Korrosionschutzschichten für Kulturgüter - ein neuer Ansatz mittels Atmosphärendruckplasma Constanze Roth, INNOVENT e.v. Technologieentwicklung

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1 Technologieentwicklung Wirtschaftsnahe Forschungseinrichtung Gründung 1994 Korrosionschutzschichten für Kulturgüter - ein neuer Ansatz mittels Atmosphärendruckplasma Constanze Roth, Technologieentwicklung Grenz- und Oberflächentechnologie Biomaterialien Magnetische und optische Systeme Analytik

2 Innovent Titel Korrosionschutzschichten für Kulturgüter - ein neuer Ansatz mittels Atmosphärendruckplasma Militärhistorisches Museum Berlin-Gatow 2

3 Korrosionsschutzschichten für metallene Kulturgüter - Einleitung Projektentwicklung im Rahmen des INNOVATIONSFORUMS - BMBF-Förderung Februar 2014 bis August Etablierung eines Netzwerkes zum Schutz von Kulturgütern mittels innovativer Oberflächentechnologien: Forum Inn-O-Kultur - vier Workshops zu Restaurierungsfragen, darunter ein Schwerpunkt Metallrestaurierung (April 2014) -Bedarf an der weiteren Entwicklung von dauerwiderstandsfähigem Korrosionsschutz für Leicht- und Schwermetalle -Restaurierung sucht Produkten, die z.b. bei Spaltkorrosion eingesetzt werden können -Tauglichkeit der Atmosphärendruck- Plasmabeschichtung (APCVD) für Leicht- und Schwermetalle ist zu prüfen Projektantrag INNO-KOM-Ost Korrosionsschutzschichten für metallene Kulturgüter 3

4 Korrosionsschutzschichten für metallene Kulturgüter - Projektbeschreibung Projektbeschreibung: Korrosionsschutzschichten für freibewittertes Kulturgut aus Metall Herausforderung: 365 Tage Klima, Sonne, Regen, Wind, Eis usw. Ressourcenschutz, Verbesserung von Materialeigenschaften und Erhalt von Kulturgütern und Industriedenkmälern Ziel: - Verbesserung der Haltbarkeit der Lacke und Wachse auf der Oberfläche - Erhöhung der Barrierewirkung durch Abscheiden einer SiOx- Schichten Vorgehensweise: aktuell in der Restaurierung verschwendete Lacke und Wachse auf kommerzieller Basis werden ergänzt durch neue Methoden der Oberflächentechnik wie z.b. - APCVD (Atmospheric Pressure Chemical Vapour Deposition) - CCVD (Combustion Chemical Vapour Deposition) Materialschwerpunkte: Stahl, Leichtmetall und Silber Petersenschacht, Sondershausen. Petersenschaft in Sondershausen 4 Figurenautomat mit Diana auf einem

5 Korrosionsschutzschichten für metallene Kulturgüter - Beschichtungsverfahren 1. Freistrahlplasmen als Beschichtungswerkzeug SiO x -Schichteigenschaften - Korrosionschutzschichten auf Leichtmetallen (Al, Mg) M. Ramm, G. Matthes, O. Beier, A. Pfuch, K. Horn, J. Schmidt; Korrosionsschutz von Magnesium-Knetlegierungen Galvanotechnik 02/2012, S

6 Korrosionsschutzschichten für metallene Kulturgüter - Beschichtungsverfahren 1. Freistrahlplasmen als Beschichtungswerkzeug APCVD-Verfahren - Schichtdicken bis mehrere 100 nm möglich - Effektivbrechzahl in Grenzen einstellbar, insbesondere in Abhängigkeit vom Precursor- Gasfluss - Barriere gegenüber Sauerstoff etwa 1 cm 3 / d bar m 2 - Hydrophile bzw. hydrophobe Oberflächeneigenschaften in Abhängigkeit vom Gehalt organischer Reste - Ziel: z.b. Erstellung einer Barriereschicht Freistrahlplasma der Firma TIGRES Siliciumoxid-Beschichtung z.b. Stahl oder Aluminium Schicht Substrat A. Pfuch, K. Horn, R. Mix, M. Ramm, A. Heft, A. Schimanski; Direct and remote plasma assisted CVD at atmospheric pressure for the preparation of oxide thin films, in: Jahrbuch Oberflächentechnik Bd. 66, Hrsg. R. Suchentrunk, Leuze Verlag Bad Saulgau, Germany, ISBN , S

7 Korrosionsschutzschichten für metallene Kulturgüter - Beschichtungsverfahren Gerätetechnische Ausstattung Atmosphärendruckplasmalabor 7

8 Korrosionsschutzschichten für metallene Kulturgüter - Beschichtungsverfahren 2. Beschichtungsverfahren - C-CVD-Verfahren C-CVD (Flammenpyrolyse) Prinzip der Abscheidung dünner SiO 2 - Schichten mittels Flammenpyrolyse (Combustion CVD) SiO 2 -Partikel verbinden sich und bilden an der Oberfläche einen hochvernetzten Haftgrund für fest haftenden Lacke, Druckfarben und Klebstoffe 8

9 Korrosionsschutzschichten für metallene Kulturgüter - Beschichtungsverfahren 2. Beschichtungsverfahren C-CVD (Flammenpyrolyse) Bandbrenner typische Arbeitsleistung 0,3-0,8 kw Schlitzbrenner typische Arbeitsleistung 0,05 0,1 kw /cm 9

10 Korrosionsschutzschichten für metallene Kulturgüter - Beschichtungsverfahren 2. Beschichtungsverfahren C-CVD (Flammenpyrolyse) Korrosionsinhibierende Wirkung von SiO x -Schichten Abscheidung einer Vielfalt an Schichtmaterialien möglich derzeit bestes Schichtsystem: Mg x (PO y ) z + SiO x (4 DL) + Pulverlack nach 196 h NSS nach 384 h nach 576 h 10

11 Korrosionsschutzschichten für metallene Kulturgüter - Beschichtungsverfahren 2. Beschichtungsverfahren C-CVD (Flammenpyrolyse) Korrosionsinhibierende Wirkung von SiO x -Schichten ohne SiO x -Schicht mit SiO x -Schicht Aluminiumblech 24 h, 55 C, 3%ige NaCl-Lösung 11

12 Korrosionsschutzschichten für metallene Kulturgüter Vorversuche Vorversuch für Leichtmetalle - Militärhistorisches Museum Berlin-Gatow stellt 100 Flugzeuge aus Leichtmetall (Al und Mg) freibewittert aus - Verlust historisch einmaliger Bauteile und Objekte - Konservierungswunsch und Optimierungswille des bestehenden Korrosionsschutzes führte zu folgendem ersten Test: - Flügelendkanten aus der Magnesiumlegierung MgMn2 einer sowjetischen MIG 21 mit herkömmlicher chemischer Passivierung auf Cr(III)- und Cr(VI)-Basis mit kombiniertem Lackaufbau untersucht Ausstellung Berlin-Gatow - Alternative: aufeinander abgestimmte Vorbehandlung auf APCVD-Basis und einem Primer Korrodierte Flügelendkanten 12

13 Korrosionsschutzschichten für metallene Kulturgüter Vorversuche Ergebnis: - deutliche Differenzierung der einzelnen Vorbehandlungsprozesse auf die Korrosionsbeständigkeit der Magnesiumproben: -nach 28-tägiger Untersuchung zeigten die Proben folgende Platzierung : 3. Cr(VI)-Vorbehandlung 2. Cr(III)-Vorbehandlung 1. APCVD-Beschichtung auf SiO x -Basis Die Untersuchung entstand in Zusammenarbeit mit dem WIWEB Erding. 13

14 Korrosionsschutzschichten für metallene Kulturgüter Vorversuche Vorversuch für Stahl : Objekt: Terzerol (kleine Pistole), 19. Jh., Stahl, Holz. Ziel: Reinigung der Pistole und Abscheiden einer APCVD-Schicht als Korrosionsschutzschicht Vogehensweise: -physikalisch-chemischer Prozess zur Entfernung der Korrosion - manuelle Nachbehandlung mit Schleifvlies; - Aktivierung mit APCVD - Abscheiden einer SiO x -Schicht als Diffusionsbarriere Wir danken den Museen Mühlhausen für die freundliche Unterstützung! 14

15 Korrosionsschutzschichten für metallene Kulturgüter - Vorversuche Zwischenschritte 15

16 Korrosionsschutzschichten für metallene Kulturgüter - Vorversuche Resultat Monitoring: regelmäßig durch Bilddokumentation der Mühlhäuser Museen 16

17 Korrosionsschutzschichten für metallene Kulturgüter Ausblick Ausblick: Stahl: 1. Vorversuche Aluminiumbleche im Labormaßstab 2. Ab Frühjahr 2016: Freibewitterungstests aus drei ausgewählten Objekten in Berlin-Gatow 17

18 Korrosionsschutzschichten für metallene Kulturgüter Ausblick 18

19 Korrosionsschutzschichten für metallene Kulturgüter Ausblick Ausblick: -Vorversuche Stahlblech -Freibewitterungstests Zuckerfabrik Oldisleben 19

20 Korrosionsschutzschichten für metallene Kulturgüter Ausblick Ausblick: -Vorversuche Stahlblech -Freibewitterungstests Oldisleben 20

21 Innovent Ende Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit und ganz besonderen Dank an die Kollegen für die Zusammenarbeit! Dank an Prof. Bernhard Mai, Erfurt Lutz Strobach, Berlin Grünes Gewölbe, Dresden, Restaurierungswerkstätten Das Projekt wird ermöglicht durch die Unterstützung des Bundesminsteriums für Wirtschaft und Energie. Vielen Dank! 21