Marktübersicht: Fortschritte bei Smart Coatings

Von Aarthi Janakiraman, Frost & Sullivan

Im Vergleich zu anderen aufstrebenden Industrien, kann die Lackindustrie als ausgereift angesehen werden. Veränderungen in den Präferenzen der Endnutzer sowie Regularien für alle Anwendungen treiben die Lackhersteller dazu an, nachhaltige, multifunktionale Lacke zu entwickeln, die einen Mehrwert bieten können. 

Die Stakeholder konzentrieren sich auf die Entwicklung smarter Beschichtungen mit verbesserter Haltbarkeit und Leistungseigenschaften, die nicht nur kostengünstiger als herkömmliche Beschichtungen sind, sondern auch nachhaltiger und umweltbewusster. Die verstärkten F&E-Anstrengungen im Bereich Nanotechnologie und Nanomaterialien haben zu einer neuen Ära von nanoskaligen und nanofunktionalisierten intelligenten Beschichtungen für verschiedene Anwendungen und Branchen geführt.

Während verschiedene Marktteilnehmer dazu neigen, ihre Beschichtungstechnologien und -lösungen als Teil ihrer Markenstrategie als „smart“ zu bezeichnen, werden smarte Beschichtungen im Idealfall als solche bezeichnet, deren Chemie mit spezifischen Funktionalitäten auf einen unerfüllten Bedarf oder eine Anwendungsanforderung abgestimmt sind. Die Funktionalitäten können von verbesserter Korrosionsbeständigkeit über superhydrophobe oder omniphobe Eigenschaften bis hin zu selbstheilenden Funktionen für das vorgesehene Substrat reichen.

Faktoren, die sich auf die Annahme auswirken

Einer der wichtigsten Faktoren, der die Forschung und Entwicklung im Bereich der smarten Beschichtungen fördert, ist die Notwendigkeit, das Problem der Korrosion in allen wichtigen Industriezweigen wie Öl und Gas, Automobil- und Luftfahrt, Bauwesen, Verteidigung und im maritimen Bereich zu überwinden. Es wird vorhergesagt, dass etwa 10-12 % der jährlichen Instandhaltungskosten, die in verschiedenen Industrien anfallen, auf Korrosion zurückzuführen sind. Dies hat dazu geführt, dass nicht nur die Endverbraucherindustrien, sondern auch die Beschichtungsentwickler in F&E investieren. Verschiedene Regierungsbehörden auf der ganzen Welt, insbesondere in Europa und den USA, sind aktiv an der Finanzierung von Forschungsprogrammen und -initiativen beteiligt, die die Entwicklung von smarten Beschichtungen mit verbesserter Funktionalität, mehrschichtigen Beschichtungssystemen mit Sensorelementen, Selbstheilung, Korrosionshemmung und anderen Funktionen unterstützen. Es wird erwartet, dass Zuschüsse und Mittel zur Unterstützung der Kommerzialisierung von Beschichtungssystemen auch die Entwicklung und Einführung von Beschichtungen vorantreiben werden.

Weitere wichtige Faktoren

Smarte Beschichtungen wie superhydrophobe und selbstheilende Schichten finden bedeutende Anwendungen in der Automobil-, Öl- und Gas-, Elektro- und Elektronik- sowie der Konsumgüterindustrie. Unternehmen wie IBM, Samsung und Apple sind aktiv an der Forschung beteiligt mit dem Ziel, sie in ihren Produkten einzusetzen. Es wird auch erkannt, dass fast alle wichtigen Arten von Smart Coatings in der Automobil- und Luftfahrtindustrie Anwendung finden. Der Automobilhersteller Nissan Motor Corporation hat sein Potenzial erkannt und smarte Beschichtungen entwickelt, die kommerziell genutzt werden und auf die eigenen Produkte appliziert werden.

Neben der stetig steigenden Nachfrage nach elektronischen und elektrischen Komponenten in Nordamerika und Europa wird erwartet, dass der asiatisch-pazifische Raum ein attraktiver Markt für die Übernahme von Technologien sein wird, insbesondere durch die steigende Nachfrage in den Schwellenländern wie China, Indien und den südostasiatischen Ländern der Region. Es handelt sich dabei nicht nur um Elektronik-, sondern auch um Automobil- und anderen Komponenten. Angetrieben durch den technologischen Fortschritt in diesen Industrien und die zunehmende Akzeptanz von High-End-Produkten durch die wachsende Verbraucherbasis in den Ländern der Region wird die Akzeptanz von Smart Coatings in den nächsten drei bis vier Jahren voraussichtlich steigen.

Unterstützt durch die Verfügbarkeit von Finanzmitteln sowohl von öffentlichen als auch privaten Einrichtungen sind verschiedene Interessengruppen, darunter Hochschulen, Start-ups, Spin-offs usw., aktiv an den Kommerzialisierung beteiligt. Mit der zunehmenden Entwicklung von multifunktionalen Beschichtungen wird die Industrie für smarte Beschichtungen wahrscheinlich ein höheres Wachstum erzielen, da die Akzeptanz durch die Endnutzer zunimmt. Auch behördliche Genehmigungen und die Erstellung von Wirksamkeitsnachweisen für neue Technologien können die Akzeptanz und das Interesse steigern. Beispielsweise kann eine selbstheilende Beschichtung mit Korrosionsinhibitoren, die in Mikrogehäusen oder Kapseln eingearbeitet sind, Interesse in der Öl- und Gasindustrie, der Verteidigung, der Luft- und Raumfahrt oder der Schifffahrt finden, wo die Minderung von Korrosion, Verschmutzung und kurzer Lebensdauer der Substrate im Vordergrund steht.

Während die oben genannten Faktoren die Akzeptanz fördern können, können sich Bedenken über den Preis nachteilig auf die Akzeptanz in preisbewussten Branchen und sogar in bestimmten Ländern auswirken. Auch die wahrgenommene Komplexität bei der Verarbeitung (einschließlich Formulierung und Herstellung) von smarten Beschichtungen im Vergleich zu herkömmlichen Beschichtungen kann die Akzeptanz ebenfalls behindern.  Theoretisch gelten Nanomaterialien als vielversprechende Rohstoffe für die Entwicklung unzähliger Produkte. Während Regulierungsbehörden wie FDA (Food and Drug Administration) und ECHA (European Chemicals Agency Advise) die sichere Nutzung der Nanotechnologie unter entsprechender behördlicher Aufsicht befürworten, gibt es noch keine Vorschriften, die den Einsatz dieser Materialien in verschiedenen Produkten direkt betreffen. Daher wirft ihre Verwendung Bedenken und Fragen zu ihren Auswirkungen auf die Umwelt und Gesundheit auf. Dies kann zu einer Zurückhaltung der potenziellen Endkunden bei der Verwendung in ihren Formulierungen führen, insbesondere in den Bereichen Lebensmittel- und Getränke, Körperpflege und Gesundheit. 

Selbstheilende Beschichtungen

Da selbstheilende Beschichtungen die Fähigkeit besitzen, lokale Schäden, die durch externe Faktoren verursacht wurden, selbst zu reparieren, wird sie in vielen Industriezweigen wie der Öl- und Gasindustrie und der Automobilindustrie eingesetzt. Dort tragen sie zur Erhöhung der Lebensdauer der Komponenten bei. Zu den bemerkenswerten selbstheilenden Beschichtungen gehören Polymerschichten, kiesel-organische Schichten, Konversionsschichten, metallische Schichten und keramische Schichten. Eine wichtige Anforderung in der Öl- und Gasindustrie ist es, Korrosion an Rohren und anderen Strukturen zu verhindern, was durch diese Beschichtungen erreicht werden kann. Da Umweltbelastungen und Erosion nicht ohne weiteres verhindert werden können, bieten die Beschichtungen eine zusätzliche Schutzschicht und verlängerte Haltbarkeit für diese Anwendungen. Im Rahmen der Forderung, die Haltbarkeit mechanischer Strukturen zu erhöhen und eine höhere Rendite zu erzielen, suchen die Branchenakteure nach Technologien, die die Notwendigkeit einer vorbeugenden Wartung und ständigen Überwachung auf der Betreiberseite reduzieren. In Branchen, in denen das Produktionssystem automatisiert wird, kann der Bedarf an kontinuierlicher Überwachung durch das Aufbringen einer einzigen Schicht selbstheilender Lacke auf die meisten Metallstrukturen reduziert werden. Ein zusätzlicher Vorteil ist, dass diese Beschichtungen die andere Funktionalität der Substrate nicht beeinträchtigen.

Superhydrophobe und omniphobe Beschichtungen

Die Superhydrophobie und Omniphobie ermöglicht eine geringe Verschmutzung, Selbstreinigung und Anti-Benetzung der Substrate. Diese Funktionalität ist oft mit anderen Oberflächeneigenschaften wie Transparenz, Farbveränderung, Anisotropie, Reversibilität, Flexibilität, Elektrobenetzung und Atmungsaktivität usw. gekoppelt. Die Beschichtung und Oberflächenmodifikation wird durch eine Vielzahl von Techniken wie Phasentrennung, elektrochemische Abscheidung, Plasmaabscheidung, Kristallisationskontrolle, nasschemische Reaktionen, Sol-Gel-Verarbeitung und Eintauchen in Lösungen erreicht. Die meisten F&E-Anstrengungen konzentrieren sich auf die Sicherstellung einer nachhaltigen und dauerhaften Funktionalität, während die Beschichtungen auch auf eine bessere Funktionalität innerhalb der aktuellen Formulierungen abgestimmt werden. Korrosionsschutzbeschichtungen mit umweltverträglichen Komponenten wie polymere und organische Materialien sowie selbstheilende Korrosionsschutzschichten sind ein wichtiger Forschungsschwerpunkt, insbesondere für Strukturbauteile.

Korrosionsschutzbeschichtungen

Smarte Korrosionsschutzbeschichtungen können potenziell zahlreiche Funktionalitäten vermitteln, die sie von herkömmlichen Korrosionsschutzbeschichtungen unterscheiden. Sie können teilweise oder ganz die Bereiche Sensorik, Warnung, Hemmung und Reparatur umfassen. Reaktionsfähige Materialien, die solche Funktionalitäten ermöglichen, werden normalerweise bei neutralem pH-Wert in pH-empfindliche Schalen oder in mikroporöse Schalen eingekapselt, um die oben genannten Beschichtungen zu entwickeln.

Während zahlreiche smarte Beschichtungen entwickelt werden, ist die Produktdifferenzierung zum Schlüssel für die Beteiligten geworden, um Wettbewerbsvorteile zu erlangen. Kontinuierliche F&E-Bemühungen zur Verbesserung der Multifunktionalität, der Haltbarkeit und auch zur Vermittlung von Mehrwertmerkmalen stehen im Mittelpunkt. Verschiedene Unternehmen kooperieren auch mit anderen Technologieentwicklern, Hochschulen und Forschungsinstituten für die Technologie- und Produktentwicklung und in bestimmten Fällen sogar für die Vermarktung und Anwendungserweiterung. Mit der Etablierung einer nachhaltigen Innovationskultur ist zu erwarten, dass neue Beschichtungschemikalien entwickelt werden, die nicht nur die Anforderungen der Industrie und der Behörden, sondern auch die Wünsche der Endverbraucher erfüllen können.