Auf der Suche nach dem PFAS-Ersatz

Das drohende PFAS-Verbot verunsichert nicht nur die Industrie, auch Verbraucher sind aufgeschreckt. Immerhin können sich Teflonbeschichtungen in Bratpfannen gesundheitsschädlich auswirken – wenn man sie unsachgemäß behandelt. So ist es nur folgerichtig, dass PFAS-Alternativen hoch im Kurs stehen.

Der Kunststoff Polytetrafluorethylen (PTFE), besser unter dem Markennamen Teflon bekannt, ist als Antihaftbeschichtung für Bratpfannen, Backformen und Küchengeräte wie Backautomaten, Sandwichmaker, Waffeleisen oder Raclettgeräte beliebt. Der Grund: Die Lebensmittel kleben nicht am Kochgerät fest, das vereinfacht die Benutzung auch für ungeübte Anwender. Allerdings verkratzen PTFE-Oberflächen relativ leicht. Und auch die Vergangenheit hat den Ruf dieser Beschichtung angekratzt:

Zur Herstellung wurde die mittlerweile verbotene Perfluoroktansäure (PFOA) verwendet, inzwischen dienen ADONA oder HFPO-DA als Ersatzstoffe. Prinzipiell könnten aus der Produktion noch Rückstände dieser Substanzen in der Pfanne enthalten sein.

Einige Hersteller empfehlen daher, die mit Teflon beschichtete Pfanne vor der ersten Benutzung zu spülen und mit Wasser auszukochen. Schließlich können auch giftige Dämpfe entstehen, wenn Pfannen mit PTFE-Beschichtung überhitzt werden. Laut Bundesinsitut für Risikobewertung kann dies oberhalb von 360 Grad Celsius passieren. Nicht zuletzt gehört der Stoff PTFE zu den Per- und Polyfluoralkyl-Substanzen (PFAS), und diese will die EU einschränken.

Industrie engagiert sich bei PFAS-Ersatz

Doch auch andere Beschichtungsmaterialien für Bratpfannen haben ihre Schwächen. Bei einer Keramikbeschichtung zum Beispiel kann die Antihaftwirkung schnell nachlassen. Doch das drohende PFAS-Verbot durch die EU spornt die Beschichtungsanbieter an – nicht nur für Bratpfannen, sondern auch für andere Anwendungen.

So hat die ACS Coating Systems GmbH aus Wilhelmshaven zwei spezielle Antihaftbeschichtungen für Bratpfannen entwickelt. Die erste Beschichtung heißt Duraquarz und kombiniert Quarzkeramik (SiO2) mit dem Kunststoff Polyaryletherketon (PAEK). Dieser Kunststoff enthält kein Fluor und fällt damit auch nicht unter die Stoffgruppe der PFAS. Eine besondere Eigenschaft von PAEK wie auch der anderen Polyetherketone ist, dass die Festigkeit auch bei höheren Temperaturen erhalten bleibt.

ACS gibt für die Duraquarz-Beschichtung deshalb eine kurzzeitige Temperaturbeständigkeit bis 450 Grad Celsius an. Sie sei doppelt so dick wie herkömmliche Pfannenbeschichtungen und dadurch robuster, langlebiger sowie spülmaschinenbeständig. Hinzu komme noch ein sehr guter Korrosionsschutz. Im Vergleich zu einer Emaillebeschichtung sei Duraquarz nicht so spröde und biete einen Antihafteffekt vergleichbar mit PTFE.

Für die zweite Beschichtung namens Durapek nonstick setzt ACS den mit PAEK verwandten Kunststoff Polyetherketon (PEK) ein. Das Material wird laut Unternehmen in vier Schichten aufgebracht, ist mit 70 Mikrometer doppelt so dick wie übliche Teflonbeschichtungen und entsprechend robuster. Allerdings ist es auch fünf Mal so teuer wie PTFE, wie der Hersteller einräumt. Geeignet ist es für dauerhafte Temperaturen bis 300 Grad Celsius, dadurch lassen sich Durapek-beschichtete Pfannen auch im Ofen einsetzen. Im Vergleich zu Duraquarz habe Durapek eine höhere Verschleißbeständigkeit und sei resistent gegen die meisten Säuren und Laugen.

Beide Beschichtungssyteme werden nach Angaben von ACS in mehreren Schichten im Pulververfahren aufgetragen. Die Pulver dafür hat der Hersteller selbst entwickelt und produziert auch Compounds und Pulver selbst. Beide Beschichtungen werden auch im industriellen Umfeld verwendet, zum Beispiel für Werkzeuge, Maschinenteile, im Maschinenbau oder im Fahrzeugbau. So wurde der erste Vorgänger der heutigen Durapek-Beschichtung vor über 20 Jahren für damals neue, einlagige Zylinderkopfdichtungen entwickelt und patentiert.

Verschiedene Auftragsverfahren für die Keramikbeschichtung

Einen anderen Ansatz wählt die Ilag Industrielack AG aus Wangen in der Schweiz. Ihre Beschichtung Xeradur 3 ist ein ein- oder zweischichtiges System auf Xerogel-Basis. Bei Xerogelen handelt es sich um poröse Feststoffe mit einer netzartigen Struktur, die aus der Trocknung eines Lyogels hervorgegangen sind. Mit diesem Verfahren trägt Ilag die Keramik auf die Bratpfannen-Substrate aus gedrücktem und geschmiedetem Aluminium, Aluminium-Druckguss oder Edelstahl auf. Eine große Schichtdickenspannweite von 35 bis 60 Mikrometer mache das Produkt flexibler und zugleich stabil in der Performance. Die Einbrenntemperatur gibt der Hersteller mit 270, die Gebrauchstemperatur mit 250 Grad Celsius an. Die PFAS-freie Beschichtung biete eine sehr gute Abriebbeständigkeit und weise keine Rissbildung oder Fleckenbildung auf.

Auf ein Sol-Gel-Verfahren zum Aufbringen der Keramikschicht setzt der spanische Hersteller Umbrella Coating S.L. in Las Rozas. Dabei nutzt das Unternehmen ein vereinfachtes, zweistufiges Verfahren, bei dem ein Primer und ein Topcoat aufgetragen und jeweils bei 250 Grad Celsius für 60 Minuten gehärtet werden. Das reduziert Komplexität und Kosten der Beschichtung, und das Risiko für Fehler während des Beschichtungsprozesses. Im Ergebnis bietet die Keramikschicht namens Umbrella Metal eine höhere Wärmeleitfähigkeit als Fluorpolymer-Beschichtungen, was in der Anwendung Energie spart. Zugleich ist sie widerstandsfähiger gegen Kratzer und Abrieb; in spezifischen Versuchen erreichten die Beschichtungen eine Härte von 6H bei 200 Grad Celsius. Hinzu kommt eine Korrosionsbeständigkeit von 400 Stunden im NSS-Salznebelsprühtest.

Das Entwicklungsprojekt für Umbrella Metal war zudem mit klaren Anforderungen ins Leben gerufen worden: Prioritäten waren eine einfache Anwendung, eine Kostenreduzierung bei der Materialrückgewinnung und eine bessere Haltbarkeit als traditionelle Antihaft-Beschichtungen. Einen ausführlichen Bericht über das Schichtsystem Umbrella Metal finden Sie in der MO-Ausgabe 5-6/2024 auf den Seiten 18-21.

Forscher engagieren sich ebenfalls für PFAS-Ersatz

Wiederum eine andere Vorgehensweise haben die Forscher am Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM) in Bremen gewählt. Ihre neu entwickelte Beschichtung namens Plaslon wird mithilfe eines kalten Plasmaverfahrens aufgetragen. Ein Vorteil dieses Vorgehens ist, dass es beim Beschichten nur einen sehr geringen Verbrauch an fluorfreien Chemikalien (Siloxanchemie) gibt – fluorhaltige Chemikalien sind vollständig ersetzt. Hinzu kommt ein geringer Energieverbrauch.
Im alltäglichen Gebrauch der Bratpfannen bietet die Antihaft-Beschichtung eine ungehemmte Wärmeübertragung und eine lange Lebensdauer. Da die Plaslon-Beschichtung als Gradientenschicht ausgeführt ist, ermöglicht sie einerseits eine exzellente Haftung zum Produktkörper und andererseits optimale Antihafteigenschaften zum Bratgut. Zudem ist sie leicht zu reinigen und ähnlich hart wie Emaille mit einer Mohshärte zwischen 4,5 und 5,5 – das macht sie Schneid- und Abriebfest. Die Beschichtung ist porenfrei und geschmacksecht, da hochvernetzt, wie das Forschungsinstitut berichtet.

Darüber hinaus ist sie lebensmittelecht und zeigt bei der Ölbenetzung ein oleophiles Verhalten in Bezug auf Speiseöle und -fette. Nicht zuletzt kann man die Beschichtung mit dem Laser sehr gut strukturieren und beschichten. Als Temperaturbeständigkeit gibt das Institut bis zu 230 Grad Celsius an.

Auch die Auswahl an möglichen Substraten ist groß. Beschichtbar sind nach Angaben des Fraunhofer-IFAM Werkzeugstahl, Edelstahl, Emaille, Glas, Steingut, Steinzeug und Porzellan. Damit hat Plaslon einen Vorteil im Vergleich zu anderen Antihaftbeschichtungen, denn gerade Produkte aus Emaille, Glas, Steinzeug oder Porzellan sind zwar sehr kratzfest, weisen aber eine schlechte Antihaftwirkung auf. Die Beschichtung von Aluminium, Eisen und Kupfer ist technisch ebenfalls möglich, wie es heißt. Die Forscher empfehlen aber, sie in jedem Einzelfall zu prüfen.

Für die praktische Umsetzung verfügen die Wissenschaftler des Instituts über das Know-how, um Produkte in großen Stückzahlen wirtschaftlich veredeln zu können. Dafür bieten sich, je nach Kundenbedarf, unterschiedliche Konzepte wie XXL-Anlagen oder auch Durchlaufanlagen an.

ACS Coating Systems GmbH
acs-coating.de

Fraunhofer-Institut für Fertigungs-
technik und Angewandte Materialforschung (IFAM)
www.ifam.fraunhofer.de

Ilag Industrielack AG
www.ilag.ch

Josef Schulte-Ufer KG Metallwarenfabrik
www.schulteufer.de

Umbrella Coating S.L.
www.umbrella-coating.com