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July 2023
Conference Paper
Titel
Organische Modifikation von Schichtsilicaten zum Einsatz als Barrierepigment in Lacksystemen
Abstract
Die Korrosion von Bauteilen verursacht einen jährlichen Gesamtschaden von etwa 4 % des BIP. Umgerechnet für das Jahr 2021 sind dies in Deutschland alleine rund 142 Milliarden Euro. Somit steht Korrosion als Schadensursache gleichranging mit dem Materialversagen durch Verschleiß [1, 2].
Zum Schutz von Bauteilen sind funktionelle Beschichtungen und die enthaltenen Barrierepigmente ein unerlässlicher Teil des Korrosionsschutzes. Die dabei häufig verwendeten Schichtsilicate erzielen in ihrer reinen Form oft einen nicht ausreichenden Effekt zum vollständigen Schutz von Bauteilen. Die Barrierewirkung der Silikate kann hingegen durch eine gezielte organische Modifizierung deutlich verbessert werden. Wird die Wirkung kommerzieller Silikate mit modifizierten Varianten verglichen, so zeigen die unmodifizierten Silikate eine Verbesserung der Barriere von circa 20%. Im Gegensatz dazu erzielen die präparativ hergestellten Pigmente eine Verbesserung von bis zu 80% [3]. Die in diesen Lacken benutzen Schichtsilicate wurden als Barrierepigment zur Verlängerung des Diffusionsweges und damit zur Verbesserung der Barriere-Eigenschaften eingesetzt [4]. Dabei hat die Exfolierung und Orientierung der Silicate einen entscheidenden Einfluss auf die spätere Funktionalität der Barriere. Auf Grund der Vielzahl von Lacksystemen und der dazugehörigen Bindemittel-Klassen sollen die Silicate gezielt auf das jeweilige Polymer abgestimmt und mit reaktiven Gruppen modifiziert werden, damit so eine verbesserte Verträglichkeit und ein gezielter Einbau in das System ermöglicht wird. Die hergestellten Filme, bestehend aus einer Polymer-Matrix mit eingearbeitetem Schichtsilicat, wurden auf die Ausrichtung und Anordnung der Pigmente und die daraus resultierende Barrierewirkung untersucht. Die Charakterisierung der Beschichtungen erfolgte mit Hilfe der Rasterelektronenmikroskopie (REM) und der Fourier-Transformation-Infrarotspektroskopie (FTIR). Die Aufweitung der Schichten und die Anlagerung der organischen Moleküle wurden mit Hilfe von Röntgendiffraktometrie (XRD) und Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) untersucht. Die Barriereeigenschaften konnten mit Wasserdampfdurchlässigkeiten und Sauerstoffpermeationsraten ermittelt werden. Die zunächst auf Folie applizierten Schichten erzielten dabei im Vergleich zur unbeschichteten Folie eine deutlich reduzierte Permeationsrate für Wasserdampf und Sauerstoff. Ein weiterer Ansatz ist die Vorstellung einer Wasserstoff-Permeationsbarriere für Kunststofftanks, basierend auf einer anderen Klasse von Barrierepigmenten. Hier konnte die Permeation von H2 durch eine Polymerfolie um mehr als eine Größenordnung reduziert werden.
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Functional coatings and the barrier pigments they contain are an indispensable part of corrosion or product protection. The frequently used layered silicates in their pure form often do not achieve a sufficient protection of the components or products. The barrier effect of the silicates can be significantly improved through targeted organic modification. The general use of commercial (unmodified) silicates leads to an im-provement in the barrier of about 20 %. In contrast, the use of modified silicates achieves an improvement of up to 80 % [1], due to the extent of the diffusion path [2]. Decisive for the diffusion path and therefore for the subsequent functionality of the barrier is the exfoliation and orientation of the silicates, which depends on the compatibility with the coating system. Due to the large number of coating systems and the associated binder classes, the silicates should be specifically adapted to the respective polymer by being modified with reactive groups, which represents the main focus of this work. As a first polymer system an epoxy matrix was chosen. Thus, commercial silicates were modified by an epoxy-oligomer matrix based on 1,4-butanediol diglycidyl ether. The produced silicates were examined with the aid of scanning electron microscopy (SEM) and Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR). The expansion of the layers and the attachment of the organic molecules were investigated using X-ray diffraction (XRD) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS).
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