Vollständiger Verzicht auf PFAS nicht in Sicht
Alternativen gesucht: Angesichts des drohenden Verbotes gibt es große Entwicklungsanstrengungen
In Europa treibt ein Schreckgespenst alle Industriebranchen um: Das völlige Verbot von PFAS. Da, wo es möglich ist, haben einige Unternehmen vorausschauend reagiert und Alternativen entwickelt. In der Elektronikindustrie gibt es bereits Möglichkeiten, zumindest teilweise auf die umstrittenen Substanzen zu verzichten.
Sie sind wasser-, schmutz- und fettabweisend zugleich. Sie können hohen Temperaturen widerstehen. Sie bilden äußerst glatte Gleitschichten. Und sie sind chemisch so stabil, dass sie praktisch nicht mit Stoffen in ihrer Umgebung reagieren. Diese und noch weitere Eigenschaften, in einem einzigen Stoff vereint, macht die Tausenden von per- und polyfluorierten Alkylsubstanzen (PFAS) so beliebt. Entsprechend zahlreich sind die Anwendungsfälle. In der Natur kommen sie nicht vor, alle PFAS sind vom Menschen hergestellt.
Vorteile der PFAS werden in der Umwelt zum Problem
Die beliebten Eigenschaften der PFAS können allerdings zum Problem werden, sobald sie in die Umwelt gelangen und nicht mehr unter Kontrolle sind. Denn weder Luft, Wasser, Sonnenlicht noch Bakterien können diesen Molekülen etwas anhaben. Sind PFAS erst einmal in der Umwelt, bleiben sie dort auch und reichern sich an. Zudem verteilen sie sich weltweit, sogar in den Polarregionen wurden sie schon gefunden.
Einige PFAS gelangen auch in Organismen und über die Nahrungskette bis in den menschlichen Körper. Und auch wenn über die Stoffgruppe insgesamt vergleichsweise wenig bekannt ist, wurden in den vergangenen Jahren bei bestimmten PFAS gesundheitsschädliche Wirkungen nachgewiesen.
Doch während die Nachteile von PFAS erst allmählich klar werden, haben die Stoffe in der Industrie eine ganze Reihe von Anwendungsfeldern erschlossen. Entsprechend deutlich war die Reaktion der Verbände, als das Umweltbundesamt zusammen mit anderen Behörden einen Vorschlag zur Beschränkung von PFAS bei der Europäischen Chemikalienagentur ECHA eingereicht hat. Die deutschen Industrieverbände haben sich klar positioniert.
„Ohne detaillierte Bewertung sollen im Rahmen eines Verfahrens mehrere tausend Stoffe mit unterschiedlichsten Eigenschaften pauschal verboten werden“, kritisiert etwa der Bundesverband der Deutschen Industrie (BDI). Mit dem Wegfall von mehreren tausend PFAS könnten jedoch viele dringend benötigte Anwendungen nicht mehr in der EU hergestellt werden. „PFAS sind aufgrund ihrer spezifischen Eigenschaften gerade im Bereich der Zukunftstechnologien von großer Bedeutung“, verdeutlicht der BDI weiter. Der Zentralverband Oberflächentechnik (ZVO) kritisiert vor allem, dass der bisherige, risikobasierte Ansatz für ein Verbot von Stoffen nun einem gefahrenbasierten Ansatz weichen soll. Damit könnten ganze Stoffgruppen mit einem Federstrich verschwinden. Des Weiteren bemängelt der Verband: „Zugrundeliegende Emissionsszenarien bezeichnen Fachleute als bestenfalls geschätzt, als weder wissenschaftlich noch mathematisch nachvollziehbar.“
Elektronikindustrie setzt bisher stark auf PFAS
Gerade in der Elektronikindustrie haben sich die PFAS gut etabliert. Dies betrifft sowohl oberflächentechnische als auch andere Anwendungen. Sie finden sich zum Beispiel als Beschichtung auf gedruckten Leiterplatten zum Schutz gegen Wärme, Feuchtigkeit und Staub. Eingesetzt werden sie auch in Kondensatoren, akustischen Geräten, Displays, oder Kabelummantelungen. In Solarpaneelen schützen mehrere Fluorpolymere vor Staub, Korrosion, UVStrahlen und anderen Wettereinflüssen. Bei elektronischen Geräten wie Smartphones oder Tablets werden Fluorpolymere wie PVDF (Polyvinylidenfluorid) zu Oberflächen hinzugefügt, die sich dann mittels Strahlungshärten reparieren lassen.
Auch in der Elektronikproduktion spielen die umstrittenen Stoffe eine wichtige Rolle. PFAS sind in einigen Lösemitteln und Reinigungsflüssigkeiten für die empfindliche Elektronik enthalten. Als Additive bilden sie unter anderem eine nicht-brennbare Dampfsperre. Zudem sorgen sie dafür, dass der Flammpunkt der Lösemittel reduziert wird und entfernen Lösemittelreste.
Verglichen mit wässrigen Reinigungsverfahren und den dafür notwendigen Stoffen haben fluorierte Lösemittel den Vorteil, dass sie unter anderem die Ozonschicht nicht schädigen, ein niedriges Erderwärmungspotenzial haben und eine niedrige Oberflächenspannung aufweisen. Dennoch haben Chemieunternehmen wie Zestron oder Kyzen Corporation bereits eine Reihe von Reinigern für die Elektronikproduktion entwickelt, die ohne PFAS auskommen. Auch modifizierte Alkohole können je nach Anwendungsfall eine Alternative sein. Oder man setzt auf Reinigungsverfahren ohne Flüssigkeiten wie das CO2-Schneestrahlen.
Erste PFAS-Alternativen in der Elektronikproduktion
Daneben dienen PFAS-haltige Flüssigkeiten in der Elektronikproduktion auch als Trägermittel für das Aufbringen von Beschichtungen, Adhäsiven oder Schmiermitteln, wenn nicht gar als Schmiermittel selbst.
Die Flüssigkeiten werden wegen ihrer niedrigen Oberflächenspannung geschätzt, außerdem wegen ihrer Eigenschaften zum schnellen Trocknen und ihrer Fähigkeit, unterschiedliche Schmiermittel und Adhäsive zu lösen. Sie werden als umweltfreundlich vermarktet, weil sie kein Ozon abbauen und weniger giftig als Alternativen wie Trichlorethen (TCE), Methylenchlorid oder Toluol sind. Bei elektronischen Geräten wie Smartphones oder Tablets werden Fluorpolymere wie PVDF (Polyvinylidenfluorid) zu Oberflächen hinzugefügt, die sich dann mittels Strahlungshärten reparieren lassen. Als Schutz gegen Feuchtigkeit und Staub wurden bei elektronischen Apparaten wie Smartphones und Hörgeräten auch PFAS-Nanobeschichtungen mit pulsierten Plasmaverfahren aufgetragen. Diese Beschichtungsverfahren kommen dann ohne Lösemittel und flüchtige organische Verbindungen (VOCs) aus. Das Unternehmen P2i bietet für diese Auftragsverfahren jedoch andere Beschichtungsmaterialien ohne Halogene und PFAS an. Zusätzlich gibt es die Möglichkeit, auf andere Prozesse zum Aufbringen hydrophober Beschichtungen auszuweichen. Werkstoffe hierfür sind zum Beispiel Epoxidharz, Urethan, Acryl, Silikon oder Parylen.
Schließlich kommen noch in der Halbleiterherstellung PFAS an zahlreichen Stellen zum Einsatz: Für die Photolithographie, als Additive in Entwicklungslösungen, in Spülflüssigkeiten, beim Ätzen oder als Komponenten. Auch die Ausrüstung zur Halbleiterproduktion wird gerne mit PFAS beschichtet, wenn sie chemisch beständig gemacht werden soll. „Für bestimmte industrielle Anwendungen, beispielsweise in der Halbleiterindustrie, ist der Einsatz von PFAS derzeit alternativlos“, erläutert auch eine Sprecherin der Bosch-Gruppe auf Anfrage des Magazins für Oberflächentechnik.
Manche Unternehmen wenden sich von PFAS ab
Andere Unternehmen haben dagegen schon auf PFAS verzichtet oder planen dies zumindest. Der US-amerikanische Apple-Konzern hat bereits 2010 angekündigt, keine PFAS in seinen Produkten mehr einzusetzen und diese Ankündigung seit 2013 umgesetzt. Informationen, ob und wie in den Produktionsprozessen noch PFAS eingesetzt werden, waren von Apple jedoch nicht zu erhalten. Unter den Chemieherstellern hat 3M, ebenfalls in den USA ansässig, angekündigt, bis Ende 2025 aus diesen Stoffen auszusteigen. Der Konzern will bis dahin sowohl selbst keine PFAS mehr produzieren als auch in seinen Produkten auf PFAS verzichten. Zugleich sichert 3M seinen Kunden zu, sie bei einem geordneten Übergang zu unterstützen. Der Verzicht auf PFAS ist dabei nicht nur etwas für Großkonzerne. Auch die Schweizer Cicor AG arbeitet daran und hat bereits Erfolge erzielt. Für den Anbieter von kundenspezifischen Elektroniksystemen, Komponenten und elektronischen Geräten erläutert Karl-Heinz Fritz, Vice President Technology & Development, den Einsatz und die Substitution von PFAS in unterschiedlichen Anwendungen. „In einem Teil der Materialien, die in der Schaltungsherstellung und der Beschichtung von bestückten Leiterplatten eingesetzt werden und wurden, waren und sind PFAS eingesetzt“, sagt er auf Anfrage unserer Redaktion. Viele dieser Materialien habe Cicor bereits substituiert.
„Die von uns hergestellten Dünnschichtschaltungen sind PFAS-frei und erfüllen bereits die zukünftigen Vorgaben. Wir stehen in Kontakt mit unseren Materiallieferanten um in Zukunft die verbliebenen PFAS zu ersetzen“, berichtet Fritz weiter. Die als Zusätze verwendeten PFAS dienen nach seinen Worten hauptsächlich der Erhöhung der Temperatur- und Chemikalienbeständigkeit. Zusätzlich würden Produkte weniger empfindlich gegen Feuchtigkeit und sind wasserabweisend.
In oberflächentechnischen Prozessen hat Cicor in der Vergangenheit PFAS zum Beispiel als Netzmittel in chemischen Prozessbädern eingesetzt, hauptsächlich aufgrund ihrer relativen Temperaturunempfindlichkeit. „Ein weiterer Einsatzbereich sind Lötstopplacke und Beschichtungsmaterialien“, erläutert Fritz. Hier ist der Hauptgrund die Chemikalien und Feuchtigkeitsbeständigkeit, zusätzlich verbessern die Zusätze die mechanischen Eigenschaften.
Alternativen werden gemeinsam in der Lieferkette entwickelt
„In Plattierungsbädern kommen keine PFAS mehr zum Einsatz, diese wurden von unseren Zulieferern bereits in der Vergangenheit durch Alternativsubstanzen ersetzt“, berichtet der Vice President Technology & Development von Cicor weiter. Das gilt ebenso für Beschichtungsmaterialien und Lötstopplacke. Für solche Vorhaben ist allerdings eine sehr vertrauensvolle Zusammenarbeit in der Lieferkette notwendig. „Wir arbeiten mit Sublieferanten zusammen, die uns Chemikalienzubereitungen oder -mischungen, Lacke und Beschichtungsmaterialien liefern. Die Rezepturen dieser Produkte sind Eigentum des Herstellers und uns als Anwender sind diese in der Regel nicht im Detail bekannt“, sagt Fritz. Cicor arbeite mit den Lieferanten zusammen, um sicherzustellen, dass die alternativen Substanzen alle relevanten Anforderungen erfüllen. Doch es funktioniert: In der Produktion waren nur punktuell Anpassungen von Prozessparametern nötig, um die Produkteigenschaften möglichst unverändert zu lassen. „Dies ist uns bisher in allen Fällen gelungen“, macht Fritz Mut zu Veränderungen.
SI
Definition: Was sind PFAS?
Die per- und polyfluorierten Alkylsubstanzen (PFAS) haben als organische Stoffgruppe seit Ende der 1990er Jahre immer mehr Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Die Fachdiskussion darüber wurde anfangs erschwert, weil keine einheitliche Definition für diese Stoffe vorlag. Deshalb hat die Organisation für wirtschaftliche Zusammenarbeit und Entwicklung (OECD) im Jahr 2021 eine solche Definition, auch als Grundlage für eigene Untersuchungen erstellt: Danach sind PFAS als Substanzen definiert, die mindestens ein vollständig fluoriertes Methyl- oder Methylen-Kohlenstoffatom (also ohne angebundenes Wasserstoff-, Chlor-, Brom- oder Iodatom) enthalten. Das heißt, alle Chemikalien (bis auf wenige, festgestellte Ausnahmen), die mindestens eine perfluorierte Methylgruppe (-CF3) oder perfluorierte Methylengruppe (-CF2-) enthalten, sind PFAS. Mit dieser Definition arbeitet auch die Europäische Chemikalienagentur ECHA. In den USA verwendet die Umweltbehörde EPA eine etwas andere Definition: Demnach sind PFAS Moleküle, die in einer Verbindung mit R-CF2-CFR’-R’‘ enthalten sind. R, R’ und R’‘ stehen dabei für jede beliebige Alkylgruppe außer Wasserstoffatomen.