DE10117945A1

DE10117945A1 - Biozidfreie Antifouling-Beschichtung

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Publication number: DE10117945A1
Application number: DE10117945A
Authority: DE
Inventors: Christof Baum; Wilfried Meyer; Lutz-Guenther Fleischer; Dietrich Siebers
Original assignee: Alfred Wegener Insitut fuer Polar und Meeresforschung
Current assignee: Alfred Wegener Insitut fuer Polar und Meeresforschung
Priority date: 2001-04-10
Filing date: 2001-04-10
Publication date: 2002-10-24
Also published as: EP1249476A3; ATE363519T1; DE50210220D1; EP1249476A2; EP1249476B1

Abstract

Antifouling-Beschichtungen sollen den schädlichen Bewuchs an Unterwasserflächen verhindern. Eine umweltverträgliche Beschichtung basiert auf einem natürlichen Gelbildner in biomimetischer Analogie zur Delphinhaut. Hier können jedoch Fixationsprobleme auf der reinzuhaltenden, umströmten Unterwasserfläche entstehen. In dreiphasigen Festkörper-Luft-Wasser-Systemen werden selbstreinigende Oberflächen unter Ausnutzung des "Lotus-Effekts" ausgeführt, der auf einer mikrostrukturierten Oberfläche in Verbindung mit deren hydrophoben Eigenschaften basiert. Im zweiphasigen Festkörper-Wasser-System sind jedoch grundsätzlich andere Verhältnisse zu berücksichtigen. Die erfindungsgemäße Antifouling-Beschichtung (AF) für Unterwasserflächen (SMA) ist deshalb biomimetisch als duales Kompositsystem (CS) aufgebaut mit einer sich selbstreinigenden, hydrodynamisch sehr glatten, nanostrukturierten Oberfläche in Form einer porenbildenden Komponente (PFO) mit definierter Porengröße, die sich nach der Partikelgröße von klebrigen Schmutzpartikeln (FP) richtet, und einer porenfüllenden Komponente (PFI), die gelbildende oder hydrophobe, den Klebeigenschaften der adhäsiven Biopolymere (BP) angepasste Eigenschaften aufweist. Die Geometrie der beiden Komponenten (PFO, PFI) kann an die Umströmungsverhältnisse angepasst werden. Unterwasserflächen jeder Größe und Art können mit der erfindungsgemäßen Antifouling-Beschichtung wirksam und umweltverträglich dauerhaft gechützt werden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine biozidfreie Antifouling-Beschichtung mit umweltneutralen Selbstreinigungs- und hydrodynamischen Oberflächeneigen schaften für umströmte Unterwasserflächen zur Vermeidung von Ablagerungen organischer Foulingstoffe mit einer Reinigungskomponente und einer zugehörigen Fixationskomponente, deren Parameterwerte in Abhängigkeit von den auftretenden Foulingstoffen und Umströmungsverhältnissen vorgegeben sind.

In aquatischen Lebensräumen kommt es darauf an, Oberflächen vor klebrigen Biopolymeren zu schützen, die einen Biofoulingprozess einleiten. Unter Biofouling versteht man die Ablagerung lebender Organismen auf Material oberflächen in wässriger Umgebung, die deren physikalische Oberflächen eigenschaften negativ beeinflussen. Im maritimen Bereich unterscheidet man drei Arten von Bewuchs: Tiere, beispielsweise Muscheln und Seepocken; Algen, beispielsweise Grün- und Braunalgen, und Mikroorganismen, die sich durch ihren bevorzugten Lebensraum charakterisieren. Jeder Foulingprozess im Wasser startet mit der Anheftung von organischen Molekülen an einer Oberfläche. Die Verfestigung ermöglicht die weitere Ansiedlung von Bakterien, Diatomeen, Muscheln und Krebsen etc.. In mariner Umgebung erfährt jede Oberfläche Biofouling, welches somit eines der bedeutendsten Probleme in der Marmetechnologie darstellt. Spezielle Oberflächenbeschichtungen, sogenannte "Antifouling-Beschichtungen", sollen den Bewuchs an Schiffsrümpfen, See wasserkonstruktionen, wie Ölplattformen, Hafenanlagen und Rohren, sowie an anderen künstlichen Unterwasserstrukturen verhindern. Bekannte Antifouling- Beschichtungen beruhen sowohl auf Formen der mechanischen Reinigung als auch auf dem Entlassen von toxischen Bioziden aus Matrix-Beschichtungen, im allgemeinen Kunststoff, oder auf Kombinationen von beidem. Bei der mechanischen Reinigung werden Antifouling-Beschichtungen mit geringen Oberflächenspannungen eingesetzt, die durch die Verwendung von beispiels weise Teflon oder Silikon in der Beschichtung erreiccht werden. Die stark "rutschigen" Oberflächen verhindern die Anheftung von Foulingstoffen. Außerdem unterscheidet man zwischen unlöslichen und löslichen Beschich tungen. Die unlöslichen Antifouling-Beschichtungen werden auch als "Kontakt typ" bezeichnet und weisen eine hohe Abriebfestigkeit auf. Lösliche Antifouling-Beschichtungen sind selbsterodierend und werden von strömen dem Wasser langsam abgetragen, so dass sich ihre Schichtstärke verringert. Je nach Kunststoffbasis werden die Biozide ausgespült ("depletion type"), an der erodierten Oberfläche präsentiert ("hydration type") oder im Wasser gespalten ("hydrolyse type").

Bekannte Antifouling-Beschichtungen verhindern durch ihre Biozide, die wie Schädlingsbekämpfungsmittel wirken, die Besiedlungsphase des Fouling prozesses. Bei den Bioziden unterscheidet man die metallorganischen Biozide, wie beispielsweise die Breitbandgifte Arsen, Kupfer und Tributylzinn, und die natürlichen Biozide, mit denen viele marine Organismen ihre Oberfläche gegen Biofouling schützen. Da schon geringe Konzentrationen der Breitspektrum- Gifte langfristige Umweltschäden verursachen, ist den natürlichen Bioziden der Vorzug zu geben. Viele marine Organismen produzieren natürliche Biozide, die als biogene Wirkstoffe antibakteriell, antialgalen, antifungisch und makro foulingverhindernd wirken können. Jedoch wächst aufgrund der strengeren Gesetzesregelung im Rahmen der sogenannten "Biozidrichtlinie" der Bedarf an nicht-toxischen Bewuchsschutzmethoden.

Aus der DE-OS 198 36 076 ist eine biozidfreie Antifouling-Beschichtung bekannt, von der die Erfindung als nächstliegendem Stand der Technik ausgeht. Hierbei handelt es sich um eine biomimetische, das heißt auf der Nachahmung natürlicher Vorbilder beruhende Oberflächenbeschichtung mit zwei hauptsächlichen Komponenten, die umweltneutrale Selbstreinigungs eigenschaften aufweisen und für eine hydrodynamische Oberfläche mit geringem Reibungswiderstand sorgen. Der Antifouling-Effekt beruht dabei auf der Bildung eines oberflächlichen Gels. Ein Gelbildner als Reinigungs komponente wird anstelle von umweltschädlichen Bioziden ohne Verwendung von artfremden Trägersubstanzen eingesetzt. Die Bereitstellung des Gelbildners wird dabei von einer abbaubaren Gelmatrix ("self-polishing-Matrix") als Fixationskomponente übernommen, die mit dem Gelbildner in einer Suspension homogen vermischt ist. Beide Komponenten werden in einem gemeinsamen Arbeitsgang auf die zu schützende Unterwasserfläche aufge bracht, dabei ist die flächige Anhaftung der turbulenten Umströmung ausgesetzt. Die Wirkung der Reinigungskomponente, die durch die Abbau barkeit der Fixationskomponente ständig auf der Unterwasserfläche zur Verfügung gestellt wird, entfaltet sich vor allem bei Kontakt mit den Schleimstoffen des Wassers oder des Bewuchses. Die Foulingstoffe des Wassers und der Foulingorganismen bilden dann ein Gel auf der Antifouling- Beschichtung, das jedoch bei turbulenter Umströmung nicht standfest ist. Durch das Abwaschen kommt es zu einem Stoffverlust von beiden Komponenten, durch den die Beschichtung langsam aufgebraucht wird, sodass eine periodische Erneuerung erforderlich ist. Der Stoffverlust ist dabei umso größer, je stärker die auftretenden Wasserströmungen sind.

Alle vorstehenden Ausführungen betreffen den Foulingprozess in zweipha sigen Systemen "Festkörper-Wasser". Aber auch in dreiphasigen Systemen "Festkörper-Luft-Wasser", also bei der Luft ausgesetzten Oberflächen mit entsprechenden Oberflächenspannungen, treten Verunreinigungsprobleme bis hin zu einer möglichen Algenbildung auf. Hier jedoch liegen völlig andere Bedingungen für eine Selbstreinigung vor. Die erfolgreiche Selbstreinigung solcher Oberflächen aufgrund einer topologischen Oberflächenmodifizierung hat in der letzten Zeit durch die Ausdeutung des "Lotus-Effekts" (nach Barthlott und Neinhuis: "Purity of the sacred lotus, or escape from contamination in biological surfaces", Planta (1997) 202: 1-8) eine Reihe technischer Entwicklungen in Gang gesetzt. Dabei haben sich hydrophobe, mikroraue Strukturen in µm-Bereich, wie sie bei an Luft lebenden Pflanzen und Insekten zu finden sind, als ausreichend rau erwiesen, um Selbstreinigung an der Dreiphasengrenze zu erzeugen.

Aus der WO 9604123 sind künstlich mikrostrukturierte Oberflächen mit Erhebungen zwischen 5 µm und 100 µm und Abständen zwischen 5 µm und 200 µm bekannt, bei denen die Erhebungen aus hydrophoben Materialien bestehen oder mit solchen beschichtet sind. Dabei können die Mikrostruktu rierung und die Hydrophobierung in unterschiedlichen Arbeitsgängen erfolgen. Durch die Mikrostrukturierung wird eine Oberfläche mit vereinzelten Kontaktpunkten erzeugt, die vom Wasser nur schwer benetzbar ist. Auftreffendes Wasser formiert sich daher zu Tropfen, die von einer geneigten Oberfläche leicht abrollen und dabei vorhandene Schmutzpartikel binden können. Die Hydrophobierung, die durch Ausbildung geringer Oberflächen energien gekennzeichnet ist, unterstützt die Tropfenbildung noch. Hergestellt werden können derartige mikrostrukturierte Oberflächen entweder mittels hydrophober Materialien, die selbst beim Auftragen die Strukturierung erzeugen oder nachträglich bearbeitet werden, oder durch Strukturieren einer Oberfläche mit einer anschließenden Beschichtung mit einem hydrophoben Material. Dabei können die Erhebungen dauerhaft oder auch ablösbar sein, wie es bei dem Verfahren gemäß der WO 00/58410 zur Herstellung von selbstreinigenden Oberflächen mit Erhebungen zwischen 0,1 µm und 100 µm und Abständen zwischen 0,1 µm bis 200 µm der Fall ist (Autowachse). Aus der WO 00/58415 ist zudem eine hydrophobe Vorrichtung mit demselben Maßbereich für die Strukturierung bekannt, die dem verlustfreien Transport oder Entleerung von hydrophilen, insbesondere auch wässrigen Flüssigkeiten dient. Auch hier tritt der Zustand einer dauerhaften Benetzung mit entsprechenden Verschmutzungserscheinungen nicht auf. Weiterhin sind aus der DE-OS 198 03 787 mikrostrukturierte Oberflächen mit Erhebungen zwischen 50 nm und 10 µm bekannt, die Abstände im selben Maßbereich zueinander und Oberflächenenergien von 10 mN/m bis 20 mN/m aufweisen.

Ziel der genannten Anordnungen und Verfahren ist es, möglichst "glatte" Oberflächen im Sinne einer erschwerten Schmutzanheftung zu erzielen. Wohingegen eine Berücksichtigung der Strömungsverhältnisse im Wasser, aufgrund derer für Unterwasserflächen eine hydrodynamische Glätte möglichst hoher Effizienz und damit ein möglichst geringer Reibungswiderstand erreicht werden muss, wegen der grundsätzlich anderen Bedingungen im Dreiphasen system außer Betracht bleibt. Eine dauerhafte Wasserbenetzung ist hier nicht vorgesehen und würde auch nicht den gewünschten Effekt des reinigenden Abperlens von Wassertropfen ergeben.

Demgegenüber liegt der Erfindung für den Foulingschutz bei umströmten Unterwasserflächen die Aufgabe zugrunde, ausgehend von einer biozidfreien Antifouling-Bechichtung der eingangs genannten Art eine gegenüber dem oben beschriebenen nächstliegenden Stand der Technik verbesserte Anti fouling-Beschichtung anzugeben, die eine hohe hydrodynamische Effizienz und eine gute homogene und dauerhafte Flächenhaftung auf der zu reini genden Unterwasserfläche auch bei stärkeren Umströmungen aufweist. Dabei soll die Beschichtung einfach an die jeweils herrschenden Umgebungsbedin gungen anpassbar, mit bekannten Verfahren verarbeitbar und preisgünstig in ihren Komponenten sein.

Als Lösung für diese Aufgabe ist bei der erfindungsgemäßen Antifouling- Beschichtung deshalb vorgesehen, dass diese als duales Kompositsystem aufgebaut ist, bei dem die Fixationskomponente eine gute Anbindungsfähigkeit an die Unterwasserfläche aufweist und als porenformende Komponente in Form eines nanoskaligen, unregelmäßigen Reliefs sich überlappender Poren mit den Parametern Porengröße, -tiefe und -dichte und die Reinigungs komponente als porenfüllende Komponente in Form eines flächigen Reini gungsfilms ausgebildet ist, wobei dieser unregelmäßig von einzelnen Poren stegen punktförmig durchstoßen wird.

Das erfindungsgemäße duale Aufbauprinzip der kompositen Form aus einer nanoskaligen porigen Oberfläche als Fixationskomponente und einem poren füllenden Material als Reinigungskomponente führt zu einer hydrodynamisch sehr glatten Oberfläche und zu einer wesentlichen Verbesserung der Haft fähigkeit der Reinigungskomponente an der reinzuhaltenden Unterwasser fläche. Dabei ist nicht zu verkennen, dass auch die Fixationskomponente einen Reinigungsbeitrag leistet, da auf dem von ihr gebildeten Porenrelief nur unregelmäßig verteilte Haftpunkte für Schmutzpartikel auf der wasserum spülten Oberfläche entstehen. Der Grund für den zusätzlichen Reinigungs effekt ist darin zu sehen, dass an den undulierenden Kontaktlinien nur instabile Kontaktwinkel auftreten können, durch die instabiles Fließen erzeugt werden kann. Partikulären, klebrigen Biopolymeren wird dadurch die Bindung an das anheftungsstellenarme Oberflächenrelief erschwert. Kleineren gelösten, adhäsiven Makromolekülen bleibt hingegen durch die Reinigungskomponente in Form des porenausfüllenden Reinigungsfilms der Zutritt in die Poren verwehrt, sodass hier ebenfalls keine Anlagerung stattfinden kann.

Auch die Reinigungskomponente erfüllt eine zusätzliche Funktion. Durch das randvolle Ausfüllen der Poren wird das nanoskalige Relief in seiner Wirktiefe noch weiter verringert, sodass gleichsam nur noch die festen Begrenzungs linien der Poren eine flache, punktförmige Strukturierung mit einer gegen Null gehenden Tiefe bilden. Dadurch wird eine sehr gute, hydrodynamisch glatte Oberfläche geschaffen, über der sich eine stabile laminare Strömung ausbilden kann. Durch diese wird der Reibungswiderstand der Unterwasserfläche entscheidend verringert. Dabei sind die Geometrien der porenformenden und der porenfüllenden Komponenten an die auftretenden Foulingstoffe und an die Geschwindigkeit der Umströmung angepasst. Foulingstoffpartikel, die die laminare Strömungsschicht beim Anheftungsversuch überragen, werden von der darüber liegenden turbulenten Strömung erfasst und abgeschert, sodass auch für größere Partikel keine Anheftung stattfinden kann.

Zusammenfassend gesehen wird von der erfindungsgemäßen Beschichtung wirkungsvoll das gesamte auftretende Spektrum verschiedener Fouling stoffarten und -größen erfasst, die beschichtete Oberfläche zeigt optimale, umweltneutrale Selbstreinigungseigenschaften. Die Reinigungsphase liegt bereits in der Anfangsphase auftretenden Biofoulings. Dabei trägt die erfindungsgemäße Antifouling-Beschichtung dem Umstand Rechnung, dass in einem zweiphasigen System andere Bedingungen vorliegen als für die Selbstreinigung in dreiphasigen Systemen. In aquatischen Lebensräumen kommt es vor allem darauf an, Oberflächen vor den klebrigen Biopolymeren zu schützen, die den Biofoulingprozess einleiten und die physikalischen Oberflächeneigenschaften negativ beeinflussen. Die bionische Ausdeutung der durch eine lange Evolution im Meer optimierten biologischen Vorlage in Form der Delphinhaut mit einem nanoskaligen Porenrelief und einem porenfüllenden und flächenüberziehenden Reinigungsfilm ermöglicht erstmals die Übertragung des "Lotus-Effektes" auf Unterwasserflächen. Aus dieser Erkenntnis heraus konnten die Bedingungen für die erfindungsgemäße Antifouling-Beschichtung als duales Kompositsystem entwickelt werden.

Die erfindungsgemäße Antifouling-Beschichtung in ihrer kompositen Form kann bei allen wasserbenetzten Oberflächen eingesetzt werden. Hierbei kann es sich beispielsweise um Unterwasserkonstruktionen, Schiffsrümpfe, Sensoren und Verrohrungen handeln. Dabei wird die Beschichtung in zwei voneinander getrennten Arbeitsschritten, zunächst die Fixierungskomponente, dann die Reinigungskomponente, aufgebracht. Die Verarbeitungsweisen erfolgen mit bekannten Verfahren. Weiterhin kann die Beschichtung durch eine geeignete Wahl der Materialien und der Werteausprägungen ihrer charakte ristischen Eigenschaften, beispielsweise Porengröße und -dichte, auf die Größe der zu erwartenden klebrigen Foulingpartikel und die zu erwartende Umströmung der Unterwasserfläche optimal angepasst werden. Dabei kann nach einer Fortführung der erfindungsgemäßen Antifouling-Beschichtung die Porengröße in der porenformenden Komponente zwischen 0,1 µm² und 0,45 µm² liegen, wobei insbesondere ein sehr hoher Anteil der Poren eine Porengröße von 0,2 µm² aufweist. Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn die Porendichte einen relativen Oberflächenanteil der Poren zwischen 20% und 90% ausmacht und die Porenstege den flächigen Reinigungsfilm mit einer Höhe im Bereich von 10 nm bis 20 nm durchstoßen. Diese Werte entsprechen in etwa den Verhältnissen bei aquatischer Naturhaut und decken somit ein großes Spektrum bekämpfbarer Foulingstoffe ab. Es handelt sich aber hierbei lediglich um Richtwerte für die Parameter, die im Einzelfall entsprechend anzupassen sind.

Für die dauerhafte Wirksamkeit der erfindungsgemäßen Antifouling-Beschich tung ist deren Haftfähigkeit an der zu schützenden Unterwasserfläche von ausschlaggebender Bedeutung. Gemäß einer nächsten Weiterbildung der Beschichtung nach der Erfindung kann deshalb die porenformende Kompo nente hydrophil sein, wobei insbesondere der Grad der Hydrophilie an die Eigenschaften der Unterwasserfläche angepasst ist. Aufgrund der von der porenformenden Komponente ausgebildeten Porenstruktur mit nur unregel mäßig verteilten Haftpunkten senken auch hierfür eingesetzte hydrophile Materialien die Oberflächenspannung genügend herab. Von Vorteil bei der Verwendung von hydrophilen porenformenden Materialien ist demgegenüber eine zumeist entscheidend erleichterte Untergrundhaftung. Weiterhin kann die porenformende Komponente einen selbstabschleifenden Binder aufweisen, wobei dieser insbesondere aus einem Harz ohne toxische lösliche Antifouling- Substanzen bestehen kann. Durch diese Maßnahme (vgl. EP-OS 101 66 81) wird eine zusätzliche Reinigung der Beschichtungsoberfläche durch eine makroskopische Verjüngung ermöglicht. In biomimetischer Analogie stellt dieser Vorgang den Prozess der Hautabschuppung dar. Bei einem Abtrag der porenformenden Komponente ist jedoch eine periodische Erneuerung der Beschichtung erforderlich.

Diese kann weitgehend umgangen werden, wenn gemäß einer nächsten Erfindungsfortführung die porenformende Komponente aus demselben Mate rial wie die reinzuhaltende Unterwasserfläche besteht. Insbesondere bietet sich dabei vorteilhaft an, dass die Poren in der porenformenden Komponente durch Materialumformung oder -abtrag geformt sind. Neben der Möglichkeit, dass ein zusätzlicher Auftrag identischen Materials erfolgt, besteht bei der Erfindung auch die Möglichkeit, die Unterwasserfläche direkt als porenformende Komponente zu verwenden. Dies erscheint insbesondere sinnvoll bei kleineren Unterwasserflächen, beispielsweise bei relativ kleinen Sensoroberflächen. Dadurch ist eine maximale Haftungssicherheit gegeben, außerdem entfällt das getrennte Aufbringen der Fixationskomponente, ein Arbeitsgang zur Porenbil dung kommt jedoch hinzu. Die Poren können dann in die Materialoberfläche beispielsweise durch Ätzung, Abguss oder Besputterung eingebracht werden. Gemäß einer anderen Fortführung nach der Erfindung kann auch vorteilhaft vorgesehen sein, dass die porenformende Komponente in Form von nanofeinen Kunststofffasern durch Elektro-Coating auf die Unterwasserfläche aufgelagert wird. Hierbei handelt es sich um ein einfaches, gut beherrschtes Verfahren mit hervorragenden Haftungseigenschaften der Kunststofffasern auf dem Untergrund, mit dem ein unregelmäßiges nanoskalierten Porenrelief einfach und umweltschonend herstellbar ist.

Zu den Aufgaben der porenfüllenden Reinigungskomponente gehört neben der Ausbildung einer glatten Oberfläche hoher dynamischer Effizienz die Abwehr der klebrigen Foulingstoffe. Hierfür können verschiedene Prinzipien zum Einsatz kommen. Zum einen kann gemäß einer anderen Weiterbildung nach der Erfindung vorgesehen sein, dass die porenfüllende Komponente als löslicher Gelbildner ausgebildet ist. Hierbei wird bei einer Anlagerung von Foulingstoffen ein sekundäres labiles Gel gebildet, das von der Wasserströmung abgeschert wird (vgl. DE-OS 198 36 076). Da ein löslicher Gelbildner, der wiederum in einer Gelmatrix zu seiner Bereitstellung eingebettet sein kann, mit der Zeit aufgebraucht wird, ist hier eine periodische Erneuerung des Auftrags erforderlich. Zum anderen kann gemäß einer weiteren Erfindungsausgestaltung vorgesehen sein, dass die porenfüllende Komponente hydrophobe Eigenschaften aufweist, wobei insbesondere der Grad der Hydrophobie an den zu erwartenden Ablagerungsgrad durch die Foulingstoffe angepasst ist. Durch den wasserabstoßenden Charakter des porenfüllenden Materials werden adhäsive Biopolymere abgestoßen. Dabei richtet sich der Grad der Hydrophobie nach deren Klebeigenschaften und auch nach anderen Randbedingungen, wie beispielsweise der Chemikalien beständigkeit. Ziel ist in dieser Ausführung das Erreichen eines möglichst großen hydrophoben Gefälles zwischen der Reinigungskomponente und der Fixationskomponente.

Gemäß weiterer Ausbildungsformen der Antifouling-Beschichtung nach der Erfindung kann die porenfüllende Komponente als Polymerlösung oder als Partikel-Suspension oder -Emulsion, hier insbesondere auf der Basis von Silika, dessen Hydrophilie und Hydrophobie durch einen Gehalt an Aluminium variiert werden kann, ausgebildet sein. Die porenfüllende Komponente als Partikel-Suspension oder Emulsion kann beispielsweise auf der Basis von Silikon (wie die Aminofluids der GE Bayer Silicones), Silikon Nanopartikeln (US 5695617), kolloidem Silica (wie Ludox® der Fa. GraceDavision), Mineralien (Titandioxid) oder Fluorkohlenwasserstoffe (Teflon®) aufgebaut sein. Beson ders sinnvoll erscheint die Entwicklung der porenfüllenden Komponente auf Basis von Silika, dessen Hydrophilie und Hydrophobie durch den Gehalt an Aluminium variiert werden kann (Zeolithe®). Oberflächenmodifizierungen der Silikapartikel (z. B. durch Verknüpfung mit Silanen, Enzymen, Wachsen) sind möglich. Im Meerwasserbereich ist Silika - gesteinsbildend - schon durch Kieselalgen vorhanden. Dadurch stellt der Eintrag von Silika eine umwelt neutrale anthropogene Maßnahme dar.

In der Figur ist die erfindungsgemäße Antifouling-Beschichtung in einem sche matischen Querschnitt zur weiteren Veranschaulichung der Erfindung darge stellt.

Eine von Foulingstoffen mit größeren Partikeln FP und klebrigen Biopolymeren BP freizuhaltende Unterwasserfläche SMA wird von Wasser turbulent umströmt. Auf ihrer Oberseite ist die Unterwasserfläche SMA mit einer Antifouling- Beschichtung AF in Form eines dualen Kompositsystems CS mit einer Fixationskomponente FC und einer Reinigungskomponente PC beschichtet. Die Fixationskomponente FC ist als porenformende Komponente PFO und die Reinigungskornponente PC als porenfüllende Komponente PFI ausgebildet. Von der porenformenden Komponente PFO wird ein nanoskaliges Relief NR aus sich überlappenden Poren PO mit Porentiefen von beispielsweise 500 nm oder auch mehr gebildet. Das nanoskalige Relief NR weist im gewählten Ausführungsbeispiel insbesondere eine mittlere Porengröße von 0,2 µm² und eine mittlere Porendichte von 70% der zu schützenden Oberseite der Unterwasserfläche SMA auf.

Die porenfüllende Komponente PFI bildet über dem nanoskaligen Porenrelief NR einen Reinigungsfilm PL, der alle Poren P0 bis zur Oberkante auffüllt und damit eine hydrodynamisch glatte Oberfläche erzeugt. Durch den dadurch herrschenden niedrigen Reibungswiderstand bildet sich eine laminare Strömung LS oberhalb der umströmten Unterwasserfläche SMA aus, die beispielsweise bei bewegten Schiffsrümpfen von besonderem Vorteil ist. Von der porenformenden Komponente PFO ist an der Oberfläche des Reinigungsfilms PL nur ein unregelmäßiges Muster aus einzelnen Stegpunkten PP von Porenstegen PW mit einer Höhe zwischen ungefähr 10 nm und 20 nm sichtbar. Damit ergibt sich für angreifende größere Partikel FP ein nano skaliges Relief NR mit Steghöhen von nur einigen nm und nur geringen Anheftungsmöglichkeiten (im Gegensatz dazu liegt beim Lotuseffekt in Dreiphasensystemen ein "Mikrorelief" vor). Wenn die größeren Partikel FP dazu noch bis in die turbulente Strömung TS hineinreichen, die sich oberhalb der laminaren Strömung LS ausbildet, werden sie ohne Weiteres von der turbulenten Strömung TS abgeschert. Die kleineren klebrigen Biopolymere BP hingegen können sich auch zwischen den Porenstegen PW in den Poren PO nicht ablagern, da die porenfüllende Komponente PFI im gewählten Ausführungsbeispiel hydrophobe Eigenschaften aufweist und damit die Biopolymermoleküle BP abstößt.

Durch die Konnbination aller genannten Maßnahmen kann mit der erfindungs gemäßen Antifouling-Beschichtung AF in dualem Kompositaufbau CS wirksam jeder Antifouling-Prozess auf umströmten Unterwasserflächen SMA jeder Art wirksam in besonders umweltverträglicher Weise verhindert werden.

Bezugszeichenliste

AF Antifouling-Beschichtung
PL Reinigungsfilm
BP klebriges Biopolymer
CS duales Kompositsystem
FC Fixationskomponente
FP Antifouling-Partikel
LS laminare Strömung
PP Stegpunkt
PO Pore
PW Porensteg
NR nanoskaliges Relief
PC Reinigungskomponente
PFI porenfüllende Komponente
PFO porenformende Komponente
SMA Unterwasserfläche
TS turbulente Strömung

Claims

1. Biozidfreie Antifouling-Beschichtung mit umweltneutralen Selbstreinigungs- und hydrodynamischen Oberflächeneigenschaften für umströmte Unterwasser flächen zur Vermeidung von Ablagerungen organischer Foulingstoffe mit einer Reinigungskornponente und einer zugehörigen Fixationskomponente, deren Parameterwerte in Abhängigkeit von den auftretenden Foulingstoffen und Umströmungsverhältnissen vorgegeben sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Antifouling-Beschichtung (AF) als duales Kompositsystem (CS) aufgebaut ist, bei dem die Fixationskomponente (FC) eine gute Anbindungsfähigkeit an die Unterwasserfläche (SMA) aufweist und als porenformende Komponente (PFO) in Form eines nanoskaligen, unregelmäßigen Reliefs (NR) sich über lappender Poren (PO) mit den Parametern Porengröße, -tiefe und -dichte und die Reinigungskomponente (PC) als porenfüllende Komponente (PFI) in Form eines flächigen Reinigungsfilms (PL) ausgebildet ist, wobei dieser unregel mäßig von einzelnen Porenstegen (PW) punktförmig durchstoßen wird.

2. Antifouling-Beschichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Porengröße in der porenformenden Komponente (PFO) zwischen 0,1 µm² und 0,45 µm² liegt, wobei insbesondere ein sehr hoher Anteil der Poren (PO) eine Porengröße von 0,2 µm² aufweist,

3. Antifouling-Beschichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Porendichte einen relativen Oberflächenanteil der Poren (PO) zwischen 20% und 90% ausmacht.

4. Antifouling-Beschichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Porenstege (PW) den flächigen Reinigungsfilm (PL) mit einer Höhe im Bereich von 10 nm bis 20 nm punktförmig durchstoßen.

5. Antifouling-Beschichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die porenformende Komponente (PFO) hydrophil ist, wobei insbesondere der Grad der Hydrophilie an die Eigenschaften der Unterwasserfläche (SMA) angepasst ist.

6. Antifouling-Beschichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die porenformende Komponente (PFO) einen selbstabschleifenden Binder aufweist.

7. Antifouling-Beschichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der selbstabschleifende Binder aus einem Harz ohne toxische lösliche Antifouling-Substanzen besteht.

8. Antifouling-Beschichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die porenformende Komponente (PFO) aus demselben Material wie die rein zuhaltende Unterwasserfläche (SMA) besteht.

9. Antifouling-Beschichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Poren (PO) in der porenformenden Komponente (PFO) durch Materialum formung oder -abtrag geformt sind.

10. Antifouling-Beschichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die porenformende Komponente (PFO) in Form von nanofeinen Kunststoff fasern durch Elektro-Coating auf die Unterwasserfläche (SMA) aufgelagert wird.

11. Antifouling-Beschichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die porenfüllende Komponente (PFI) als löslicher Gelbildner ausgebildet ist.

12. Antifouling-Beschichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die porenfüllende Komponente (PFI) hydrophobe Eigenschaften aufweist, wobei insbesondere der Grad der Hydrophobie an den zu erwartenden Ablagerungsgrad durch die Foulingstoffe (BP, FP) angepasst ist.

13. Antifouling-Beschichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die porenfüllende Komponente (PFI) als Polymerlösung ausgebildet ist.

14. Antifouling-Beschichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die porenfüllende Komponente (PFI) als Partikel-Suspension oder -Emulsion ausgebildet ist.

15. Antifouling-Beschichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel-Suspension oder -Emulsion auf der Basis von Silika, dessen Hydrophilie und Hydrophobie durch einen Gehalt an Aluminium variiert werden kann, ausgebildet ist.