Die Beschichtung könnte mehrere Oberflächen, einschließlich Denkmäler, vor verschiedenen Erosionsniveaus schützen

Forscher des Center for Photochemical Sciences an der Bowling Green State University haben ein Beschichtungssystem entwickelt, das vielversprechend für die Erhaltung historischer Denkmäler ist – und möglicherweise für noch viel mehr.

Ein Team bestehend aus Dr. Joe Furgal, einem Assistenzprofessor für Chemie an der BGSU, dem Doktoranden Cory Sims und der Postdoktorandin Dr. Chamika Lenora verwendete drei verschiedene Formen der Chemie, um ein hybrides Organo-Silizium-Beschichtungssystem zu entwickeln, das die Lebensdauer von mehreren verlängern könnte Oberflächen, die starker Erosion ausgesetzt sind, einschließlich nationaler Denkmäler, historischer Bauwerke, Statuen, Friedhofssteine ​​und Gebäude.

Unterstützt vom National Park Service, dem US-Innenministerium und dem National Center for Preservation Technology and Training suchte das Forschungsteam nach einer Möglichkeit, Umweltschäden zu mindern und gleichzeitig eine Beschichtung zu entwickeln, die schnell aushärtet und dennoch eine lange Lebensdauer hat und konnte auf vielfältige Weise angewendet werden.

Bisher waren ihre Ergebnisse sowohl ermutigend als auch preisgekrönt. Sims präsentierte die Forschungsergebnisse auf der Konferenz der Polymer Initiative of Northeast Ohio (PiNO) im Oktober an der Case Western University und gewann den PPG Choice Poster Award.

Zunächst entwickelte Furgal ein Beschichtungssystem, um Bootsoberflächen hydrophober oder wasserabweisender zu machen, sah jedoch, dass der Parkdienst nach Forschungen suchte, um Materialien erosionsbeständiger zu machen. Die Passform war natürlich.

„Ich habe dieses Beschichtungssystem erfunden und ursprünglich für Boote entworfen, aber damals war es nur ein Vorschlag und wir hatten noch nichts gemacht“, sagte Furgal. „Als ich die Nationalparkförderung gesehen habe, dachte ich: ‚Ich frage mich, ob wir eine solche Beschichtung für die Denkmalpflege verwenden können.'“

Nach einem ganzen Testjahr stellten die BGSU-Forscher fest, dass ihr System, kurz gesagt, auf einer Vielzahl von Oberflächen effektiv war.

„Sie konnten es auf allem Stein, Stahl, Eisen, Glas, Beton, Ziegel, Holz verwenden – so ziemlich alles außer Stoffen“, sagte Sims. „Idealerweise kann es die Erosion verringern und bei Graffiti helfen, da Sie Sharpie oder Sprühfarbe einfach abwischen können, sobald die Beschichtung mit nur ein wenig Ellenbogenfett aufgetragen wurde.“

Ein hybrider Ansatz

Das BGSU-Team verwendete drei unterschiedliche Chemien (UV-initiierte Thiol-En-Reaktion, Amin/Epoxy-Reaktion und Alkoxysilan-Sol-Gel-Härtung), um die wünschenswerten Eigenschaften jeder Methode zu erhalten und gleichzeitig ihre weniger wünschenswerten Eigenschaften zu reduzieren.

Acrylfarben benötigen lange Aushärtungszeiten, was die Verwendung auf bereits im Freien befindlichen Oberflächen erschweren kann. Fluorpolymere wie Teflon bringen Umweltbedenken mit sich und können nicht auf allen Oberflächen verwendet werden, während bestimmte Epoxide dazu neigen, zu oxidieren und sich zu verfärben, wenn sie Erosion unterliegen.

Sie standen auch vor der Herausforderung, die Beschichtung ohne den Vorteil eines Weatherometers – einer UV-Alterungstechnik, die die Sonneneinstrahlung auf Beschichtungen simuliert – zu testen, um eine Vielzahl von extremen Klimazonen zu testen, also improvisierten sie.

„Wir mussten am Anfang im Wesentlichen unsere eigenen Wettersysteme herstellen, aber wir haben schließlich entschieden, dass Tests im Gebäude nicht machbar sind“, sagte Furgal. „Stattdessen haben wir beschlossen, auf das Dach des Gebäudes zu gehen und sie dort in der realen Welt zu platzieren. Wir hatten ein Jahr lang reale Studien, bevor wir etwas veröffentlichten.“

Sie brachten die beschichteten Oberflächen, einschließlich Stein und Glas, auf das Dach des Laborgebäudes für Physikalische Wissenschaften auf dem Campus und setzten sie einem ihrer geografischen Vorteile aus: Das Wetter im Norden Ohios sorgt für viele Arten von Erosion.

„Glücklicherweise ist Ohio ziemlich gut, da wir alles bekommen: viel Regen, viel Eis, viel Schnee, einige extreme Hitze, einige extreme Kälte“, sagte Sims. „Wir haben keine Waldbrände oder Sandsturmbedingungen, aber sie haben so ziemlich alles andere gesehen.“

Gute Noten

Während der Tests zeigten die Trisystem-Beschichtungsproben eine verbesserte Hydrophobie und eine geringere vorzeitige Reaktivität gegenüber mehreren Arten von Erosion auf vielen Oberflächen: Glas, Stahl, Holz, Marmor, Granit, Ziegel und Nitril, die alle von der Beschichtung profitierten.

Holz ist nach wie vor das wichtigste Baumaterial für viele historische Gebäude, dessen Instandhaltung eine Herausforderung darstellen kann, da Holz sowohl porös als auch brennbar ist. Wie bei Ziegeln zeigten Proben jedoch, dass die Oberfläche die Beschichtung absorbierte, wodurch sie widerstandsfähiger gegen Wasserschäden wurde.

Zusätzlich erwies sich die Flammbeständigkeitsprüfung als vielversprechend. Während das behandelte Holz direkten Flammen ausgesetzt war, behielt es seine Form bei und verlöschte 11 Sekunden nach Abklingen der Flammen von selbst, was 90 % schneller war als unbehandeltes Holz – was eine mögliche Anwendung für Holzkonstruktionen in waldbrandgefährdeten Gebieten zeigt.

Beschichtete Steinoberflächen, die das ganze Jahr über beobachtet wurden, zeigten selbst in exponierten Außenumgebungen bei Temperaturen von unter Null bis über 100 Grad Fahrenheit Langzeitstabilität, was sie ideal für Denkmäler aus Stein wie Grabstätten machen würde.

Während die Forschung darauf abzielte, ein Problem des National Park Service zu lösen, hat sie auch gezeigt, dass das Beschichtungssystem noch breiter angewendet werden könnte. Die Forscher haben derzeit ein Patent angemeldet und arbeiten an Möglichkeiten zur Kommerzialisierung sowohl von Lizenzen als auch von Startup-Unternehmen.

„Wir haben festgestellt, dass es funktioniert“, sagte Sims lachend. „Wenn Sie mich vor einem Jahr gefragt hätten, hätte ich gesagt, dass ich glücklich gewesen wäre, wenn es nur auf Stein funktioniert hätte, aber wir haben festgestellt, dass es auf viel mehr als dem funktioniert.“

Die Arbeit wird in der Zeitschrift veröffentlicht Beschichtungen.