Abriebprüfung von modifizierten Pulverlack-Systemen

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1 Abriebprüfung von modifizierten Pulverlack-Systemen Autor: David Ziltener, Tribotron AG

2 Hintergrund Pulverlacke Pulverlacke sind organische, meist duroplastische Beschichtungspulver mit einem Festkörperanteil von 100 %. Das Beschichten mit Pulverlacken erfordert im Gegensatz zu allen anderen Beschichtungstechnologien keine Lösemittel. Zur Produktion der Pulverlacke werden Verarbeitungsverfahren wie die Extrusion und das Vermahlen eingesetzt. Unterschiedliche Rohstoffe und verschiedene Additive ermöglichen die variable Einstellung der optischen und mechanischen Eigenschaften. i Beschreibung der Test-Muster Zur Steigerung der Abriebfestigkeit können die Pulverlacke mit unterschiedlichen Additiven ausgestattet werden. Für unsere Versuche wurden die gleiche Bindemittel/Pigment/Füllstoff- Basis mit 6 verschiedenen Wachs-Additiven modifiziert. Die Wachse sind typischerweise Polyethylenbasierend und werden den Pulverlacken in vermahlener Form (Korngrösse unter 20 Mikron) beigemischt. Beim Einbrennen schmelzen sie auf und reichern sich an der Oberfläche des Lackfilms an. Unschmelzbare Komponenten in den Wachsen werden ebenfalls vermehrt an die Oberfläche transportiert. Nachfolgend die Angaben zu den Modifikationen der verschiedenen Musterbleche: Probe 47: Unmodifizierter Lack Probe 48: Wachs mit diamantartigen Partikel Probe 49: Wachs mit Silica-Partikel Probe : Polyethylenwachs mit hohem PTFE-Gehalt Probe 51: Polyethylenwachs mit niedrigem PTFE-Gehalt Probe 52: Fischer-Tropsch-Wachs Probe 53: Polyolefinwachs Abbildung 1: Musterplatte Seite 2 von 6

3 Abriebtest mit Pin-on-Disk Tribometer Mit dem Tribometer kann das Reibverhalten von Werkstoffpaarungen untersucht werden. Auf einem rotierenden Prüfkörper wird ein Gegenkörper, z. B eine Stahlkugel, mit definierter Normalkraft aufgebracht (Pin-on-Disk). Aus Reibkraft und Normalkraft wird der Reibungskoeffizient berechnet. Für die Abriebprüfung wurde das Nanovea Tribometer verwendet. Der Reibungskoeffizient (CoF) wurde in situ aufgezeichnet. Die Verschleissrate (K) wurde mittels der Profilmessungen der Verschleissspur berechnet. Zur Messung der Verschleissspur wurde das optischen Profilometer JR25 von Nanovea verwendet. CoF (Reibungskoeffizient) = Ft (Tangentialkraft) / Fn (Normalkraft) K = K = V / (Fn s) = A / (F n) CoF: Reibungskoeffizient Fn: Normalkraft Ft: Tangentialkraft K: Verschleissrate V: Abgenutzte Volumen s: Gleitstrecke A: Querschnitt der Verschleissspur n: Anzahl Umdrehungen Abbildung 2: Pin-on-Disk Tribometer Abbildung 3: Nanovea Pin-on-Disk (Labor Tribotron) Seite 3 von 6

4 Test Parameter Grösse Normalkraft 10 N Radius 5 mm Geschwindigkeit 0 U/min Gegenkörper Kugel D = 6 mm Material Gegenkörper Wälzlagerstahl, Werkstoff 1.35 Tabelle 1: Parameter Pin-on-Disk Resultate Der Abriebtest wurde bei allen Proben bis zum Versagen der Schicht durchgeführt. Als Definition Versagen der Schicht wurde die plötzliche und dann kontinuierliche Veränderung des Reibungskoeffizienten zugrunde gelegt. Das Versagen der Schicht ist nicht gleichzusetzen mit dem totalen Abreiben der Schicht. Reibungskoeffizient Reibungskoeffizient Umdrehungen * 1000 Abbildung 4: Reibungskoeffizient vs. Umdrehungen Seite 4 von 6

5 Reibungskoeffizient Bei Probe 47 (ohne Additive) trat das Schichtversagen bereits nach etwas mehr als 2000 Umdrehungen ein. Die Probe 53 mit herkömmlichem Polyolefinwachs zeigte mit Umdrehungen die beste Abriebbeständigkeit. Die Proben 48 und 49 konnten trotz der Zugabe verschleisshemmender Partikel nicht mit den Polyolefin Additiven mithalten. Erstaunlicherweise war für die Probe mit hohem PTFE Gehalt bereits nach Umdrehungen Schluss, wogegen Probe 51 mit tiefem PTFE Gehalt fast die doppelte Laufleistung aufweisen konnte ( Umdrehungen). Erwartungsgemäss hätte ein hoher PTFE Gehalt aufgrund vorteilhafter Gleiteigenschaften einen besseren Verschleissschutz bieten sollen Reibungskoeffizient '000 Umdrehungen Abbildung 5: Reibungskoeffizient vs. Umdrehungen Zur Bestimmung des Reibungskoeffizienten wurden die ersten tausend Umdrehungen ausgewertet. Die Probe 47 ohne Additive weist einen vergleichsweise sehr hohen Reibungskoeffizienten auf. Die Reibung steigt bis zum Versagen der Schicht kontinuierlich an. Beim Versagen der Schicht sinkt der Reibungskoeffizient bei Probe 47 ab, bei den anderen Proben steigt der Reibungskoeffizient an. Alle Proben mit Additiven liegen im Vergleich zur Probe ohne Additive in einer ähnlichen Bandbreite. Vergleicht man nur die modifizierten Proben untereinander, liegen Probe 48 und 49 ca. 20% höher. Die zusätzlichen anorganischen Partikel könnten für den höheren Reibwert verantwortlich sein. Seite 5 von 6

6 Verschleissrate [µm²/n] Verschleissrate Umdrehungen * 1000 Abbildung 6: Verschleissrate vs. Umdrehungen Interessant ist der Vergleich der Verschleissraten. Die in-situ Messung der Abriebspur mittels optischem Profilometer ermöglicht eine präzise Analyse des Abriebverhaltens. Bei den Proben 48 und 49 (Wachs mit Partikel) konnte vor dem Schichtversagen keine Abriebspur gemessen werden. Bei beiden Proben wurde zusätzlich zum Wachs noch anorganische Partikel beigefügt. Diese Partikel konnten möglicherweise die Oberfläche am Anfang vor Abrieb schützen. Längerfristig störten die Partikel durch Ihre Abrasivität den Aufbau einer homogenen Transferschicht und führten zum vorzeitigen Versagen der Schicht. Zusammenfassung Die Zugabe von Additiven in das Bildemittel kann die tribologischen Eigenschaften von Pulverlacken dramatisch verändern. Mit der Kombination von Tribometer und Profilometer konnten Reibungskoeffizient, Abrieb und Verschleissrate reproduzierbar gemessen und ausgewertet werden. Die Versuchsreihe zeigte, dass durch Zugabe von Wachs die höchste Abriebbeständigkeit in Kombination mit geringem Reibungskoeffizient zu erwarten ist. Die Zugabe von anorganischen Partikeln erhöht die Reibkraft und führte zu vorzeitigem Versagen der Beschichtung. Es ist jedoch zu beachten, dass die Oberflächen dieser Proben bis zum Versagen die kleinsten Verschleissraten aufwiesen. i Wikipedia.org Seite 6 von 6