Korrosionsschutz mit Nano- und Makrotechnik Das Beste aus 2 Welten

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1 FME GmbH Fuchs Materials & Engineering Korrosionsschutz mit Nano- und Makrotechnik Das Beste aus 2 Welten 100 nm Nano: GS Anodisationsschicht auf Aluminium mit Porengrösse < 30nm Schichtdickenvergleich Makro: Verbundwerkstoffbeschichtung (>3mm) 1

2 Inhaltsverzeichnis FME GmbH Fuchs (Kurz-)Vorstellung Materials & Engineering Korrosion von Metallen => Korrosionsschutz Nanotechnik Makrotechnik Das Beste aus 2 Welten Korrosionsschutz bei Aluminium/ Metallen Fazit 2

3 FME GmbH Fuchs Materials & Engineering Beispiele von - Dienstleistungen Engineering/Beratung (Materialund Beschichtungstechnik) Entwicklung/Optimierung von Spezialbeschichtungen (Sol Gel, org. Lacke,...) Beschichtungs- und Korrosionstests Prototypenbeschichtung Expertisen Technische Marktanalysen Projektleitung Patent- und Literaturrecherchen Tauchzone Al roh Al eloxiert Test Alkalibeständigkeit von beschichteten Aluminium Tauchzone ph 13.5 Nanokeramik (Sol-Gel) Technische Marktabklärungen Spezialbeschichtungen 3

4 FME GmbH Fuchs Materials & Engineering Lebenslauf (CV) Roman Fuchs Grundschule Chemielaborantenlehre Matura/Abitur (2. Bildungsweg) Studium experimentelle Physik (Uni Basel) Promotion (Institut für Physik, Uni Basel) Berufliche Erfahrungen Abteilungsleiter Oberflächen (Korrosion, Oberflächenbehandlung, Oberflächenanalytik) in der zentralen Forschung und Entwicklung der Alcan (ehemals Alusuisse) in Neuhausen Leiter Entwicklung/Innovation in einem Aluminiumwalzwerk (Alusuisse/Alcan) Technischer Leiter in Korrosionsschutz und Lackproduktion in einer KMU Inhaber / CEO FME GmbH Fuchs Materials & Engineering 4

5 Standort am RhyTech: Badische Bahnhofstrasse 16 CH 8212 Neuhausen am Rheinfall 5

6 Korrosion von Metallen => Korrosionsschutz Metalloxid/ -hydroxid V1 Elektrolyt O - ( OH -) H 2 Me + H + H + e - V2 e - Voraussetzungen für Korrosion Potentialunterschiede im Metall bzw. zwischen den Metallen => V =V2 V1 >0 Metalle sind elektrisch leitend verbunden => Elektronentransport Metalle sind elekrolytisch miteinander verbunden => Ionentransport Anodische Metallauflösung läuft ungehindert Metallanode Metallkathode An der Kathode werden die entstehenden Elektronen verbraucht 6

7 Voraussetzungen für Korrosion Potentialunterschiede im Metall/zwischen den Metallen => V Metalle sind elektrisch leitend verbunden => Elektronentransport Metalle sind elekrolytisch miteinander verbunden => Ionentransport Anodische Metallauflösung läuft ungehindert An der Kathode werden die entstehenden Elektronen verbraucht e - für den Korrosionsschutz folgt => Korrosionsschutzmassnahmen Potentialunterschiede vermeiden bzw. verkleinern kathodisch schützen Potential verschieben unterschiedliche Metalle elektrisch isolieren Elektrolytzugang vermeiden oder behindern Ausbilden einer passiven Oxidschicht Elektronenabtransport hindern Beispiele Metallurgische Massnahmen Legierungs- (aus-) wahl Isolationsschichten/ -plättchen konstruktive Massnahmen Metallauswahl Beschichtungen (dick) konstruktive Massnahmen (Abfliessen von Regenwasser) trockene Umgebung Natürliche Oxidschicht / Eloxalschicht auf Aluminium Chrom Nickel Stahl Wasserstoffionenkonzentration gering halten (höherer ph) Sauerstoff reduzieren 7

8 Begriffe: Nanotechnik: Korrosionsschutz und Beschichtungen mit Nanoteilchen und/oder Schichtdicken <100 nm Makrotechnik: klassische Beschichtungstechnik mit org. Polymeren, galvanischen Schichten, Putzen etc. und Schichtdicken >>100 nm 8

9 100 nm Aufsicht Korrosions- und chemikalienbeständige Eloxalschichten GS-Anodisationsschicht < 100 nm < 30nm µm Hexagonale Zellenstruktur der anodischen Oxidschicht von Aluminium nach Keller et al. a) b) c) d) e) Z Bruchfläche P d Querschnitt durch die Eloxalschicht von Aluminium! a) e) Füllgrad der Poren Sperrschicht (S) D Aluminium 9

10 Korrosions- und chemikalienbeständige Eloxalschichten Tauchzone Tauchzone Al roh Al eloxiert Nanokeramik Alkalibeständigkeit (ph 13.5) von rohem, eloxiertem und nanokeramisch beschichtetem Reinaluminium. => keine Übergangszone sichtbar! Easy to Clean- Effekt: nanoversiegelte Aluminiumoberflächen Solarkocher aus hochglanzgewalztem und nanokeramisch beschichteten Reflektorblechen 10

11 Beispiel: Alkalibeständigkeit von Eloxalschichten Schichtabtrag in my Alkalibeständigkeit von eloxierten/ beschichteten AlMg1- Oberflächen Spezialanodisation (opak) Heisswassersealing (Standard) Ni- frei 1 Stufenverfahren (Wasserglas) Ni- frei 2 Stufenverfahren Beschichtungs-/ Sealingvarianten Ni- haltig 3 Stufenverfahren 2.5 Nano/ Sol- Gel anorganisch (Silan) arbitrary units Nano/ Sol- Gel organisch (Epoxi) Schichtabtrag [µm] Fleckenbildung Testbedingungen: alkalischer Reiniger (Medizintechnik) erhöhte Konzentration ~ph Temp. 65 C Dauer ca. 10 h (=> Reiniger baut sich ab!) Fazit: grosse Unterschiede in den Beschichtungs-/ Sealingvarianten Temperatur ist ein wesentlicher Parameter 11

12 Makrowelt -Normen EN ISO :2007 (D) Beschichtungsstoffe - Korrosionsschutz von Stahlbauten durch Beschichtungssysteme - Teil 5: Auszug aus Tabelle A.5 C5-I (Korrosivitätskategorie 5 Industrieatmosphäre) Grundbeschichtungen Nachfolgende Schichten Beschichtungssystem Erwartete Schutzdauer Pigmenttyp Bindemitteltyp Anzahl Schichten NDFT (µm) Bindemitteltyp Anzahl Schichten NDFT (µm) Niedrig Mittel Hoch EP, PUR div AY, CR, PVC EP, PUR div EP, PUR EP, PUR div EP, PUR => Makro Schichtdicken sind vorgegeben! 12

13 Physikalische/mechanische Eigenschaften von Makroschichten Verschleissschutz F F Dämpfungsschicht (bei Steinschlag) K B F = Lokal wirkende Kraft, K = Kraftverteilungskegel, B = Bruchstelle Abfederung bei dicken, elastischen Schichten Versagen des Untergrundes bei dünnen Schichten 13

14 Das Beste aus 2 Welten Beschichtung im Bereich < 100nm Klassischer Lack modifiziert mit Nanopartikeln Hybridpolymer z.b. Sol- Gel (-Si-O-Si-) mit organischen Polymeren Schichtverbund mit Nano- und Makroschichten Nano Makro Nano Substrat/ Metalloberfläche Preis, Funktionalität 14

15 Korrosionsschutzschichten auf Aluminium Schichtstärke 10 mm Eloxal- (Anodisationsschichten) 1 mm m a k r o n a n o 100 µm 10 µm 1 µm 100 nm 10 nm 1 nm Harteloxal Eloxal Architektur (Band) Bandeloxal Lichttechnik Anodisation (Haftschichten) λ/2 RE- Interferenzschicht Flashanodisation (Haftschichten) Anodische Sperrschichten nano partikel bei Verdichtung/ Sealing Bömitschichten (Kochwasser) Natürliche Oxidschichten 15

16 Korrosionsschutzschichten auf Metallen m a k r o n a n o Schichtstärkenbereich 10 mm 1 mm 100 µm 10 µm 1 µm 100 nm 10 nm 1 nm tragende Korrosionsverschleissschichten Lackschichten schwerer Stahlbau Bandlackierung Stahl Bandlackierung Al Phosphat- Chromatschichten Konversionsschichten (chromfrei) Zink Al- Flashanodisation (Haftschichten) Pulverlacke 10µm Phosphat- Chromat 16

17 Aluminium Einsatzgebiet Nanotechnik Makrotechnik Eloxal Bereich Zierteile, Reflektoren Nanosealing, nanokeramische Beschichtung nanokeramische Beschichtung Harteloxal, Verschleissschutz Coil Coating Vorbehandlung, Top Coat (Antigraffiti) Farbschicht, Füller Wärmetauscher Hybrid- Beschichtungen Eloxal, galvanische Schichten 17

18 Einsatzgebiet Nanotechnik Makrotechnik Küchengeräte Edelstahl nanokeramische Antifhaftbeschichtungen Küchenmöbel Antifingerprint Teflon, le Stahlbau Vorbehandlungsschichten, Verkapselungen Stahl Coil Coating Vorbehandlung, Top Coat (Antigraffiti) Spritzguss- Werkzeuge nanokeramische Beschichtungen Zwischen- und farbgebende Deckschichten Farbschicht, Füller PVD, CVD, galvanische Schichten, Teflon 18

19 Vergleich Nano und Makrowelt Nano-Welt Makro-Welt Schichtdicke <100 nm µm mm Partikelgrösse >100nm einige µm Materialeinsatz anorganisch organisch (Lacke) Materialverbrauch/m2 gering hoch Kosten/kg mittel hoch niedrig Kosten/m2 niedrig hoch niedrig hoch existierende Normen wenig umfassend/ etabliert Erfahrungswerte Praxis wenig gering sehr hoch tragender Verschleissschutz bedingt gut sehr gut 19

20 Einsatzpotenzial von Nano- und Makroschichten auf Metallsubstraten 20

21 Fazit Korrosionsschutzkonzepte Nano- und Makrotechnik sind weniger Konkurrenten als vielmehr Partner für optimalen Korrosionsschutz Jede Korrosionsschutz- Technik hat Ihre Berechtigung In vielen Fällen besteht hohes Ergänzungspotential Optimum Das Beste aus 2 Welten! 21

22 Die schönen Seiten der Korrosion. Rost als Kunstobjekt!? 22

23 Literaturverzeichnis [1] Korrosion und Korrosionsschutz im Bauwesen Band 1+2, Bauverlag BV, 1999, Ulf F. Nürnberger. [2] S. Wernick and R. Pinner: The surface treatment and finishing of aluminium and its alloys, fifth edition (1987). [3] S.K. Weidman et al, Modification of anodic layers on aluminium alloys using chemical nanotechnology, Dechema, Poster, AiF-Projekt. Mit bestem Dank für die Unterstützung: Fa. Sun and ICE/EG Solar (Bilder Solarkocher) Fa. Chesterton (Bilder Makro - Korrosionsschutz) Katarina Waser-Ouwerk (Bilder Korrosionskunst ) 23