Selbstreinigende Oberflächen V- Versuche mit der Anstrichfarbe Sto-Climasan Color der Firma "sto"

So jetzt kommen wir zu dem letzten Versuch der Reihe: Diesmal eine Farbe die man in Räumen benutzen soll. Hier geht es weniger um den Lotuseffekt ( in Innenräumen ist er nicht aufgrund des fehlenden Regens nicht möglich), sondern um Gerüche und Farbkleckse die ab und an mal auf die Wand kommen können. Allerdings kann die Farbe auch außen angewendet werden.
Hierfür nehme ich eine Tapete, die spezielle Sto-Cliamsan Farbe und normale Anstrichfarbe (Dispersionsfarbe). Ich male mit ihnen je eine Hälfte der Tapete an. Danach kommt ein verdünnter Tintenklecks und ein Geruch auf beide Seiten. Den Tapetenstreifen trockne ich dann ca. 15 Minuten. Währenddessen muss die Tapete belichtet sein.
Danach erkennt man dass, auf der normalen Dispersionsfarbe der Klecks und der Geruch noch vorhanden sind. Bei Climasan hingegen ist der Fleck so gut wie nicht mehr zu erkennen und der Geruch ist schon viel schwächer geworden. Somit hat der Versuch geklappt.
Die Erklärung hierfür liegt an einem Photokatalysator der in der Farbe ist und die Fähigkeit besitzt, bei Beleuchtung (egal ob Sonnenlicht oder Raumbeleuchtung) verschiedene organische Stoffe abzubauen. Hierfür ist vor allem Titandioxid verantwortlich, dass zwar nanoskalig in der Farbe vorhanden ist, jedoch eine sehr große Oberfläche hat. Chemische Reaktionen führen schließlich zu dem Abbau der Gerüche und Kleckse.

Informationen zu Climasan:

Climasan ist eine neue Entwicklung, die dafür wirbt nicht gesundheitsschädlich zu sein. Sie ist frei von Weichmachern und Lösungsmitteln, was auch vom TÜV bestätigt wurde. Außerdem versichert, dass keine beim Abbau der Stoffe keine Schadstoffe entstehen, da dieser Vorgang die Umkehrung der Photosynthese ist und somit nur Kohlenstoffdioxid und Wasser entstehen. Außerdem sollen auch Zigarettenrauch und -geruch abgebaut werden, was vor allem Raucher ansprechen soll. Jedoch kann die Farbe keine Schimmelpilze entfernen, lediglich ihren Geruch. Deswegen sollte man trotz Climasan immer Lüften.
Die Wirkung von Climasan soll immer konstant bleiben, d.h solange man die Farbe des Zimmers mag, muss man nicht nachstreichen. Außerdem ist die Farbe nicht nur in weiß sondern noch in 80 anderen Pastelltönen. Jedoch ist zu beachten, dass die Farbe nur im Licht aufgrund des Photokatalysators aktiv ist. Deswegen wird empfohlen die Farbe nur in Räumen, die sehr hell sind oder oft mit Licht benutzt werden zu verwenden. Stellen die nie beleuchtet werden, z.B. hinter Schränken braucht man erst gar nicht zu streichen. Allerdings sollte man schon dafür sorgen, dass wenn man ein Zimmer streicht, nicht nur einen Teil mit der Farbe streicht, sondern so viel wie möglich.
(Informationen von: http://www.sto.de/evo/web/sto/32012_DE-StoClimasan_Color-Fragen_zum_Produkt.htm)

Selbstreinigende Oberflächen IV- Versuche mit der Fassadenfarbe Lotusan der Firma "Sto"

Zuerst muss ich sagen, dass ich keine Werbung machen möchte, doch es gibt bis jetzt nur einen Anbieter, der diese Farben verkauft und deswegen habe ich den Namen genannt.

Für diesen Versuch braucht man wieder eine Oberfläche, wie Holz oder einen Stein. Diese wird mit der Farbe angestrichen und dann ein paar Tage bewittert und ins Sonnenlicht und UV-Licht gestellt.
Nach ein paar Tagen soll die gestrichene Oberfläche benetzt werden. Ich habe bei mir beobachtet, dass es keinen sichtbaren Unterschied zu einer normale Fassadenfarbe gab, denn die Oberfläche wurde relativ gut benetzt und Dreck, den ich zuvor daraufgegeben hatte, perlte nicht ab. Somit kann ich für mich sagen, dass der Versuch nicht geklappt hat. Aber bei den anderen meiner Klasse war es manchmal besser und deswegen denke ich, dass die Bewitterung eine große Rolle spielt.
Bei verschiedenen Erfahrungsberichten (unter: http://www.ciao.de/Erfahrungsberichte/Lotusan_Fassadenfarbe__932694) habe ich auch geteilte Meinungen gelesen. Manche Laute schwärmen von der Farbe und andere finden sie ganz schrecklich. Wie gesagt kann ich mir nicht erklären warum es so viele unterschiedliche Ergebnisse gibt, und deswegen sollte meiner Meinung nach, weiter an dieser Farbe gearbeitet werden.

Selbstreinigende Oberflächen III- Versuch 1.4 Behandlung von Holz oder Stein mit einer hydrophoben Beschichtung

Nachahmung vom Lotus-Effekt: Easy-to-clean-Effekt
So, nun kommen wir zu dem Punkt, an dem wir versuchen das ganze von der Natur nachzuahmen. Das nennt man auch Bionik. Dafür brauchen wir eine Oberfläche und eine Flüssigkeit, z.B. Nano-Tool 2. Diese darf aber nicht eingeatmet weden, da sie u.a. Ameisensäure enthält, die schädlich für die Lunge ist. Nano-Tool 2 wird auf die Oberfläche gesprüht und muss dann ca. 4-6 Stunden trocknen.
Danach kann man dann die beschichtete Oberfläche ganz einfach ausprobieren- einfach Wasser drauftropfen. Man kann eine deutliches Abperlen erkennen und es bildet sich ein kugelförmiger Tropfen mit einem Kontatwinkel, der >90° ist. Die hydrophobe Schicht hat Nanopartikel, die den Flüssigkeiten keinen Platz zum Benetzen lassen. Diese sind außerdem sehr abriebfest, sodass man das Problem, das in der NAtur noch vorherrschte, gelöst hat, denn diese Schicht ist auch für den Alltagsgebrauch geeignet. Somit hat man es mit dieser Schicht schon geschafft, etwas aus der Nanowelt zu übernehmen, dass unter normalen Umständen einsatzfahig ist. Wie das dann aussehen soll, seht ihr hier:

Selbstreinigende Oberflächen III- Versuch 1.3 Lotus Effekt - Selbstreinigung von Blättern: hydrophile und hydrophobe Verschmutzung

So nund folgt der nächste Versuch. Und es wird jetzt interessant: Jetzt kommen wir zu der Selbstreinigung von Oberflächen. Man nehmen einmal ein hydrophiles Blatt, z.B. Efeu und einmal ein hydrophobes Blatt, z.B. Kohlrabi.
Nun gibt man auf beide Blätter ein wenig Erde und spüle diese mit Erde herunter. Beim Efeublatt kann man eine deutliche Spur der Erde erkennen, jedoch ist dies beim Kohlrabiblatt anders: Hier wird der Schmutz vollständig runtergespült und man keine Anzeichen mehr auf die Erde erkennen kann. Aber woran liegt das?
Nun, wie schon in Versuch 1.2 erklärt gibt es auf dem Kohlrabiblatt nanoskalige Noppen mit einer Wachsschicht. An diesen ist nun der Schmutz. Wird jedoch mit Wasser gespült, so geht der Schmutzpartikel mit dem Wasser hinunter, da die Oberfläche die der Schmutz beim Wassertropfen berührt, größer ist, als die der Noppen. Somit hat der Schmutzpartikel eine stärkere Adhäsion zu Wasser als zu den Noppen.
Adhäsion beschreibt das Anhaften eines Stoffes am andren. Je stärker sie ist desto stärker haften zwei Stoffe aneinander.
Beim Efeublatt ist die Adhäsion des Schmutzpatikels am Wasser nich so stark wie die zum Blatt, weil dort keine nanoskaligen Strukturen vorhanden sind. Deswegen bleiben dort Rückstände zurück.
Unten sind nochmal Zeichnungen, die das ganze graphisch darstellen sollen:

Selbstreinigende Oberflächen III- Versuch 1.2 Wasser auf hydrophoben Oberflächen

Dieser Versuch ist echt schön und macht echt viel Spaß. Um ihn durchführen zu können braucht ihr ein Kohlrabiblatt und Wasser - das war's dann auch schon!!
Tropft mit einer Pipette auf das Blatt. Dabei könnt ihr beibachten wie das Wasser einen fast kugelförmigen Tropfen bildet, der dann rasch abperlt. Bleibt der Tropfen auf dem Blatt zurück, so ist eine silbrige Schicht zu erkennen, was man als Spiegeleffekt bezeichnet. Taucht man das Blatt in ein Becherglas mit Wasser ein, so ist dieses noch besser zu beobachten. Nimmt man das Blatt aus dem Glas heraus, so perlt das Wasser rückstandfrei vom Wasser ab.
Das Abperlen findet vor allem durch die nanoskaligen Strukturen des Blattes statt. Dort sind kleine Noppen, die mit einer Wachsschicht überzogen sind. An ihnen perlt das Wasser ab, auch weil der Zwischenraum der Noppen nicht genug Platz lässt, dass das Wasser zwischen ihnen Platz hätte. Den Spiegeleffekt kann man auch als Totalreflexion bezeichnen, da durch das fast kugelige Aussehen alles reflektiert werden kann.
Reibt man ein Stück des Kohlrabiblattes zwischen den Fingern und gibt es erneut in das Wasser, so kann man erkennen, dass dort der Spiegeleffekt nicht mehr stattfindet.
Dies liegt daran, dass man die nanosklaigen Strukturen durch das Reiben zerstört hat und somit eine hydrophile Oberfläche geschaffen hat. Dies zeigt wieder einmal wie fein und zerbrechlich die nanoskaligen Strukturen der Natur sind und es schwer ist sie zu imitieren, da man die Strukturen noch zusätzlich verbessern muss.
Hier sind noch Zeichnungen, die den ganzen Versuch veranschaulichen sollen:

Selbstreinigende Oberflächen III- Versuch 1.1 Wasser auf hydrophilen Oberflächen

Hey, hier kommt wieder ein ganz einfacher Versuch zum Lotuseffekt- und seid gewarnt!! Es folgen noch fünf weitere :D. So, dieser hier hat wieder eine ganz einfache Durchführung, was eigentlich total toll bei diesen Versuchen ist. Man kann sie gut alleine zu Hause nachmachen. Also dann schon mal viel Spaß an alle die diese Effekte selbst ausprobieren wollen!!
Hier geht es um die Benetzung von hydrophilen Oberflächen- also gibt es hier schon mal keinen Abperleffekt, doch man kann viele Unterschiede sehen!!
Man nehme, Filter-, Ton-, Kopiepapier, Druckfolie und normale Folien. Auf jeden dieser Oberflächen ist nach dem Drauftropfen eine Kontaktwinkel von <90° zu erkennen. Doch das Einsickern des Wassers ist bei den einzelnen Papieren unterschiedlich schnell und der Fleck unterschiedlich groß.
Hierfür sind die Celluslosefasern verantwortlich die extrem hydrophil sind und kleine Zwischenräume bilden, in die das Wasser sickert. Bei nanosklaligen Oberflächen hätte das Wasser keinen Platz in den Zwischenräumen und die Oberflächenspannung würde das Einsickern auch verhindern.
Hier sind dann noch Zeichnungen die euch die Flecken auf den Oberflächen veranschaulichen sollen:

Selbstreinigende Oberflächen II- Schülerversuch zum Lotuseffekt

Versuch 1:
So nun kommt also der erste Versuch, der sehr leicht durchzuführen ist. Man benötigt eine Scheibe Glas und eine Kerze. Mithilfe dieser beiden Dinge kann man versuchen eine nanoskalige Struktur herzustellen

Nanoskalig bezeichnet die Struktur einer Oberfläche, die im Strukturen im Nanometer- Bereich hat, und eben nicht glatt ist, wie man zuerst glauben könnte. Mit dem Blick durch ein Rastermikroskop erkennt viele Unebenheiten auf der Oberfläche und da man dies zuerst bei Lotus-Pflanze erkannte, benannte man den schon vorgestellten Effekt nach ihr.

So zurück zum Versuch: Nachdem man die Oberfläche mit Hilfe der Kerze verrußt hat, nimmt man eine Pipette mit Wasser und tropft einige Tropfen Wasser auf die Schicht. Man beobachtet sofort, dass die Wassertropfen abperlen und die Oberfläche schwach benetzen. Der Kontaktwinkel ist höher als 90° und somit hat man mit dem Ruß eine hydrophile Oberfläche geschaffen. Wird diese nanoskalige Oberfläche jedoch zerstört, findet wieder eine gute Benetzung statt.

Versuch 2:
Diesmal wird die Oberfläche nicht mit einer Kerze verrußt sondern mit einem Feuerzeug. Die Schicht des Rußes ist viel dünner bei vergleichsweise gleicher Zeit der Berrußung. Doch dafür ist der Abperleffekt noch stärker zu erkennen. Die Tropfen können sich kaum noch auf dieser Oberfläche halten.

Zusammenhang versuch 1 & 2:
Im Kerzenrauch sind noch Reste des Paraffins vorhanden, die die Strukturen zwar nanoskalig werden lassen, allerdings nicht ganz so fein wie bei dem Ruß des Feuerzeuges. Deswegen ist die Rußschicht des Feuerzeuges, obwohl sie nicht so dick ist, hydrophober. Theoretisch könnte man z.B. Dachziegel mit Ruß beschichten, doch diese Schicht ist doch sehr leicht zu zerstören und deswegen in der Praxis nicht anwendbar. Somit muss man noch anderen Alternativen suchen, die Oberflächen sich selbstreinigen lassen.

Selstreinigende Oberflächen I- Was ist ein Kontaktwinkel?

Es wird viel für selbstreinugende Oberflächen geworben und es ist oft vom sogenannten "Lotuseffekt" die Rede... Doch um was geht es dabei genau?

Dieser Frage sind wir im Unterricht auf den Grund gegangen und haben hierfür ganz viele tolle Versuche gemacht, die hier in den nächsten Tagen dokumentiert werden!! Als Grundlage für die Versuche muss man etwas über die Benetzung von Oberflächen wissen, da man sonst nicht versteht, warum dieser Effekt so besonders ist.

Hierfür nehme man den Kontaktwinkel, der es leichter macht zu verstehen wann eine Oberfläche hydrophil oder hydrophob ist. Ok, falls jemand jetzt noch nicht weiß, was diese beiden Begriffe bedeuten, sollte ich sie lieber noch erklären, denn die werden jetzt eine wichtigere Rolle spielen:

• Hydrophil bedeutet,dass ein Stoff "wasserfreundlich"ist, dass heißt, er bildet eine Lösung mit ihm oder lässt es nicht abperlen.



• Hydrophob wiederum bedeutet, dass ein Stoff mit Wasser eine Emulsion bildet oder Wasser abperlen lässt, das es keine Bindung mit Wasser eingeht.

So jetzt können wir loslegen:

Benetzen wir eine Oberfläche mit Wasser entsteht ein Tropfen, der eben je nach Stoff eine Krümmung hat. Beträgt dieser Winkel weniger als 90° so ist die Oberfläche gut benetzt und diese Oberfläche ist hydrophil.

Beträgt der Winkel des Tropfens jedoch über 90° so wird die Oberfläche nicht gut benetzt, was dann heißt, dass diese dann hydrophob ist.

Jetzt mag es schon logisch scheinen, dass eben die hydrophobe Oberfläche auch die selbstreinigende ist, denn sie lässt ja das Wasser abperlen. Und das man mit diesem Effekt viele Versuche machen kann, scheint ja logisch und deswegen werden hier auch noch viele folgen.

Die Zeichnungen zum Kontaktwinkel, die ich gemacht habe, sollen euch helfen das Thema nocheinmal bildlich darstellen.