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Selbstreinigendes Glas

(15.2.2004) Seit einigen Jahren sind beschichtete Oberflächen verfügbar, die der Verschmutzung entgegenwirken. Sie werden z.B. bei Dachziegeln, Fassadenfarben, Sanitärkeramik oder Badfliesen verwendet. Bei den Gläsern haben sich beschichtete Duschkabinen etabliert, an denen das Wasser abperlt, und seit kurzem sind selbstreinigende Gläser auf dem Markt, mit denen Fenster, Wintergärten und Fassaden ausgerüstet werden können. Der Weg in eine Zukunft ohne lästiges Putzen, mit mehr Freizeit ist geebnet.

Diese neue Art von Produkten, die einen geringeren Pflegeaufwand ermöglichen, werden durch eine gezielte Modifikation der Oberflächen erzeugt. Hydrophobe, hydrophile, photokatalytische Eigenschaften oder auch der Lotus-Effekt werden eingesetzt. Was verbirgt sich hinter diesen Begriffen, wie kann man die Effekte voneinander abgrenzen und für welche typischen Anwendungen eignen sich die entsprechenden Produkte?

Lotus-Effekt, hydrophobe, hydrophile und photokatalytische Oberflächen

Hydrophile, hydrophobe Produkte oder Oberflächen, die auf dem Lotus-Effekt beruhen, haben eines gemeinsam: Die Funktion beruht auf dem Benetzungsverhalten von Flüssigkeiten (Wasser) auf der veredelten Oberfläche:

  • bei hydrophoben Oberflächen wird das Wasser von der Oberfläche abgestoßen; es bilden sich kugelige Tröpfchen, die abrollen können und dabei Staubpartikel mitnehmen (hydrophob = Wasser abstoßend). Hydrophobe Oberflächen lassen sich entweder ,,,
    • durch Auftragen einer dünnen organischen Beschichtung (z.B. fluorierte Silane) oder
    • durch Erzeugung einer definierten Mikro-Rauigkeit herstellen.
       
  • bei hydrophilen Oberflächen tritt das Gegenteil ein, das Wasser spreitet sich zu einem gleichmäßigen Film, der von der Oberfläche abläuft und keine nennenswerten Trocknungsrückstände hinterlässt (hydrophil = Wasser anziehend).

Unter einer Oberfläche mit Lotus-Effekt versteht man eine wasserabstoßende (hydrophobe) Beschichtung, die eine Mikro-Struktur aufweist, die der Blattoberfläche der Lotus-Pflanze ähnelt. Im Mikroskop betrachtet, reihen sich Berge und Täler sehr regelmäßig aneinander. Durch diese Struktur wird das Spreiten von Wasser verhindert und es bilden sich kugelige Tröpfchen.

Die Kunst ist es, diese Struktur der Blattoberfläche auf technische Oberflächen, also Gläser, Metalle oder Keramiken, zu übertragen. Eine Möglichkeit ist, feine Partikel in eine organische Suspension oder ein Gel einzubringen, dies auf die Oberfläche aufzutragen und dann die organische Matrix während der Aushärtung schrumpfen zu lassen. Die Partikel stehen aus der Matrix, durch die sie gebunden werden, heraus und bilden die erforderliche Rauhigkeit. Organische Ablagerungen, z.B. auch Fingerabdrücke, können allerdings problematisch für derartige Schichten sein, da sich das Benetzungsverhalten ändert.

Duschkabinen aus Glas sind seit mehreren Jahren mit hydrophoben Oberflächen erfolgreich im Einsatz, die nicht auf dem Lotus-Effekt beruhen, also keine Beschichtung mit Mikro-Rauigkeit haben. Hier wird auf das Glas eine organische Flüssigkeit aufgetragen, z.B. gesprüht oder mit einem Tuch aufgerieben, die zu dem wasserabstoßenden Benetzungsverhalten führt. Diese hydrophoben Beschichtungen verringern die Kalkablagerungen in der Dusche, da das Wasser abperlt. Sehr kleine Tröpfchen (Sprühnebel) können dennoch stehen bleiben und zu Trocknungsrückständen führen, aber die Haftung eventueller Kalkflecken ist auf einer hydrophoben Schicht deutlich geringer als auf normalem Glas. Schmutzflecken lassen sich somit leichter entfernen.

Die Beständigkeit der hydrophoben Schichten ist im Innenbereich sehr gut, bei Außenanwendungen, z.B. in Fenstern oder Fassaden, werden die organischen Bestandteile durch die Witterungseinflüsse abgebaut und die Schicht verliert nach vergleichsweise kurzer Zeit ihre Funktion. Eine Auffrischung der Beschichtung, die einem Neuauftrag gleichkommt, wird erforderlich.

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Abb. 1: Benetzung bei hydrophoben, hydrophilen und photokatalytischen Oberflächen

Photokatalytische Oberflächen versprechen dagegen im Außenbereich die gewünschte Selbstreinigung, indem sie organische Beläge, beispielsweise Rußablagerungen oder Fingerabdrücke, mit Hilfe von Licht abwandeln und sich somit fortlaufend reinigen. Zudem ist der Effekt der Photokatalyse mit hydrophilen Eigenschaften verbunden, so dass sich ein Wasserfilm bildet, der unter der Schwerkraft abläuft und somit keine Trocknungsränder entstehen. Die Schicht wirkt als Katalysator für die Abbaureaktion und wird dabei nicht verbraucht.

Selbstreinigendes Glas - eine Begriffsbestimmung

Die genannten veredelten Oberflächen vermindern den Reinigungsaufwand und erleichtern den Reinigungsvorgang. Photokatalytische Oberflächen werden als "selbstreinigend" be-zeichnet. Was versteht man darunter?

Der Begriff "Selbstreinigung" stammt aus der Gewässerkunde. Das "Umweltlexikon" des Bayerischen Staatsministeriums für Umwelt, Gesundheit und Verbraucherschutz gibt folgende Definition: "Als Selbstreinigung des Gewässers wird der natürliche Abbau organischer Belastungen bezeichnet. (..) Gelangen organische Schadstoffe in ein Gewässer, werden sie dort mit Hilfe von pflanzlichen und tierischen Organismen sowie Sauerstoff abgebaut und unschädlich gemacht. Diesen Vorgang nennt man Selbstreinigung. Verfügt ein Gewässer über zu wenig Sauerstoff oder ist die Schadstoffmenge zu hoch, reicht die Selbstreinigungskraft zur Behe-bung des Schadens nicht mehr aus (Umkippen von Gewässern)."

Übertragen auf selbstreinigende Oberflächen bedeutet dies, dass die Umgebungsbedingungen einen Einfluss auf die Sauberkeit der Oberfläche nehmen. Selbstverständlich macht es einen Unterschied, ob ein selbstreinigendes Glas in den Hochalpen - mit vergleichsweise sauberer, staubarmer Luft - eingebaut wird oder ob der Einsatzort in einem Ballungsraum in Flughafennähe ist. Der Selbstreinigungsprozess bei Gläsern führt zu einer verringerten Verschmutzung der Scheiben. Das bedeutet längere Intervalle bis zur nächsten Reinigung und erheblich geringeren Reinigungsaufwand. Im privaten Bereich entfällt Arbeit, die meist als lästig eingestuft wird; im gewerblichen Bereich können Reinigungskosten gesenkt werden.

Der photokatalytische Effekt - Funktion und Wirkung

Auch photokatalytisches Glas hat sein Vorbild in der Natur: Im Pflanzenwachstum wandelt das Blattgrün Chlorophyll das in der Luft enthaltene Kohlendioxid in pflanzliches Material, also organische Substanz um. Die photokatalytische Schicht geht den umgekehrten Weg - sie baut auf dem Glas liegende organische Verschmutzungen ab. Der Abbauprozess läuft ununterbrochen, solange Tageslicht vorhanden ist, und die Schicht ist ebenso lang haltbar wie das Glasprodukt selbst. Die Beschichtung besteht aus Titandioxid.

Das Funktionsprinzip des photokatalytischen Glases ist in Abb. 2 dargestellt. Regenwasser bildet einen gleichmäßigen Wasserfilm, der unter dem Einfluss der Schwerkraft abläuft. Dadurch trocknet die Verglasung schnell und rückstandsfrei, ohne die von normalen Fenstern nur zu gut bekannten Tropfnasen. Die Kombination beider Effekte - Abbau von Schmutz und Vermeiden der typischen Trocknungsrückstände - führt zu einem spürbar verringerten Reinigungsaufwand. Abb. 3 zeigt die Wirkung des selbstreinigenden Glases.


Abb.2: Durch die UV-Strahlen des Tageslichts werden organische Verschmutzungen zersetzt und die Oberfläche hydrophil gemacht (links). Regen verteilt sich auf der Oberfläche und besei-tigt die zersetzten Rückstände und mineralischen Staub (rechts).

Photokatalytisches Glas benötigt sowohl UV-Strahlung aus dem Tageslicht als auch Regen, um die vollständige selbstreinigende Wirkung zu erzielen. UV-Strahlung ist in Innenräumen zu wenig vorhanden, um die photokatalytischen Schichten auf Flachglas zu aktivieren - für Verglasungen im Innenbereich (Trennwände, Duschengläser, Möbel) sind diese Produkte daher heute nicht geeignet. Im Außenbereich ist jedoch in jeder Einbausituation genügend UV-Anteil für die Photokatalyse im Tageslicht. Die Funktion ist sowohl in Süd- als auch Nordausrichtung gegeben und auch Schatten hat keinen negativen Einfluss.


Abb. 3: Wirkung von photokatalytischem Glas (SGG BIOCLEAN von SAINT-GOBAIN) in Vergleich zu normalem Floatglas.

Falls Dachüberstände den Schlagregen fernhalten, ist eine Staubablagerung möglich, ebenso in trockenen, regenarmen Sommermonaten. Abhilfe schafft der nächste Regenschauer oder eine Zwischenreinigung - die allerdings erheblich unkomplizierter verläuft als eine normale Glasreinigung, da wenig organischer Belag vorhanden ist. Abspülen mit Wasser reicht in den meisten Fällen, Nachtrocknen ist nicht erforderlich.

Die Wechselwirkung von Dichtstoffen mit selbstreinigendem Glas

Hydrophile Oberflächen sind naturgemäß nicht verträglich mit Silikonen. Silikone und vergleichbare Stoffe, wie z.B. die bei den Duschenbeschichtungen erwähnten Silane, hydrophobieren die Oberflächen. Falls Silikon auf eine hydrophile Oberfläche kommt, kann sich das Wasser nicht mehr zu einem Film spreiten.

Bei photokatalytischen Gläsern für Fenster oder Fassaden werden als Abdichtung zwischen Verglasung und Rahmen oftmals Silikondichtmassen verwendet (Abb. 4). Silikondichtmassen enthalten ölartige Bestandteile, die auch nach dem Aushärten aus der Fuge auf die Glasoberfläche kriechen. Werden photokatalytische Gläser derart verglast, wird der Randbereich der Scheibe hydrophobiert und die Funktion somit gestört. Bei hochreflektierenden, silbrig glänzenden Schichten auf der Außenseite führt der Silikonölbelag am Scheibenrand zu einer höheren Schmutzaufnahme und somit zu einem ungleichmäßigen Aussehen der Scheibe. Die Qualität des Silikons, insbesondere der Ölgehalt, bestimmt die Breite des hydrophobier-ten Randes. Auch hochwertige, ölarme Silikonvarianten sind bislang nicht zur Abdichtung bei photokatalytischem Glas geeignet.


Abb. 4: Bei photokatalytischen Gläsern ist auf den Einsatz von verträglichen, silikonfreien Dichtstoffen zu achten.

Die Lösung dieses Problems sind silikonfreie Dichtmassen, z.B. auf der Basis von MS-Polymeren. MS-Polymere sind silikonfreie Kunststoffe und können somit eine hydrophile Funktion der gesamten Glasoberfläche bis zur abgedichteten Fuge sicherstellen. Alternativ sind photokatalytische Gläser problemlos mit gängigen silikonfreien Trockenverglasungssystemen (Dichtprofile) in PVC- oder Alu-Fenster- und Fassadenprofilen montierbar.

Anwendungsmöglichkeiten und Beispiele

Selbstreinigendes Glas, das mit einer photokatalytischen Titandioxid-Schicht versehen ist, kann in allen Außenanwendungen eingesetzt werden, die mit silikonfreien Dichtstoffen realisiert werden können. Dies sind z.B. Kunststoff- oder Holzfenster in Einfamilienhäusern und Wintergärten, Balustraden aus Glas, Glasdächer und auch Fassadenanwendungen, soweit sie als Pfosten-Riegel-Konstruktion ausgeführt sind. Photokatalytisches Glas ist mit allen gängigen Funktionen kombinierbar, d.h. es kann als thermisch vorgespanntes Sicherheitsglas (ESG) oder Verbundsicherheitsglas (VSG) ausgeführt werden. Als Isolierglas kann es mit Wärme-, Sonnen- und Schallschutz verbunden werden.

Ideal sind Anwendungen, bei denen Schlagregen direkt auf die Scheibe gelangt, denn dann kann Staub regelmäßig abgespült werden. Aber auch auf der witterungsabgewandten Seite von Gebäuden oder unter Dachüberständen bringt das Glas Vorteile. Die organischen Beläge, z.B. Ruße aus Verbrennungsanlagen, werden kontinuierlich abgebaut und die Verschmutzung besteht überwiegend aus Staub oder Pollen. Eine Scheibenreinigung geht da-her leichter vonstatten und das Nachtrocknen entfällt wegen des hydrophilen Effekts.

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