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DE102009038236A1 - Material zu Verhinderung von Fäulnis auf Wasserfahrzeugen und Einrichtungen im Wasser sowie geeignetes Herstellverfahren - Google Patents

Material zu Verhinderung von Fäulnis auf Wasserfahrzeugen und Einrichtungen im Wasser sowie geeignetes Herstellverfahren Download PDF

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DE102009038236A1
DE102009038236A1 DE102009038236A DE102009038236A DE102009038236A1 DE 102009038236 A1 DE102009038236 A1 DE 102009038236A1 DE 102009038236 A DE102009038236 A DE 102009038236A DE 102009038236 A DE102009038236 A DE 102009038236A DE 102009038236 A1 DE102009038236 A1 DE 102009038236A1
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film
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fouling
carrier
matter
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Withdrawn
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DE102009038236A
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English (en)
Inventor
Petra Lawrence
Christoph Grevener
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Original Assignee
Individual
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Abstract

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Material zur Fäulnisverhinderung und ein Verfahren zu dessen Herstellung anzugeben. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Material in Form einer auf dem Wasserfahrzeug bzw. auf der Einrichtung im Wasser haftenden Folie zur Fäulnisverhinderung gelöst. Die Folie ist hierzu gewässerspezifisch mit verschiedenen Wirkmechanismen beschichtet. Diese Wirkmechanismen basieren auf der Mikrostrukturierung von Oberflächen, dem Einsatz von Nanopartikeln (z.B. Kohlenstoff-Nanoröhrchen), biochemisch aktiven Substanzen (z.B. katalytische Enzyme, Bakterien), Botenstoffen und/oder durch den Einsatz von Antihaftbeschichtungen. Die Wirkstofffreigabe kann über Membranfolien gezielt dosiert werden. Als weitere Möglichkeit wird eine Folienbeschichtung mit lebenden Zellkulturen zur Bewuchsverhinderung angegeben. Die Wirkstoffe bzw. die Zellkulturen werden über Beschichtungsanlagen mittels Walzen, Kalander und/oder Rakel auf die Oberfläche der Trägerfolie aufgebracht.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Material in Form einer haftenden Folie zur Fäulnisverhinderung nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und ein Verfahren zur Herstellung desselbigen nach den Merkmalen des Anspruchs 12.
  • Ein Problem in der Schifffahrt stellt das sogenannte Fouling am Unterwasserschiff dar. Hierunter versteht man eine Besiedelung des Schiffsrumpfes mit Seepocken, Algen, Krebsen, Muscheln usw.. Durch den Bewuchs wird der Wasserwiderstand und damit der Treibstoffverbrauch drastisch erhöht.
  • Um den Bewuchs zu verhindern, werden heute bewuchsverhindernde Mittel und Maßnahmen eingesetzt. Zum Schutz der Umwelt und aufgrund neuer Gesetze und Richtlinien ist es erforderlich, zukünftig ungiftige Substanzen zur Bewuchsverhinderung einzusetzen.
  • Generell gibt es folgende Lösungsansätze zur Bewuchsverhinderung:
    • 1. Verhinderung des Anhaftens von Bewuchs durch entsprechende Oberflächeneigenschaften (Benetzbarkeit, Polarität, Topographie usw.).
    • 2. Abtöten von Bewuchs, z. B. durch toxische Substanzen.
    • 3. Fernhalten von Bewuchs und bewuchsauslösenden Lebewesen und Substanzen, z. B. durch Botenstoffe.
  • Aus dem Stand der Technik ist eine Folie bekannt, welche die Oberfläche einer Haifischhaut nachstellt. Diese so genannte Ribletfolie besitzt eine spezielle Rillenstruktur, die sich strömungstechnisch vorteilhaft auswirkt (Senkung des Treibstoffverbrauchs durch reduzierte Reibung). Diese Folie basiert auf einer Untersuchung, die in der US5386955 beschrieben ist.
  • Eine andere wichtige Eigenschaft der Haihaut besteht in der Bewuchsverhinderung durch eine dynamische Struktur, welche durch elastische, in die Haihaut eingebundene Dentikel gebildet wird. Dies erschwert das Anhaften von Kleinlebewesen. Gelingt es dennoch einigen Seepockenlarven sich anzuheften, so verlieren sie spätestens dann den Halt, wenn sie wachsen und größer als ein einzelner Dentikel werden.
  • In der EP1981659A1 ist eine fäulnisverhindernde Beschichtung beschrieben, die ebenfalls auf den Prinzipien der Haihaut basiert. Hier wird das Prinzip der elastisch verankerten Dentikel verwendet. Allerdings handelt es sich hierbei um einen Anstrich.
  • In der DE102007030406A1 wird ein Verfahren zur Verminderung der Adhäsion von biologischem Material durch Algenextrakte beschrieben.
  • Die DE69822355T2 beschreibt die Verwendung verkapselter bioaktiver Substanzen.
  • Aus der Literatur sind ferner Forschungen auf dem Gebiet der Kohlenstoff-Nanoröhrchen (EU-Projekt Ambio) und katalytischen Enzyme zur Bewuchsverminderung bekannt.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Material zur Fäulnisverhinderung anzugeben.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Material in Form einer auf dem Wasserfahrzeug bzw. auf der Einrichtung im Wasser haftenden Folie zur Fäulnisverhinderung nach den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung dieses fäulnisverhindernden Materials zu beschreiben.
  • Bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Erfindungsgemäß werden die gewünschten Eigenschaften der Oberflächen an Wasserfahrzeugen und Einrichtungen im Wasser bestmöglich durch eine elastische Folie (beispielsweise auf PU-Basis) erreicht, welche u. a. auch auf gekrümmte Oberflächen appliziert werden kann. Durch Anstriche ist eine gleichmäßige und definierte Mikrostrukturierung nur schwer realisierbar (z. B. unter Zuhilfenahme von strukturierten Silikonfolien als Stempel). Bei Folien können strukturierte Oberflächen z. B. durch Prägewalzen oder mittels Lasereinsatz auf einfache Weise erreicht werden.
  • Darüber hinaus können Folien unter idealen Bedingungen auf industriellen Fertigungsanlagen mit nahezu beliebigen Beschichtungen versehen werden. Dies ist im Werftbetrieb unter den dort herrschenden Umgebungseinflüssen kaum möglich.
  • Die Bandbreite möglicher Folienbeschichtungen umfasst alle derzeit bekannten Wirkmechanismen zur Bewuchsverhinderung (Antihaftbeschichtungen wie z. B. Teflon, diverse Nanopartikel, biochemisch aktive Substanzen wie z. B. katalytische Enzyme, Algenextrakte usw.). Auch Wirkstoffkombinationen sind möglich. Durch Mikroverkapselung der Wirkstoffe oder durch den Einsatz von Membranfolien kann die Wirkstofffreigabe gezielt gesteuert werden. Eine Erosion durch die Strömung wird auf diese Weise wirksam vermieden.
  • Neue Beschichtungen, z. B. mit Zellkulturen werden durch Folieneinsatz erst möglich. Hierbei dient die Folie als Trägermaterial für die empfindlichen Zellen während des Herstellungs- und Verarbeitungsprozesses. Die fertige Folie bildet zusammen mit den Zellkulturen eine lebende Haut, welche über einen Haftklebstoff auf der Folie am Wasserfahrzeug angebracht werden kann. Die Zellen übernehmen die fortlaufende Wirkstoffproduktion für die Bewuchsverhinderung am Unterwasserschiff. Beispielsweise können die Zellen bestimmte Stoffwechselprodukte oder Botenstoffe produzieren, welche den Bewuchs vom Unterwasserschiff fernhalten oder abtöten. Auch spezielle Fresszellen, welche die Lebensgrundlage des Bewuchses vernichten, sind denkbar und können z. B. mit Hilfe der Gentechnik gezüchtet werden. Darüber hinaus können bestimmte Zellen gezüchtet werden, welche auf der dafür ausgelegten Trägerfolie ein Gewebe bilden. Dieses Gewebe könnte z. B. eine Fischhaut nach dem Vorbild einer Haifischhaut nachbilden.
  • Bei der Herstellung werden die Zellkulturen samt Nährmedium in Beschichtungsanlagen über einen Walzencoater auf die Folien aufgetragen, welche nachfolgend in weiteren Schritten (z. B. Brutapparaturen) kultiviert werden. Die Zellkulturen werden durch Beschichten mit einer Schutzfolie für den Logistik- und Applikationsprozess geschützt.
  • Durch Kombination verschiedener Wirkmechanismen (Folienstrukturierung, Einsatz diverser Beschichtungsmaterialien) kann ein optimaler Bewuchsschutz erreicht werden. Die Zusammensetzung der Wirkmechanismen kann gewässerspezifisch und je nach Einsatzgebiet unterschiedlich ausfallen. Die Wirksamkeit der in EP1981659A1 beschriebenen Haihautnachbildung ist z. B. am Liegeplatz des Schiffes stark eingeschränkt, weil die Selbstreinigung durch die fahrtbedingte Strömung fehlt. Dies ist einer der Gründe, warum der Bewuchs durchschnittlich nur um 70% vermindert wird.
  • Des weiteren muss angemerkt werden, dass bei stationären Unterwassereinrichtungen die Einsetzbarkeit von EP1981659A1 nicht sinnvoll ist.
  • Durch Auswahl verschiedener Folientypen kann gezielt auf die unterschiedliche Bewuchsanfälligkeit verschiedener Rumpfzonen eines Wasserfahrzeugs reagiert werden (maßgeschneiderter Schutz). Des Weiteren kann über die ausgewählten Folientypen/Wirkmechanismen auf die verschiedenen Bewuchsarten in unterschiedlichen Gewässern reagiert werden.
  • Generell werden nur umweltverträgliche Stoffe verwendet.
  • Die erfindungsgemäße Lösung ist im Marinebereich z. B. auf Wasserfahrzeugen jeglicher Art, schwimmenden Seezeichen, Wasserbauwerken, Gezeitenkraftwerken, Schwimmbäder etc. anwendbar. Sie ermöglicht Kraftstoffeinsparung, geringe Aufenthaltszeiten in Trockendocks, Vermeidung von Sondermüll, Gewässerschutz, Kostenreduzierung, Korrosionsschutz sowie Osmoseschutz an Kunststoffrümpfen.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand von Zeichnungen erläutert. Dabei zeigen 1–3 schematische Darstellungen.
  • 1 Schematische Darstellung eines Folienverbundes mit Klebstoff- und Wirkstoffbeschichtungen im Schnitt.
  • 2 Trägerfolie, welche auf der äußeren Seite mit Zellkulturen und auf der inneren Seite mit einem Klebstoff beschichtet ist.
  • 3 Beispiel einer Beschichtungsanlage für Folien Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Folienverbundes im Schnitt. Der grundsätzliche Folienaufbau besteht aus einer Trägerfolie 1, die auf der Unterseite mit einem Klebstoff 2 und auf der Oberseite mit einer Beschichtung 4 versehen ist. Die Trägerfolie 1 besteht bevorzugt aus einer elastischen Folie, die auch auf gekrümmten Oberflächen an Wasserfahrzeugen appliziert werden kann.
  • Die Trägerfolie kann optional mit einer Struktur 3, z. B. Haifisch-Dentikeln versehen sein.
  • Die chemische Basis dieser Folie kann z. B. Polyurethan sein. Das Klebstoffsystem 2 kann ein Haftklebstoff (PSA), ein reaktiver Klebstoff oder eine Kombination aus beidem sein. Die Klebstoffe sind in jedem Fall auf die jeweiligen Unterwasserbedingungen abgestimmt. Die Beschichtung 4 kann verschiedene Wirkstoffe beinhalten. Beispiele für diese Wirkstoffe sind Katalytische Enzyme, Botenstoffe, Kohlenstoff-Nanoröhrchen und/oder Teflon sein.
  • Die Wirkstoffe können z. B. mikroverkapselt sein oder durch eine zusätzliche Membranfolie gezielt freigesetzt werden. Die Wirkung der einzelnen Systeme wird nachfolgend kurz beschrieben. Katalytische Enzyme können katalytische Zersetzungsprozesse auslösen, welche andere Substanzen, in diesem Fall den Bewuchs angreifen können.
  • Kohlenstoff-Nanoröhrchen sind lange dünne Zylinder aus Kohlenstoff, die elastisch in die Folie eingebunden sind und nicht ins Wasser freigesetzt werden. Die Kohlenstoff-Nanoröhrchen können die Funktion der Dentikel einer Haifischhaut übernehmen und somit eine Anlagerung des Bewuchses verhindern.
  • Ein anderer Weg der Bewuchsverhinderung erfolgt durch Einsatz von Botenstoffen. Die Botenstoffe sind auf die typischen Bewuchsarten abgestimmt und haben eine abstoßende Wirkung auf diese. Das jeweilige Lebewesen empfindet die Oberfläche als feindlich und wird sich darauf nicht ablagern.
  • Eine weitere Möglichkeit besteht im Einsatz von Antihaft-Beschichtungen mit sehr geringer Oberflächenspannung (z. B. Teflon). Hierdurch wird verhindert, dass sich der Bewuchs auf der Oberfläche anhaftet. Eine besondere Form der Antihaft-Beschichtung ist der Einsatz von Nanopartikeln, welche den Lotusblüten Effekt nachstellen.
  • In 2 wird ein ganz anderer Weg der Bewuchsverhinderung dargestellt. Der Aufbau besteht aus einer Trägerfolie 1, welche auf der Unterseite mit einem Klebstoff 2 und auf der Oberseite mit lebenden Zellkulturen 6 als biologische Schutzhaut beschichtet ist. Diese Zellkulturen töten bzw. verhindern den Bewuchs. Dies kann auf verschiedene Weise erfolgen, z. B. durch Aussendung von abwehrenden Botenstoffen, durch Stoffwechselprodukte der Zellen, welche als gezielt wirkendes biologisches Gift die potenziellen Bewuchspartner abtöten oder deren Vermehrung verhindern. Auch spezielle Fresszellen, welche sich von der Lebensgrundlage des Bewuchses ernähren, sind denkbar und können z. B. mit Hilfe der Gentechnik gezüchtet werden. Darüber hinaus können bestimmte Zellen gezüchtet werden, welche auf der dafür ausgelegten Trägerfolie ein Gewebe bildet, welches z. B. eine Fischhaut nachbildet.
  • Die Zellkulturen können optional durch eine Schutzfolie 7 für den Logistik- und Applikationsprozess geschützt werden.
  • Es können aber auch statt eines Gewebes einzellige Lebewesen z. B. Bakterien eingesetzt werden.
  • Diese Bakterien werden durch die Berührung mit Wasser aktiviert und töten bzw. verhindern den Bewuchs. Dieses kann analog zu den oben beschriebenen Mechanismen erfolgen. Durch Stoffwechselprodukte der Bakterien, welche als gezielt wirkendes biologisches Gift die potenziellen Bewuchspartner abtöten, abwehren oder deren Vermehrung verhindern. Eine andere Möglichkeit ist der Entzug der Nahrungsgrundlage für den Bewuchs durch die Bakterien. Die Bakterien werden für den Herstellungs- und Logistikprozess mikroverkapselt (z. B. Gelkapseln). Die Kapseln lösen sich bei Kontakt mit Wasser auf und aktivieren die Bakterien.
  • 3 zeigt eine Beschichtungsanlage, um den Folienverbund herzustellen. Eine Folie 1 wird in einem Walzencoater bestehend aus den Applikationswalzen 8 und 9 sowie der Klebstoffwanne 12 mit dem Klebstoff 2 auf der Folienunterseite 1 beschichtet. Im Rakel 13 wird der Wirkstoff 4 oder die Zellkulturen 6 auf die Folienoberseite 1 appliziert. Anschließend wird zum Schutz der Beschichtung 4 oder 6 eine Schutzfolie 7 von einer Haspel 11 über die Applikationswalze 10 zugeführt. Zum Schutz des Klebstoffs 2 wird auf dessen Unterseite ein Liner 14 mittels Haspel 15 zugeführt und mit einer Walze 16 zum Gesamtverbund beschichtet.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - US 5386955 [0005]
    • - EP 1981659 A1 [0007, 0019, 0020]
    • - DE 102007030406 A1 [0008]
    • - DE 69822355 T2 [0009]

Claims (12)

  1. Material zur umweltschonenden Fäulnisverhinderung dadurch gekennzeichnet, dass eine selbsthaftende elastische Folie als Trägermaterial eingesetzt wird, die mit verschiedenen Wirkmechanismen zur Erzielung eines bestmöglichen Bewuchsschutzes ausgestattet ist.
  2. Material nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass katalytische Enzyme eingesetzt werden, welche katalytische Zersetzungsprozesse auslösen und so den Bewuchs verhindern.
  3. Material nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass lange dünne zylinderförmige Kohlenstoff-Nanoröhrchen elastisch in die Folie eingebettet sind. Diese können die Aufgabe von Dentikeln einer Haifischhaut übernehmen.
  4. Material nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass eine Antihaft-Beschichtung z. B. Teflon eingesetzt wird.
  5. Material nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass Nanopartikel eingesetzt werden, die durch einen Lotusblüteneffekt das Anhaften von Bewuchs vermindern.
  6. Material nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass durch in die Folienoberfläche eingelagerte Botenstoffe Bewuchs verhindert wird.
  7. Material nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass eine Membranfolie auf einer Trägerfolie auflaminiert ist. Die Membranfolie sorgt hierbei für eine gezielt dosierte Wirkstofffreigabe über einen definierten Zeitraum.
  8. Material nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass durch Auswahl verschiedener Folientypen gezielt auf die unterschiedliche Bewuchsanfälligkeit verschiedener Rumpfzonen eines Wasserfahrzeugs reagiert werden kann (maßgeschneiderter Schutz).
  9. Material nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass durch Auswahl bestimmter Folientypen und Wirkstoffe gezielt auf die spezifischen Bewuchsarten in unterschiedlichen Gewässern reagiert werden kann.
  10. Material nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass eine Folie mit Bakterien als Wirkstoff beschichtet ist, welche den Bewuchs durch entsprechende biologische Mechanismen bzw. Abläufe abtöten bzw. unterbinden.
  11. Material nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass eine Folie mit lebendem Zellgewebe als biologische Schutzhaut beschichtet ist, welches den Bewuchs durch entsprechende biologische Mechanismen bzw. Abläufe verhindern kann.
  12. Verfahren zur Herstellung des Materials nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Folienverbund bestehend aus Trägerfolie, Klebstoff und Wirkstoff- bzw. Zellbeschichtung in einer Beschichtungsanlage mittels Applikationswalzen und Kalander bzw. Rakel erzeugt wird.
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