Auf dem vom Institute of Materials and Process Engineering (IMPE) der Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften (ZHAW) ausgerichteten WOT stellten Fachleute aus Industrie und Forschung aktuelle Themen, Markttrends und Entwicklungen aus den Bereichen Oberflächentechnik und Beschichtungen vor. In der begleitenden Ausstellung präsentierten Partner des Instituts neueste Produkte zur Oberflächencharakterisierung und Beschichtungstechnik. Das IMPE verfügt über umfassende Kompetenzen in Materialwissenschaften und Verfahrenstechnik – eine Kombination, welche die Entwicklung von innovativen Materialien, Beschichtungen und Herstellungsverfahren sowie von Prozessen und Anlagen ermöglicht.
Eine der Hauptaufgaben von Beschichtungen ist der Schutz eines Objekts oder Materials vor äußeren Einflüssen. Dies kann der Schutz vor Korrosion sein, aber auch Schutz vor Witterung oder zerstörenden Mikroorganismen. Die nötige Schutzfunktion verlangt einer Beschichtung häufig viel ab. Chemische Stabilität, Temperaturbeständigkeit, mechanische Widerstandsfähigkeit und viele weitere Eigenschaften sind gefordert. Im Rahmen der diesjährigen Tagung, organisiert und geleitet von Prof. Dr. Martin Winkler, Dozent und Leiter Labor für Polymere Beschichtungen am IMPE, wurden unter anderem Fragen zu den sich ergebenden Anforderungen an ein Beschichtungssystem, zu den sich abzeichnenden neuen Lösungen oder dem Stand der Forschung auf dem Gebiet der Werkstoff- und Oberflächentechnik diskutiert.
Eröffnung
Prof. Dr. Rene Radis, Institutsleiter des IMPE, eröffnete die Tagung in Winterthur mit einer Vorstellung der Hochschule und seines Instituts. Die ZHAW ist mit etwa 15 000 Studierenden eine der größten Fachhochschulen der Schweiz. Sie ist in acht Fachbereiche gegliedert, einer der Fachbereiche beherbergt die Ingenieurwissenschaften, zu denen das IMPE gehört. Primäre Aufgaben der Hochschule sind die Lehre und angewandte Forschung. Vier Grundrichtungen der Lehre und Forschung werden von 14 Instituten realisiert, von denen eines das IMPE ist.
Prof. Dr. Radis (Bild: ZHAW)
Die derzeit 53 Mitarbeitenden des IMPE befassen sich mit Themen aus den Bereichen Werkstoffwissenschaften sowie Verfahrens-/Prozesstechnik. Angesiedelt auf 3000 m2 Labor- und Bürofläche werden aktuell 27 Projekte mit einem Volumen von mehr als 100 000 CHF bearbeitet. Darunter fallen Hochleistungswerkstoffe, moderne Verarbeitung/Fügen, innovative Oberflächentechnik und nachhaltige Verfahrenstechnik. Zu den interessantesten Arbeiten derzeit zählen eine Entwicklung auf dem Gebiet der Rührreibschweißung, Faserverbundwerkstoffe für die ESA, keramische Brennstoffzellen für Flüssiggas für den Einsatz im Kleinbedarf, die Dünnschichtabscheidung zur Herstellung von Solarzellen oder neuartige Absorbermaterialien zur Aufnahme von Kohlenstoffdioxid.
Oberflächenschutz von Holzbauteilen
In einem gemeinsamen Vortrag befassten sich Dr. Barbora Starovicova, School of Architecture, Wood and Civil Engineering, Biel, und Dr. André Schaller, Bosshard Farben AG, Rümlang, mit dem Oberflächenschutz von Holzbauteilen während der Bauphase und im Gebrauch.
Wie Dr. Schaller eingangs betonte, ist Holz ein Werkstoff, der immer interessanter wird, da er nachhaltig ist und als Speicher für Kohlenstoffdioxid (CO2) fungiert. Anlass für die von den Vortragenden durchgeführten Entwicklungsarbeiten waren das Auftreten von Wasserflecken, Vergilbungen oder Rissbildung der Holzoberflächen. Solche Fehler treten insbesondere im Zeitraum zwischen Bearbeitung im Holzwerk und dem Einsatz im Gebäude auf. Als Lösung des Problems sollte ein dünner, UV-stabiler und umweltverträglicher Oberflächenschutz entwickelt werden für den Innenbereich und temporär für die Anwendungen im Außenbereich.
Farbänderungen während der künstlichen Bewitterung – Einfluss der UV-Strahlung ohne Kondensation (Bild: Starovicova/Schaller)
Kriterien für die Beschichtung sind den Untersuchungen von Dr. Starovicova zufolge vor allem die Farbkonstanz, Benetzbarkeit in Richtung superhydrophob, das Diffusionsverhalten sowie die Feuchteregulierung. Die Untersuchungen über einen Zeitraum von etwa drei Jahren belegen, dass zwei Systeme von Bossard extrem stabiles Aussehen erzeugen, das heißt, es treten kaum erkennbare Farbveränderungen auf. Die Beschichtungen mit Dicken im Bereich von etwa 30 µm bis 60 µm zeigen ein nahezu superhydrophobes Verhalten. Beim Parameter Diffusion von Feuchtigkeit ist eine langsame Ausdunstung von Vorteil, da sich das Holz in diesem Falle an die Änderungen anpassen kann und damit keine Risse entstehen. Die von Bossard entwickelten Beschichtungssysteme gewährleisten ein langfristig gleiches Aussehen von Holzelementen. Dabei kommen nicht nur Nadelhölzer zur Anwendung, sondern auch die stabilere Buche.
Barrierebeschichtungen gegen Wasserstoffpermeation
Die von Dr. Andrea Deissenberger, Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM, vorgestellten Barriereschichten zur Reduktion der Wasserstoffpermeation, kommen bei Tanksystemen und Infrastrukturelementen zum Einsatz. Derzeit wird Wasserstoff vor allem in der chemischen Industrie, zunehmend auch in der Metallgewinnung, verwendet. Noch sind die Entwicklungsaktivitäten für den Einsatz von Wasserstoff überschaubar, wie beispielweise bei Airbus, um Wasserstoff als Treibstoff für Flugzeuge einzusetzen. Des Weiteren ist vorgesehen, Wasserstoff im Erdgasnetz zu nutzen.
Die Barriereeigenschaften verbessern sich mit der Ausrichtigung (möglichst parallel) der Plättchen und der Anzahl der aufgebrachten Schichten (Bild: Dr. Deissenberger)
Eine der Herausforderungen ist die Speicherung von Wasserstoff für die weitere Verwendung. Die Vortragende arbeitet daher an der Entwicklung einer Barriereschicht auf den Werkstoffen für die entsprechenden Speicher. Ein Ansatz richtet sich auf die Einbringung von plättchenförmigen Füllstoffen in Polymere für die entsprechende Beschichtung auf den relevanten Bauteilen. Wichtig für eine gute Wirkung sind die Größe und Form der eingebrachten Partikel. Zur Anwendung kommt die Beschichtung auf Tanks aus Metall oder CFK.
Die Permeationsrate für Wasserstoff hängt davon ob, wie gut die plättchenförmigen Füllstoffe parallel zur Oberfläche ausgerichtet sind. Außerdem spielen die Parameter Schichtauftragung und Dicke der Beschichtung eine Rolle. So wirkt sich zum Beispiel ein hoher Lösemittelanteil in der Beschichtung positiv aus, da sich unter diesen Bedingungen die plättchenförmigen Füllstoffe optimal ausrichten können.
Eine weitere Herausforderung ist die Aufbringung der Beschichtung bei bereits bestehenden Infrastrukturelementen aus Stahl und Polymeren. Erwartungsgemäß ist die Aufbringung vor allem bei hochfesten Stählen interessant. Für die Luftfahrt sollte der Wasserstoff in kryogener Form eingesetzt werden, so dass Barriereschichten auch auf isolierenden Werkstoffen aufgebracht oder mit zusätzlicher Wärmeisolierung ausgestattet werden müssen.
Anodisieren additiv gefertigter Aluminiumteile
Im Rahmen einer Studienarbeit wurde die Oberflächenbehandlung additiv gefertigter Aluminiumbauteile durch anodische Oxidation untersucht, deren Ergebnisse Noémie Ott vom Institut für Mikrotechnik und Photonik IMP, OST Ostschweizer Fachhochschule, Buchs, erläuterte.
In der Regel werden bei dieser Behandlung poröse Oxidschichten erzeugt, soweit wässrige Verfahren herangezogen werden. Im Gegensatz dazu lassen sich durch Einsatz des Plasmaanodisierens geschlossene und sehr beständige Oxidschichten herstellen. Die porösen Schichten eignen sich sowohl für technische Belastungen gegen Korrosion und Verschleiß als auch für dekorative Oberflächen, die selbst eingefärbt werden können oder einen guten Haftgrund für organische Beschichtungen darstellen.
Variationen der Schicht ergeben sich bei der Änderung des Substrats und bei Änderung des Elektrolyten. Beim Wechsel von klassischem Aluminium (z. B. AlMg-Legierungen) zu additiv gefertigten Aluminiumteilen macht sich die deutliche Änderung des Substrats bemerkbar. Gut erkennbar ist der Unterschied, auch nach einer mechanischen Oberflächenbehandlung bei der Charakterisierung durch Aufzeichnung von Stromdichte-Potenzial-
Kurven. Auch zeigen sich Unterschiede bei der erzeugten Schichtdicke auf den unterschiedlich behandelten Aluminiumoberflächen.
Die besten Ergebnisse werden bei mechanisch bearbeiteten Oberflächen, zum Beispiel durch Drehen, erzielt. Auch wenn die Stromdichte-Potenzial-Kurve ein relativ positives Verhalten nahelegt, ist störende Lochkorrosion festzustellen. Diese kann beispielweise auf eine Anreicherung von Silizium in der Oberfläche zurückgeführt werden. Demzufolge wurde eine zusätzliche chemische Ätzung genutzt. Insgesamt lässt sich aus den Ergebnissen folgern, dass die additiv hergestellten Teile schlechter abschneiden als herkömmliche Legierungen des Typs 6061.
Multifunktionale Vorbehandlung von Aluminium
Das Unternehmen des Vortragenden Dr. Julian Bleich, Novelis Switzerland SA, Sierre, stellt Aluminiumbleche in unterschiedlicher Ausführung und Dicke her und ist einer der größten Aluminiumrecycler. Die Bleche werden in breitem Umfang für Getränkedosen oder Fahr- und Flugzeuge genutzt.
Für diese Produkte werden Vorbehandlungen benötigt, die die Haftfestigkeit von nachfolgenden Beschichtungen sowie die Korrosionsbeständigkeit oder Umformbarkeit des Grundmetalls gewährleisten beziehungsweise verbessern. Dazu werden beispielsweise selbstorganisierende Monolagen mit endfunktionalisierten Phosphonsäuren genutzt. Je nach vorhandenen Endgruppen der Verbindungen lassen sich so unterschiedliche Eigenschaften der Oberfläche einstellen. Diese können sehr gezielt und mit hoher Konstanz gewährleistet werden, wie mit XPS-Messungen nachgewiesen werden kann. Zu den wichtigen Eigenschaften zählt die Benetzung, um eine optimale Schmiermittelverteilung für die mechanische Umformung zu erreichen. Gleiches gilt für die Forderung nach guter Haftung von Klebstoffen oder dem Schutz gegen Korrosion.
Für eine vergleichbare Umformbarkeit kann die Schmiermittelmenge durch optimalen Aufbau der Beschichtungen deutlich gesenkt werden (Bild: Dr. Bleich)
Eine Erweiterung der Eigenschaften mit funktionalisierten Phosphonsäuren wird durch Mehrschichtsysteme auf der Basis von Zirkoniumphosphonat erreicht. Die entsprechenden Schichten werden durch mehrfache Tauchprozesse erzeugt. Dabei wurde festgestellt, dass ab einer sechsfachen Beschichtung keine Verbesserung der Eigenschaften nachzuweisen ist. Unterschiede bestehen allerdings zwischen den eingesetzten Stoffen. Geprüft wurde unter anderem das Verhalten in Bezug auf Korrosion und Haftung von vorbehandeltem Aluminium. Ab einer dreifachen Schicht ist keine signifikante Verbesserung mehr festzustellen, wobei wiederum die Art der Terminierung der eingesetzten Vorbehandlungsstoffe eine Rolle spielt.
Gezielte Steuerung des Reibverhaltens technischer Oberflächen
Wie Dr. Massler, De Martin AG, Wängi, eingangs betonte, gibt es sowohl Anwendungen, bei denen die Reibung reduziert werden muss als auch solche, bei denen die Reibungserhöhung von Vorteil ist. Eine Reduzierung der Reibung kann Energie einsparen und Werkstoffverluste vermeiden. Dazu werden funktionalisierte Beschichtungen eingesetzt. Reibungsreduzierung lässt sich unter anderem durch Trockenschmierung erreichen, wozu Beschichtungen genutzt werden, die schmierende Stoffe enthalten. Zu beachten ist hier, dass Reibung eine Systemeigenschaft ist, also weitere Einflussgrößen vorhanden sind. Als ein mögliches System präsentierte der Vortragende eine strukturierte Chromschicht, die mit einem Schmiermittel beschichtet ist. Das Schmiermittel setzt sich zwischen die bewusst erzeugte Mikrostruktur.
Ein weiteres System ist chemisch abgeschiedenes Nickel mit Einlagerung von schmierenden Stoffen, unter anderem PTFE. Allerdings steht PTFE als einer der Stoffe, der unter die PFAS-Aktivitäten der Gesetzgeber fällt, auf der Liste der nach Möglichkeit zu ersetzenden Werkstoffe. Zwar verfügen auch Stoffe wie Molybdänsulfid über ähnliche Schmiereigenschaften wie PTFE, zum Teil auch mit höheren Einsatztemperaturen. Allerdings ist der Einbau in chemisch abgeschiedene Schichten nicht trivial beziehungsweise 1:1 übertragbar. Derzeit wird daran gearbeitet, Tribopolymere in die Schicht an Stelle von PTFE einzubauen.
Oberflächen aus galvanisch abgeschiedenem Nickel mit eingelagerten Diamantpartikeln (Bild: Dr. Massler)
Bei galvanisch abgeschiedenen Chromschichten besteht die Möglichkeit, das natürlich vorkommenden Rissnetzwerk als Aufnahmespeicher für Schmierstoffe zu nutzen. Das Rissnetzwerk kann im Übrigen durch Modifikation des Abscheideprozesses in gewissen Grenzen bezüglich der Aufnahmefähigkeit variiert werden.
Galvanisch abgeschiedene Chromschichten eignen sich zur Aufnahme von Gleitwerkstoffen, wobei das Rissnetzwerk in unterschiedlicher Ausdehnung gestaltet werden kann (Bild: Dr. Massler)
Für eine Erhöhung der Reibwerte eignen sich ebenfalls galvanisch abgeschiedene Schichten, wie beispielsweise Nickel, in die kantige Hartstoffe so eingelagert werden, dass die Oberfläche ein Gleiten extrem stark unterdrückt. Als eingebetteter Stoff wird in großem Umfang Diamant mit Korngrößen von etwa 10 µm genutzt. Derartige Oberfächen kommen vor allem in Baugruppen zur Anwendung, bei denen Kräfte übertragen werden.
Physikalisch abgeschiedene Verschleißschutzschichten
Die Technologien des Magnetonsputterns und HIPIMS (engl. High-power impulse magnetron sputtering) erlauben die Herstellung von Beschichtungen mit außergewöhnlichen Eigenschaften, die Joël Matthey, Haute Ecole Arc Ingénierie, La Chaux-de-Fonds, vorstellte. Bekannt sind derartige Hartstoffschichten insbesondere durch Schichten wie Titannitrid und deren Varianten, die seit langem vor allem auf Werkzeugen Einsatz finden. Eine neuere Version ist die Kombination von Titan und Silizium, erweitert um Stickstoff und Kohlenstoff, die alle eine hohe Härte und einen sehr guten Schutz gegen Adhäsion zeigen.
Beim Magnetronsputtern ist die Basis das Verdampfen von Werkstoffen im Vakuum, ergänzt durch den Einsatz von Magnetfeldern sowie das Anlegen von Hochspannung beziehungsweise pulsierender Hochspannung. Die hergestellten Schichten mit Dicken im Mikrometerbereich können auch thermisch belastet werden, ohne Einbußen ihrer Eigenschaften. Sie zeigen zudem eine ausgezeichnete Haftfestigkeit auf den Substraten, so dass sie beste Ergebnisse unter reibenden und gleitenden Beanspruchungen besitzen.
Barriereschichten auf Papierwerkstoffen
Dr. Emanuela Lo Faro, University of Modena and Reggio Emilia, Reggio Emilia, befasst sich mit der Behandlung von Papierwerkstoffen. Papier wird heute für unterschiedliche Zwecke eingesetzt und muss zum Beispiel im Bereich der Lebensmittelverpackung als Barriere gegen Feuchtigkeit wirken, beständig bei Fetteinwirkung und mechanisch stabil sein. Zugleich aber wird gefordert, dass Papier nach der Nutzung biologisch abbaubar ist.
Um eine geeignete Beschichtung auf Papier aufbringen zu können, muss das Grundmaterial eine gewisse Beständigkeit gegen Lösemittel besitzen. Diese Eigenschaft beeinflusst die Verteilung einer aufgebrachten Beschichtung und die späteren Eigenschaften des Verbunds, insbesondere dessen Wasserdurchlässigkeit und Fettbeständigkeit. Die besten Ergebnisse werden mit einer Mischung aus Polymer und Cutin verzeichnet. Der resultierende Papierwerkstoff erfüllt die Anforderungen an Steifigkeit, Dehnbarkeit, Versiegelung und Barrierewirkung. Für den Lebensmittelbereich ist damit der Verbund für die Verpackung von feuchten und trockenen Lebensmitteln geeignet.
Cutinhaltige Beschichtung als Korrosionsschutz
Eine weitere Anwendung des Stoffes Cutin stellte Dr. Elena Buratti, University of Ferrara, Ferrara, vor. Ausgangspunkt ist unter anderem die Suche nach bioabbaubaren Stoffen für die Beschichtung. Cutin als Hauptkomponente beispielsweise in Pflanzen ist zum Beispiel für die Barriere an der Oberfläche gegen eindringende Fremdstoffe verantwortlich. Es handelt sich den Ausführungen der Vortragenden zufolge um ein natürliches Polyester von Fettsäuren. Die synthetisch erzeugte Variante eignet sich als Beschichtung von Papierwerkstoffen, aber auch als Schutz auf Aluminium.
REM-Aufnahmen der Beschichtungen mit Cutin im semikristallinen (links) sowie im amorphen Zustand (Mitte und rechts) auf Stahl (Bild: Dr. Buratti)
Poly(esterurethane) (PU)-Harze, hergestellt mit IPDI in drei verschiedenen Veresterungsgraden (30 %, 38 %, 50 %), sind amorph und haben einen Erweichungspunkt, der mit zunehmendem Veresterungsgrad abnimmt. Die mit Bernsteinsäure hergestellten Harze können je nach Zusammensetzung semi-kristallin oder amorph sein und enthalten 30 % bis 55 % Cutin. Sie lassen sich ohne Einsatz von Lösemitteln auf Papier auftragen und zeigen im Endzustand gute Barriereeigenschaften gegen Wasser und Fette. Zudem sind die damit beschichteten Papierwerkstoffe biologisch abbaubar und recyclingfähig.
Durch die Beschichtungstechnologie des Sprühbeschichtens lassen sich entsprechende Harze auf Aluminium- und Stahllegierungen auftragen. Die Beschichtungen bieten einen guten Korrosionsschutz, vergleichbar mit kommerziellen Beschichtungen.
- www.zhaw.ch
Besichtigung des IMPE (Bild: ZHAW)
