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Schlussbericht zum IGF-Vorhaben SelfRepCoat - Selbstreparierende Beschichtungen zur Verlängerung der Nutzungsdauer von hochbelasteten Composit- und Stahlobjekten

 
: Wanner, Matthias; Schreiner, Claus; Mayer, Christian

Stuttgart, 2016, 93 pp.
German
Report
Fraunhofer IPA ()
Fraunhofer IFAM ()
Beschichten; Schutzschicht; Selbstreparatur; Lack; nano coating

Abstract
Innerhalb des durchgeführten Forschungsprojekts wurden zunächst nano- und mikroskalige partikuläre Beschichtungsadditive entwickelt, deren Funktion darin bestehen sollte, im Fall einer mechanischen Verletzung der Beschichtung diese entweder wieder zu heilen oder die hierdurch entstandene Korrosionsschutz-Schwachstelle wieder zu stabilisieren.
Ersteres wurde durch Erzeugung von nano- und mikroskaligen Kapseln betrieben, die in flüssiger Form entweder das Bindemittel oder den Härter enthielten. Die Nano- bzw. Mikroverkapselung der beiden Komponenten erforderte erwartungsgemäß den Einsatz unterschiedlicher Verkapselungsmaterialien und -techniken, da aufgrund der Reaktivität der beiden Komponenten nur ausgewählte Verkapselungsmaterialien zum Einsatz kommen können. Weiterhin müssen die Kapseln hinreichend stabil aber auch ausreichend fragil sein um einerseits den Beanspruchungen des Applikationsvorgangs standzuhalten, andererseits bei Eintritt des mechanischen Defekts zu brechen. Das gewünschte Verhalten konnte erzeugt werden; der Selbstheilungseffekt wurde nachgewiesen. Allerdings kann bei massiveren mechanischen Verletzungen in der Regel mit dem aus den Härter/Bindemittelkapseln im Defekt generierten Matrixvolumen kein vollständiger Verschluss des Defekts erreicht werden, solange die Beschichtungsmatrices nicht in sehr hohem Anteil mit diesen Kapseln ausgestattet werden.
Deutlich geringere Matrixvolumina müssen für den wirkungsvollen Einsatz von Nanocontainern vorgesehen werden. Diese können entweder mit flüssigen kommerziellen Korrosionsinhibitoren oder mit antikorrosiv wirkenden Kationen beladen werden. In der letzteren Variante hat sich hiervon besonders die mit Ca2+ beladene Montmorillonite-Variante bewährt, die erheblich zur Verbesserung der Substrathaftung beitrug, deren Einsatz jedoch zum Teil erhebliche Barriereverminderung in der umgebenden Matrix verursachte.
Nach einem Screening-Verfahren wurden aus einer Vielzahl kommerziell erhältlicher Korrosionsinhibitoren diejenigen ausgewählt, bei denen aufgrund ihrer Wirksamkeit und Verträglichkeit mit den Verkapselungsstoffen voraussichtlich Aussicht auf erfolgreichen Einsatz in Kapseln bestand. Diese wurden nach unterschiedlichen Verfahren mit verschiedenen Verkapselungsstoffen umgesetzt und auf Applikationsbeständigkeit und Agglomerationsresistenz untersucht. Die aussichtsreichen Chargen wurden der Einarbeitung in eine Primer-Richtrezeptur zugeführt. Nach deren Applikation wurden Korrosionstest mit und ohne definierte Verletzung ausgeführt und die Ergebnisse bewertet. Eine quantitative Bewertung erfolgte auf der Grundlage der elektrochemischen Impedanzspektroskopie (EIS), aus deren Daten nach Identifizierung geeigneter Ersatzschaltbilder spezifische Aussagen zum Barriereerhalt, zur Wasseraufnahme, zur Delaminations- und Korrosionsresistenz möglich wurden.
Es zeigte sich, dass insbesondere größere Kapseln zwar in erheblichem Umfang Defektkorrosion inhibieren, dass sie aber zugleich die Haftfestigkeit der Beschichtung zum Substrat herabsetzen, offenbar weil ihre Anwesenheit in der Substrat/Beschichtungs-Grenzschicht dort die Matrix signifikant verdrängt. Da die Nanocontainer offenbar mit gegensätzlichen Eigenschaften ausgestattet sind, wurde abschließend der Versuch unternommen, die Primerschicht aus einer dünnen unteren Schicht, die ausschließlich delaminationsvermindernde Nanocontainer enthält, und einer dickeren oberen Schicht, die ausschließlich nicht signifikant barrierevermindernde, inhibitorhaltige Kapseln enthält, zusammenzusetzen. Es wurde festgestellt, dass ein solcher, zweigeteilter Aufbau zumindest in manchen Fällen deutliche Performanceverbesserungen liefert. Das Projektziel wurde erreicht.

 

The described project aimed at working out the general rules for the development of efficient and long lasting organic protective coatings, based on the principle of a self‐healing. The starting point was the development of microcapsules, which can act as healing agents after their mechanical damage and release of a healing agent, both for the repair of the mechanical damage of the coating matrix as well as for the corrosion inhibition of the metal surface.
Since at places of a local damage the degradation of coatings is initiated, the early reaction on this damage and a repair action can stop the propagation of the damage, prevent the premature failure and induce a post‐damage period of a recovered full protection. The corrosion inhibition at injured places of coatings and anticorrosion self‐healing effects were realized by the use of both anticorrosion nanoreservoirs and anticorrosion microcapsules. The nanoreservoirs, based on intercalated clay particles, are foreseen for the early reaction on the corrosion prevention by diffusing water and ions through the coating. Due to the ion exchange, active species will be relatively quickly released on demand from the nanoreservoirs in order to protect the metal. Should it come to mechanical damage or development of cracks in the matrix, the anticorrosion microcapsules will be also damaged and the anticorrosive species will be released from their content. The microcapsules start a rather long term protection of a metal substrate, connected with a continuous and durable transport of active species to the substrate for its passivation and corrosion protection. Different active species were applied both for the corrosion protection of mild steel and Al alloys.
The partner institutes of the Walloon region (BE) were specifically focused on the protection of aluminium alloys substrates. Materia Nova was in charge of the synthesis of nanoclay-based inhibitor nanoreservoirs. UMONS-SDM was studying the dispersion of nanoreservoirs, nanocontainers and microcapsules in clear-coat formulation and the self-healing potentialities of each and CoRI was in charge of the complete formulation of the primer and top-coat.
For the self‐healing of the coating matrix, special nanocapsules and microcapsules were developed. They are foreseen for a broad spectrum of fine and/or coarse mechanical as well as aging related damages of the coating and become active on demand, depending upon the kind and dimension of the coating damage.

: http://publica.fraunhofer.de/documents/N-404781.html