Handelsblatt, 20. 12. 95

Bernhard Wessling

Zipperling Kessler & Co., Germany

Organische Metalle - Eine neue Werkstoffgruppe mit weitgespannten Möglichkeiten

Eine vollkommen neuartige Werkstoffgruppe ist auf dem Weg, wichtige Aufgaben bei der Lösung zahlreicher technischer und ökologischer Probleme wahrzunehmen - die organischen Metalle. Der erste Vertreter dieser Art, das Polyanilin, wird derzeit von einem mittelständischen Chemieunternehmen, der 270 Mitarbeiter beschäftigenden Zipperling Kessler & Co. in Ahrensburg bei Hamburg nach nunmehr über 14 Jahren Grundlagenforschung unter dem Handelsnamen ORMECON in den Weltmarkt eingeführt. Erste kleine kommerzielle Anwendungen wurden in den letzten Jahren entwickelt und wurden 1995 erstmalig regelmäßig praktiziert.

Das organische Metall Polyanilin (früher auch als "leitfähiges Polymer" bezeichnet) hat einige für den Fachmann merkwürdige Eigenschaften:

es ist ein organisches Polymer, aber vollständig unschmelzbar und unlöslich
es ist ein Metall, d. h., es hat freie Elektronen in einem metallischen Leiterband (jedoch: das Leiterband erstreckt sich "nur" über knapp 10 Nanometer, so daß dieses Metall als "mesoskopisch" bezeichnet wird und sich so verhält wie auch Kupfer, wenn es in 10-nm-Partikeln vorliegt)
es ist ein Salz (genauer: ein Polyradikalkationensalz)
es kann in 3 Oxidationsstufen vorliegen (von denen aber nur eine metallisch ist), ändert bei Oxidation und Reduktion seine Form nicht (es kann daher als "Redox-Katalysator" wirken)
2 der 3 Oxidationsstufen sind unter gewöhnlichen Umgebungsbedingungen (also an Luft etc.) stabil
es ist "elektrochrom", d.h., je nach Oxidationszustand kann es unterschiedliche Farben annehmen (das stabile Metall ist grün, die oxidierte stabile Form ist blau, die reduzierte, an Luft schnell wieder zurückoxidierte Form ist schwachgelb)
in dünnen Schichten ist es transparent bzw. klar durchsichtig (wenn auch grün gefärbt).

Dispersion als Grundlage für Anwendungen

Erste kommerzielle Anwendungen fanden sich daher zunächst in naheliegenden Fragestellungen wie der transparenten (grün gefärbten) antistatischen oder leitfähigen Ausrüstung von Kunststoffen. Die allerdings nicht banale Aufgabenstellung besteht darin, das an sich nicht verarbeitbare (unschmelzbar, unlöslich!) organische Metall in eine verarbeitbare Form zu bringen.

Die Lösung dieser Aufgabe, die Zipperling durch Dispersion des Polyanilins bewerkstelligte, macht den Vorsprung des Unternehmens im nun schon eineinhalb Jahrzehnte währenden internationalen Forschungswettbewerb aus. Zipperling realisierte die Dispersion der organischen Metalle durch zwei sich ergänzende Schritte:

zunächst entwickelte man ein vollkommen neuartiges Polymerisationsverfahren für diese Stoffklasse, so daß sie eine meßbare Dispergierbarkeit aufwies
parallel dazu entwickelte man extrem leistungsfähige Dispersionsverfahren, denn auch die "dispergierbaren organischen Metalle" gehören immer noch zu den am schwersten dispergierbaren Stoffen überhaupt.

Mit dem Lösungsweg "Dispersion" haben wir einen Weg beschritten, der bis heute in der weltweiten Forschergemeinschaft nicht allgemein anerkannt ist. Allerdings ist nach unserer Ansicht
der Erfolg in praktischer und auch in wissenschaftlicher Hinsicht inzwischen unübersehbar. Denn mit der Dispersionsstrategie gelangen uns neben den kommerziellen Anwendungen auch grundlegende wissenschaftliche Erkenntnisse.

Eine Beschichtung mit einigen wenigen Mikrometern eines transparent grünen Lackes erlaubt Oberflächenwiderstände von 10³ bis 10⁹ Ohm , ohne daß man mit dem Auge oder dem Mikroskop irgendwelche Teilchen erkennen könnte.

Diese Technologie eröffnet nun aber auch "HighTech"-Möglichkeiten verschiedenster Art. Z. B ist die Beschichtung von Gläsern möglich, wobei mit einem speziellen Aufbau unter Anlegen geringfügiger Spannungen die "Helligkeit" des Glases, v.a. aber die Infrarotdurchlässigkeit (also die Wärmeaufnahme bzw. -abgabe) verändert werden kann. Ein solches Projekt befindet sich in industriellen Vortests.

Leiterplattenfertigung

Mit ähnlich extrem gut dispergierten Beschichtungslacken anderer Zusammensetzung ist es Zipperling gelungen, in der Leiterplattenherstellung einen heute ziemlich uneffizient ablaufenden Fertigungsschritt zu revolutionieren. Hier schweigt man sich derzeit noch über Details aus, jedoch teilt Zipperling mit, daß in einem industriellen Produktionstest bereits kontinuierlich Leiterplatten mit der neuen Technologie hergestellt werden und in kommerziellen Geräten eingesetzt sind.

Man erwartet, daß diese Technologie 1996 kommerziell wird und schnell weltweit angewendet wird. Weitere Anwendungen auf diesem Gebiet sind in der Entwicklung.

Auch in der Optoelektronik könnten sich evtl. einige Anwendungen ergeben.

Korrosionsschutz

Das vielleicht am wenigsten naheliegende und sowohl wissenschaftlich wie technisch aufwendigste Anwendungsgebiet ist der Korrosionsschutz. Bereits 1987 machten wir Entdeckungen, wonach eine polyanilinhaltige Beschichtung auf Metallen einen gewissen gesteigerten Korrosionsschutzeffekt zeigte. Trotz jahrelanger Forschung und Weiterentwicklung der Beschichtungen gelang der Durchbruch erst 1993, als wir das Prinzip des Effektes erkannten: Polyanilin verhält sich praktisch als Edelmetall (mit einem Redoxpotential nahe beim Silber), veredelt also die Oberfläche konventioneller Metalle. Zusätzlich wandelt es die Oberfläche des zu schützenden Metalls in eine hauchdünne, dichte Metalloxidschicht um.

Beim Eisen oder Stahl entsteht in einer komplizierten Reaktionsfolge, die wir inzwischen aufklären konnten, Fe203, ganz analog zum Al203 beim Aluminium, das sich bekanntlich an Luft selbst passiviert. "Rost" ist im Gegensatz zum Fe203 aber eine wilde Mischung aus verschiedensten Eisenoxiden und -Hydroxiden, so daß Eisen oder Stahl für den weiteren Korrosionsangriff immer weitere neue Oberflächen bilden. Die im Rost angesammelten Salze und Eisenionen verstärken autokatalytisch die Korrosionsgeschwindigkeit.

Nicht mehr so nach der Beschichtung mit dem neuen organischen Edelmetall: nunmehr ist das Korrosionspotential (bei Stahl) um bis zu 800 mV verschoben (bei Kupfer sogar um mehr als 2 V), auch verzinkte Bleche und Stähle lassen sich hervorragend schützen. Denn bei einem gegebenen Potential, das sich aus dem korrosiven Medium ergibt, ist nach der "Veredelung" nur noch ein Bruchteil, z.B. deutlich unter 1% der vorherigen Korrosionsgeschwindigkeit meßbar. Hinzu kommt die Passivschicht Fe203 , die allfälligem Rostfraß eine zusätzliche chemische und physikalische Barriere entgegensetzt.

Die neuen Beschichtungen, die nur als Primer (Grundierung) angeboten werden, stellen also einen aktiven, und zwar einen anodischen, Schutz dar. Hier ist Polyanilin das edlere Metall, das das zu schützende Metall oxidiert - glücklicherweise "frißt" es dieses aber nicht auf, sondern erlaubt mit Hilfe seines komplizierten Redox-Mechanismus' eine gezielte Oxidation zum stabilen zweiwertigen Oxid.

Wichtiger Beitrag zur Lösung von Umweltproblemen

Wenn man berücksichtigt, daß nach Angaben der DECHEMA ca. 4% des Bruttosozialproduktes durch Korrosionsschäden verloren gehen (zwischen 100 und 200 Mrd DM pro Jahr allein in Deutschland), dann kann der potentielle Wert dieses neuen Werkstoffs für Wirtschaft und Umwelt nicht hoch genug eingeschätzt werden. Insofern ist verständlich, warum die "Deutsche Bundesstiftung Umwelt" seit einigen Monaten das Projekt zum Teil fördert.

Der Beschichtungsaufbau erfordert neben der "organischen Metall-Grundierung" eine Deckbeschichtung ("Versiegelung"). Hier sind die vielfältigen noch für industrielle Anwendungen zu lösenden Probleme zu finden (Verträglichkeit, Haftung mit Decklacken), an denen wir intensiv arbeiten.

Derzeit wird ein Produkt namens "CORREPAIR" für den Endverbraucher in den Markt eingeführt. Hiermit kann der "Do-it-yourself"-Fachmann verrostete Metalle sanieren. Im Testmarkt (Landkreis "Stormarn") hat man erste gute Erfahrungen gesammelt.

Im industriellen Bereich werden derzeit zahlreiche größere Testvorhaben in verschiedenen hochkorrosiven Anwendungen betrieben. Es ist nicht das Ziel von Zipperling, die Lacke selbst herzustellen, sondern den Lackherstellern geeignete Vorprodukte zu liefern, mit denen eigene Lackformulierungen entwickelt werden können. Im Augenblick aber optimieren wir unsere eigenen bisherigen Entwicklungen so, daß sie für immer anspruchsvollere Korrosionsschutzaufgaben geeignet sind.

Mehrere unabhängige Tests in Forschungs- und Prüfungsinstituten haben die überragende Wirksamkeit des neuen Systems bestätigt.

Umfangreiche Informationen findet der interessierte Laie, Techniker oder Wissenschaftler auch im Internet, wo dieses mittelständische Unternehmen als erstes Kunststoffunternehmen einen außerordentlich umfangreichen Server betreibt (http://www.zipperling.de/). Fragen können direkt an das Unternehmen gerichtet werden.