  ein kurzer Blick auf das, was bei der Korrosion passiert.

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