Konzentriertes Arizona für sensible Farben

Für ganz neue Materialien ist der Weg von der Grundlagenforschung bis zur Marktreife meist langwierig und aufwändig. Das zeigt auch die Geschichte des Quaterrylendiimid . Dieses Molekül mit dem sperrigen Namen hat eine für uns Menschen unsichtbare Farbe. Es wirkt als „Nahinfrarot-Absorber“, denn es filtert sehr effizient den Spektralbereich aus der Sonneneinstrahlung heraus, der Wärme transportiert.

Die BASF AG bringt dieses Material nun als hochwertiges „Farbmittel“ (so nennen Chemiker die farbgebende Substanz im Gemisch einer Farbe) für verschiedene Anwendungen auf den Markt. Eine davon sind Wärmeschutzscheiben für Häuser oder Autos. Synthetisiert hat das vielseitige Molekül ein Mainzer Team von Grundlagenforschern um Klaus Müllen, Direktor am Max-Planck-Institut für Polymerforschung, im Auftrag der BASF. Deren Industriechemiker haben es dann in langjähriger Arbeit für den kommerziellen Einsatz fit gemacht.

Vor der Markteinführung muss der neue Nahinfrarotabsorber ausführliche Materialtests bestehen. Der promovierte Chemiker Arno Böhm ist Leiter des Infrarotfarbenprojekts bei der BASF in Ludwigshafen. Die Tests laufen unter seiner Ägide und müssen sicher nachweisen, dass die neue Infrarotfarbe über viele Jahre zuverlässig funktioniert: Auch unter grellem Sonnenlicht darf sie sich chemisch nicht verändern und dadurch womöglich ihre Filterwirkung verlieren.

Die Kunden der BASF AG sind zum Beispiel Hersteller von Fenstern oder Fassadenteilen. Deren Ansprüche sind hoch, denn „es geht um sehr langlebige Güter“, erklärt Böhm die Herausforderung: „Sie sind zehn bis zwanzig Jahre der Witterung ausgesetzt, also der Sonnenstrahlung, dem Regen und so weiter.“ Der Fensterhersteller hätte ein Problem, wenn die Wärmeschutzfassade eines riesigen Hochhauses innerhalb der Garantiezeit versagen und die Innenräume sich in eine Sauna verwandeln würden.

Deshalb lassen sich die Kunden nur von dem neuen Infrarotabsorber überzeugen, wenn die BASF-Entwickler minutiöse Vorarbeit leisten. Sie müssen in genormten, genau nachvollziehbaren Tests nachweisen, dass das Quaterrylendiimd-Molekül selbst als Additiv für die Kunststoffmischungen haltbar ist. Die Kunden wollen sicher gehen, dass sich das Farbmittel auch im fertigen Produkt wie gewünscht verhält. Also müssen Prototypen von Fenstern oder Autoscheiben auf den Teststand, die mit dem neuen Nahinfrarotabsorber beschichtet sind. Und bei diesen Tests muss die BASF mit ihren zukünftigen Kunden zusammenarbeiten.

Die entscheidende Frage für alle Beteiligten ist dabei: Welches Testverfahren liefert ein realistisches Resultat? Eine klares Ergebnis erhielte man natürlich, wenn man die Prototypen einfach fünfzehn oder zwanzig Jahre lang der natürlichen Witterung aussetzen würde. Überstehen sie das, kann das Produkt auf den Markt kommen. „Doch ein so lang andauernder Test liefe schließlich am Markt vorbei und wäre ohnehin nicht zu bezahlen“, erklärt Böhm.

Also hat die Industrie Tests entwickelt, die die Alterung des neuen Materials erheblich beschleunigen. Etabliert sind zwei Verfahren, die Schnellbewitterung und Schnellbelichtung heißen. „Sie basieren zum Beispiel auf Xenon-Lichtquellen mit einer ähnlichen Strahlungscharakteristik wie das Sonnenlicht“, erklärt Böhm. Die Lampen eines Schnellbelichtungsstands bestrahlen die Testobjekte mit einer Intensität, die einem Vielfachen der täglichen Sonneneinstrahlung entspricht. Die nächtliche Unterbrechung simuliert der Stand durch kurze, halbstündige Pausen. Nach einer bestimmten Anzahl künstlicher Tag- und Nachtzyklen, die der erwünschten realen Lebenserwartung entsprechen soll, untersuchen die Entwickler dann das neue Pigment. Hat es in seiner Farbwirkung nicht nachgelassen, bleibt es als Kandidat für das fertige Endprodukt übrig. Sonst wird es ausgesondert.

Bei klassischen Farben funktioniert dieses Verfahren zuverlässig. Doch für funktionelle Farbmittel ist es schlicht zu brutal. „Viele funktionelle Moleküle sind in der natürlichen Bewitterung oder Beleuchtung deutlich stabiler als in der künstlichen“, erklärt Böhm das Problem. Also musste die Industrie für diese neuen, „intelligenten“ Materialien auch neue Testmethoden entwickeln. Diese Methoden müssen möglichst „naturnah“ sein und trotzdem die Entwicklungszeit so stark abkürzen wie nur irgend möglich.