Anwendungen der Nanotechnologie in Architektur und Bauwesen

188 Pages·2006·12.95 MB·German

Anwendungen der Nanotechnologie in
Architektur und Bauwesen

Ergebnisse der Fachtagung
am 24.1.06 im VDI, Düsseldorf

Wolfgang Luther
Axel Zweck

Herausgeber:
Zukünftige Technologien Consulting
der VDI Technologiezentrum GmbH
Graf-Recke-Str. 84
40239 Düsseldorf

im Auftrag und mit Unterstützung des

Bundesministeriums für Bildung und Forschung
Diese Publikation entstand im Rahmen des Vorhabens „Innovationsbegleitende Maß-
nahmen zur Nanotechnologie“ (Förderkennzeichen BM1) der Abteilung Zukünftige
Technologien Consulting der VDI Technologiezentrum GmbH im Auftrag und mit Un-
terstützung des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF), Referat 511.

Projektleitung: Dr. Dr. Axel Zweck
Durchführung: Dr. Wolfgang Luther
Redaktion: Dr. Wolfgang Luther, Anja Ditfeld

Dank gilt der VDI Gesellschaft Bautechnik und der Architektenkammer NRW für die
Unterstützung bei der Organisation der Tagung sowie einer Vielzahl von Experten, die
wertvolle inhaltliche Beiträge und Anregungen geliefert haben.

Zukünftige Technologien Nr. 62
Düsseldorf, im April 2006
ISSN 1436-5928

Für den Inhalt zeichnen die Autoren verantwortlich. Die geäußerten Auffassungen
stimmen nicht unbedingt mit der Meinung des Bundesministeriums für Bildung und
Forschung überein.

Außerhalb der mit dem Auftraggeber vertraglich vereinbarten Nutzungsrechte sind alle
Rechte vorbehalten, auch die des auszugsweisen Nachdruckes, der auszugsweisen oder
vollständigen photomechanischen Wiedergabe (Photokopie, Mikrokopie) und das der
Übersetzung.

Titelbild:
links oben: Superhydrophobe Beschichtung (Quelle: BASF AG)
rechts oben: Spherion Düsseldorf (Quelle: Deilmann Koch)
links unten: Aerogel-Fensterscheibe (Quelle: Design inSite)
rechts unten: LED beleuchtete Aussenfassade (Quelle: Park Hotel Weggis, Schweiz)
Zukünftige Technologien Consulting (ZTC)
der VDI Technologiezentrum GmbH

Graf-Recke-Straße 84
40239 Düsseldorf

Die VDI Technologiezentrum GmbH ist im Auftrag und mit Unterstützung des
Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) tätig.

5
Vorwort

Die Nanotechnologie ist eine Querschnittstechnologie mit weit reichendem Zukunftspo-
tenzial, die in nahezu alle Bereiche der Naturwissenschaft und Technik eindringen wird.
Auf der Nanometerskala verschwimmen die klassischen Grenzen zwischen wissen-
schaftlichen Disziplinen der Physik, der Chemie und der Biologie. Für eine Vielzahl
wichtiger Industriebranchen in Deutschland, wie Automobilbau, Chemie, Pharma, Ma-
schinenbau, Informationstechnik oder Optik, hängt die künftige Wettbewerbsfähigkeit
ihrer Produkte wesentlich auch von der Erschließung des Nanokosmos ab. Gerade in
diesen Branchen, die einen hohen Anteil sowohl der Bruttowertschöpfung in Deutsch-
land als auch des Exporterfolges deutscher Firmen ausmachen, lassen sich langfristig
wirtschaftliche Erfolge auf den Weltmärkten nur durch einen Innovationsvorsprung und
einer Technologieführerschaft gegenüber den konkurrierenden Nationen und Wirt-
schaftsregionen erzielen.
Doch nicht nur in High-Tech-Branchen bietet die Nanotechnologie weit reichende In-
novationspotenziale. Auch konventionelle Branchen, die als veraltet und wenig zeitge-
mäß gelten wie der Bausektor, können wesentlich von nanotechnologischen Innovatio-
nen profitieren. Angesichts der strukturellen Krise der Bauwirtschaft in Deutschland ist
es gerade jetzt erforderlich, die Wettbewerbsfähigkeit durch technologische Innovatio-
nen zu verbessern, die das Bauen schneller, flexibler, besser, nachhaltiger und kosten-
günstiger machen können. Zur Ausschöpfung der nanotechnologischen Innovationspo-
tenziale ist es wichtig, die Spezifika und Rahmenbedingungen technologischer Entwick-
lungen im Bausektor zu erörtern und einen Branchendialog mit Wissenschaftlern und
Praktikern aus den Bereichen Nanotechnologie, Architektur und der Bauwirtschaft zu
initiieren.
Diesem Zweck diente die vom BMBF geförderte Fachtagung Nanotecture 2006, die am
24. Januar 2006 in Düsseldorf stattfand. Thematisiert wurden Anwendungen der Nano-
technologie in Architektur und Bauwesen vor einem Fachpublikum mit 120 Teilneh-
mern. Hierbei wurde die ganze Breite der Nanotechnologieanwendungen im Bauwesen
deutlich gemacht, die von funktionalen Fassadenoberflächen, Brandschutzbeschichtun-
gen, verbesserten Baustoffen und Isolationsmaterialien bis hin zu neuartigen Beleuch-
tungstechniken und Effizienzsteigerungen in der Solar- und Brennstoffzellentechnologie
reichen.
Mit der vorliegenden Publikation werden die Ergebnisse der Fachtagung Nanotecture
2006 dokumentiert und ein Überblick über aktuelle Entwicklungen und Einsatzmög-
lichkeiten der Nanotechnologie im Bausektor gegeben.

Dr. Dr. Axel Zweck
Abteilungsleiter Zukünftige Technologien Consulting
der VDI Technologiezentrum GmbH

7
Inhaltsverzeichnis

1 EINLEITUNG 9
2 TAGESORDNUNG 15
3 VORTRÄGE 17
3.1 Nanotechnologie-Projekte und Programme des BMBF 17
3.2 Was ist Nanotechnologie? 21
3.3 Nanotechnologie – Innovationspotenziale im Baubereich 29
3.4 Anwendung von transluzenten und opaken nanostrukturierten
Wärmedämmstoffen in Gebäudefassaden 55
3.5 Silica-Acrylat-Nanokomposit-Dispersionen – Eine Innovation im
Bereich wässriger Beschichtungen 65
3.6 Nanobeschichtungen für Architektur- und Solargläser –
Smart Glazings 73
3.7 Brandschutz und Isolation mit Nanotechnologie 87
3.8 Nanotechnologie im Bauwesen – Grundlagen für Innovationen 101
3.9 Ausbildung von Nanostrukturen in innovativen Mörtelsystemen 117
3.10 Anwendungsmöglichkeiten photokatalytischer Beschichtungen
im Bereich von Gebäudefassaden 127
3.11 ccflex – Multifunktionale flexible Keramik durch Nanotechnologie 137
3.12 Nanotechnologie für dekorative und funktionelle Beschichtungen
auf Betondachsteinen und Ziegeln 141
3.13 Organische Leuchtdioden (OLED): Nanoschichtsysteme als
neuartige Lichtquelle 149
3.14 Hochtemperatur-Brennstoffzelle: Leistungssteigerung durch
Nanoschichten 161
3.15 Farbstoffsolarzellen 167
4 ZUSAMMENFASSUNG 177
4.1 Anwendungsbereiche der Nanotechnologie 177
4.2 Firmen und Forschungsinstitutionen 180
5 TEILNEHMERLISTE 183

9
1 EINLEITUNG
Die Nanotechnologie gilt weltweit als eine der Schlüsseltechnologien des
21. Jahrhunderts. Für eine Vielzahl wichtiger Industriebranchen wie Au-
tomobilbau, Chemie, Pharma, Informationstechnik oder Optik hängt die
künftige Wettbewerbsfähigkeit ihrer Produkte wesentlich auch von der
Erschließung des Nanokosmos ab. Die Nanotechnologie eröffnet dabei
neue Marktchancen durch die Realisierung kleinerer, schnellerer, leis-
tungsfähigerer und „intelligenterer“ Systemkomponenten für neue Pro-
dukte mit deutlich verbesserten und zum Teil gänzlich neuartigen Funk-
tionalitäten. Doch nicht nur in Hightechbranchen wie der Elektronik und Auch Low-Tech-
der Medizintechnik sondern auch in konventionellen Industriezweigen Branchen wie der
Bausektor profitie-
wie dem Bausektor bietet die Nanotechnologie erhebliche Innovationspo-
ren von nanotech-
tenziale. Die Wettbewerbsfähigkeit der Bauwirtschaft könnte durch na-
nologischen Innova-
notechnologische Innovationen, die das Bauen schneller, flexibler, bes- tionen
ser, nachhaltiger und kostengünstiger machen, signifikant gestärkt wer-
den. Insbesondere die Bereiche Energie, effizientes Bauen und die Alt-
baumodernisierung, die mit ca. 115 Milliarden Euro Umsatz in Deutsch-
land bereits über die Hälfte des jährlichen Bauvolumens ausmacht, könn-
ten wesentlich von nanotechnologischen Innovationen profitieren und
Impulse für eine nachhaltige Stärkung der Braubranche mit ihren derzeit
ca. 700.000 Arbeitsplätzen in Deutschland setzen.
Auf internationaler Ebene gibt es nur eine begrenzte Anzahl an Initiati-
ven und Projekten, die Anwendungen der Nanotechnologie im Bausektor
adressieren. In wenigen Ländern gibt es Aktivitäten und Institutionen, die
sich auf diesen Bereich fokussieren. Zu nennen sind hier beispielsweise
das nanohouse-Projekt des australischen Institute for Nanoscale Techno-
logy1, das NANOC (Centre for Nanomaterials Applications in Construc-
tion) in Spanien2 sowie das NANOCOM (Scottish Centre for Nanotech-
nology in Construction Materials) der University of Paisley in Großbri-
tannien3. Fachtagungen zu diesem Thema sind relativ spärlich gesät. Als Anwendungen im
Beispiel kann hier das „International Symposium on Nanotechnology in Bausektor werden
von öffentlichen
Construction“ genannt werden, das 2003 in Schottland und 2005 in Spa-
Nanotechnologie-
nien durchgeführt worden ist. Ansonsten werden Nanotechnologie-
programmen bislang
Entwicklungen als Randthema von Konferenzen und Fachtagungen bei- selten adressiert
spielsweise im Bereich der Beschichtungstechnologie thematisiert. In
Deutschland spielt der Bausektor eher eine untergeordnete Rolle in den
nationalen Nanotechnologie-Förderschwerpunkten. Einige vereinzelte
BMBF geförderte Projekte sind in den Bereichen innovative Fassaden-
elemente durch Mikrostrukturierung und funktionale Oberflächen sowie
im Bereich Nanomaterialien für den Einsatz als Bauzusatzstoffe durchge-
führt worden.
Die folgende Abbildung gibt einen Überblick zur Kategorisierung des
Themas Nanotechnologie im Bausektor nach Zielsetzungen, Segmenten

1 http://nano.uts.edu.au/nanohouse.html
2 http://www.nanoc.info/index.html
3 http://www.nanocom.org
10 Nanotechnologie in Architektur und Bauwesen

und Anwendungsfeldern im Bausektor sowie nanotechnologischer Inno-
vationen in diesem Bereich.

Funktionalität
Werterhaltung Sicherheit
Effizienz Design/Ästhetik Umweltschutz
Gebäudebau Korrosionsschutz/ Brand-/Flammschutz
(Büro-/Fabrik-/Wohnungsbau) Funktionale Verglasung/Verscheibung
•Holzbau Oberflächenfunktionalisierung/-finishing
(Easy-to-clean, Selbstreinigung, Antibakteriell, -fouling,
•Fassadenbau
-graffiti, Dekorative Schichten, UV-Schutz)
•Innenausbau ..
Fassadenaufbau/Wärmeisolierung/Klimatisierung
Altbausanierung
Beleuchtungstechnik
Denkmalschutz
Energietechnik (Photovoltaik, Brennstoffzelle)
Energieanlagenbau Sensorik, Intelligentes Haus/Infotainment
Verkehrsanlagen-/Straßenbau Konstruktionstechnik, Leichtbau
•Nano-Polymerkomposite(z. B. Brandschutz) • CNT-Komposite, • Nano-Stähle
• Nanobeschichtungen(u. a. Sol-Gel-Basis) • NanoporöseMaterialien (u. a. Aerogele)
• Farbstoffsolarzellen • Photokatalytische Beschichtungen • Optische Schichten und
Effekte • Nanolacke • Nanoklebstoffe• NanopartikuläreBindemittel • Nano-Beton•
Nano-Optoelektronik(OLED, LED etc.) • Flexible Keramische Folien • FuelCells
Überblick zu Anwendungspotenzialen der Nanoechnologie im Bausektor

Einen Schwerpunkt der Nanotechnologie-Anwendungen im Bauwesen
bildet die Funktionalisierung der Oberflächen von Gebäude-Innen- und
Außenfassaden. Nanotechnologie schützt die Gebäudehüllen vor Korro-
sion, Verunreinigungen durch Schmutz, biologische Anhaftungen oder
Graffiti oder sorgt für ein ansprechendes Design durch spezielle Farb-
Funktionalisierung
von Fassadenflä- effekte. Eines der gängigsten Beispiele ist die Hydrophobisierung von
chen ist ein An- Fassadenoberflächen, die häufig auf Beschichtungen mit fluor- bzw. sili-
wendungsschwer-
konhaltigen Verbindungen basiert. Hydrophobe Schichten weisen was-
punkt der Nano-
serabweisende Eigenschaften auf, so dass Wasser auf diesen Schichten
technologie im
abperlt und dabei auf der Oberfläche anhaftende Schmutzpartikel abspült.
Bauwesen
Durch zusätzlich eingebrachte Nanopartikel können weitere Funktionen
erzielt werden wie extrem hohe Abriebbeständigkeiten, permanenter
Schutz vor ultravioletter oder Infrarotstrahlung, antimikrobielle Eigen-
schaften oder neuartige dekorative Farbeffekte. Hydrophobe Oberflächen
sind im Bausektor von großer Bedeutung, da sich mit ihnen Funktionali-
täten von Fassadenoberflächen wie z. B. Antischmutz-, Antifouling-,
Antigraffiti- oder Antikorrosions-Eigenschaften erzielen lassen. Die wirt-
schaftliche Bedeutung derartiger Oberflächenfunktionalisierungen ist
enorm. Allein die Bauschäden, die durch anhaftende Mikroorganismen