Die Ultraschallmikroskopie stellt ein neues bildgebendes Verfahren zur zerstörungsfreien Untersuchung von Beschichtungen dar. Ein besonderer Vorteil besteht in der Möglichkeit, Informationen aus dem Inneren einer Probe zu gewinnen. Ziel dieser Arbeit ist die Beurteilung der Ultraschallmikroskopie als Methode zur frühzeitigen Detektion von Alterungserscheinungen in kurzzeitbewitterten Beschichtungen. Damit sollen die Entwicklungszeiten für Beschichtungsprodukte verkürzt werden.
Im Rahmen der Arbeit wurde die Ultraschallmikroskopie mit der Rasterelektronenmikroskopie als etablierte Methode verglichen. Weiters wurden die Auswirkungen zweier unterschiedlicher Bewitterungsverfahren auf die Lackalterung untersucht. Der zeitliche Fortschritt der Lackalterung wurde mit einem besonderen Augenmerk auf Delaminationen als Schädigungsart analysiert. Die Ultraschallmikroskopie stellte sich als geeignete und vielversprechende Methode zur frühzeitigen Erkennung von Schädigungen in Beschichtungen heraus. Dies ermöglicht eine Verkürzung der Bewitterungszyklen verglichen mit klassischen Lackprüfmethoden.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
1.1 Aufgabenstellung
2 Theoretische Grundlagen
2.1 Lacke
2.1.1 Allgemeines
2.1.2 Einteilung von Beschichtungsstoffen
2.1.3 Aufbau von Beschichtungsstoffen
2.1.4 Bestandteilevon Lacken
2.2 Ultraschall
2.2.1 Schallausbreitungund akustische Impedanz
2.2.2 Wellentypen
2.3 Ultraschallmikroskopie
2.3.1 Geschichte
2.3.2 Aufbau und Prinzip
2.3.3 Auflösung
2.3.4 Bildgenerierung
2.3.5 Akustische Impedanz und Reflexionskoeffizient
2.4 Bewitterung
2.4.1 Bestrahlen oderBewittern
2.4.2 Bewitterung oder Korrosionstest
2.4.3 Lackalterung
2.4.4 Einflussfaktoren
2.4.5 Natürliche Bewitterung (Freibewitterung)
2.4.6 Künstliche Bewitterung
3 Materialien und Methoden
3.1 Bewitterungsmethoden
3.1.1 Salzsprühnebelprüfung
3.1.2 Kondenswasserlagerung
3.1.3 VDA-Wechseltest
3.2 Proben
3.2.1 Probentyp A
3.2.2 Probentyp B
3.2.3 Probentyp C
3.3 Ultraschallmikroskop
3.3.1 Erstellung der akustischen Bilder
3.4 Rasterelektronenmikroskopie
4 Ergebnisse
4.1 Vergleich REM - USM
4.2 Vergleich von zwei Bewitterungsmethoden
4.3 Fortschritt der Lackalterung
4.4 Delaminationen
4.4.1 Probentyp A
4.4.2 Probentyp C
4.4.3 Amplitudenumkehr bei Delamination
5 Diskussion
5.1 Ultraschallmikroskopie als Methode
5.2 Vergleich Ultraschallmikroskopie mit REM
6 Zusammenfassung
7 Abbildungsverzeichnis
8 Tabellenverzeichnis
9 Literaturverzeichnis
Kurzzusammenfassung:
Die Ultraschallmikroskopie stellt ein neues bildgebendes Verfahren zur zerstörungsfreien Untersuchung von Beschichtungen dar. Ein besonderer Vorteil besteht in der Möglichkeit, Informationen aus dem Inneren einer Probe zu gewinnen. Ziel dieser Arbeit ist die Beurteilung der Ultraschallmikroskopie als
Methode zur frühzeitigen Detektion von Alterungserscheinungen in kurzzeitbewitterten Beschichtungen. Damit sollen die Entwicklungszeiten für Beschichtungsprodukte verkürzt werden.
Im Rahmen der Arbeit wurde die Ultraschallmikroskopie mit der Rasterelektronenmikroskopie als etablierte Methode verglichen. Weiters wurden die Auswirkungen zweier unterschiedlicher Bewitterungsverfahren auf die Lackalterung untersucht. Der zeitliche Fortschritt der Lackalterung wurde mit einem besonderen Augenmerk auf Delaminationen als Schädigungsart analysiert. Die Ultraschallmikroskopie stellte sich als geeignete und vielversprechende Methode zur frühzeitigen Erkennung von Schädigungen in Beschichtungen heraus. Dies ermöglicht eine Verkürzung der Bewitterungszyklen verglichen mit klassischen Lackprüfmethoden.
Schlagwörter:
Ultraschallmikroskopie, Lackalterung, Kurzzeitbewitterung, Umweltsimulation
Abstract:
Scanning Acoustic Microscopy (SAM) is a new imaging method for non-destructive characterisation of coatings. A great advantage lies in the possibility to get information from within a sample and not only from its surface. The aim of this thesis is the evaluation of SAM as method for early detection of degradation phenomena in coatings that have undergone short-time weathering. The motivation for this is the reduction of development cycles for coatings products.
SAM was compared to Scanning Electron Microscopy (SEM) in order to validate SAM as a method. Further, effects of two different weathering processes on the degradation of coatings were analysed. Time-dependent progress of the degradation with focus on delaminations was characterized. Scanning Acoustic Microscopy proved to be a suitable and promising method for early detection of impairments in coatings. This allows for the reduction of weathering cycle times compared to conventional test procedures for coatings.
Keywords:
Scanning Acoustic Microscopy, coating degradation, accelerated weathering, environment simulation
Dank
An dieser Stelle möchte ich mich bei meinen Eltern bedanken, die mich in allen nur erdenklichen Belangen unterstützen und mich fortwährend motivierten.
Mein Dank gilt auch folgenden Personen:
- Meinem Betreuer seitens der FH Wiener Neustadt, Dr. Roland Palkovits, für sein Vertrauen in meine Arbeit und seine Betreuung
- Meinem Betreuer seitens des Österreichischen Forschungsinstituts, Dr. Volker Uhl, für seine Betreuung und Unterstützung, sowie Ing. Christine Degen, die mich sehr unterstützte
- Dem Leiter des Fachbereichs Oberflächentechnik, Dr. Peter Liepert, für die Möglichkeit, meine Abschlussarbeit am Österreichischen Forschungsinstitut zu verfassen
- Allen Mitarbeitern der Abteilung Oberflächentechnik und Analytik für ihre Hilfsbereitschaft und Unterstützung
1 Einleitung
Beschichtungen werden seit langer Zeit eingesetzt, um zum Beispiel Brücken, Schiffe oder Autos vor Korrosion zu schützen, oder Betonbauwerke vor eindringender Nässe zu bewahren. Seit Beschichtungen im Freien verwendet werden, stellte ihre oft unzureichende Wetterbeständigkeit ein Hauptproblem dar. Um herauszufinden, wie beständig Beschichtungen und Lackierungen sind, werden seit mehr als 100 Jahren Tests im Freien oder in Labors durchgeführt. Aus dem Bestreben heraus, solche Tests mit möglichst großer Wirkung und möglichst kleinem Zeitaufwand zu betreiben, entstand die Kurzzeitbewitterung. Sie dient zur Bestimmung des Alterungsverhaltens von Beschichtungen [1].
Um Entwicklungszeiten für Beschichtungsprodukte weiter zu verkürzen, laufen Bemühungen, innovative Umweltsimulationstechniken und Analyseverfahren zu entwickeln [2]. Dadurch sollen in wesentlich kürzerer Zeit verlässliche Aussagen über das Langzeitverhalten von Beschichtungen getroffen werden können. Bei Polymerbeschichtungen konnten mit Methoden wie der IR-Spektroskopie, Thermo- und Chemolumineszenz beachtliche Fortschritte erzielt werden und die Dauer üblicher Kurzbewitterungsverfahren konnte aufbis zu ein Viertel reduziert werden [1].
Die Ultraschallmikroskopie (Scanning Acoustic Microscopy, SAM) ist ein vielversprechendes bildgebendes Verfahren zur zerstörungsfreien und frühzeitigen Erkennung von Alterungserscheinungen bei Beschichtungen [3, 4]. In dieser Arbeit wird die Ultraschallmikroskopie behandelt und auf ihre Anwendbarkeit hin beurteilt. Die vorliegende Arbeit wurde am Österreichischen Forschungsinstitut für Chemie und Technik in der Abteilung Oberflächentechnik und Analytik in Wiener Neustadt verfasst.
1.1 Aufgabenstellung
Das Ziel der vorliegenden Arbeit bestand darin, die Anwendbarkeit der Ultraschallmikroskopie zur frühzeitigen und zerstörungsfreien Detektion von Alterungserscheinungen und Schädigungen von kurzzeitgealterten organischen Beschichtungen auf Metallsubstraten zu beurteilen. Die in der Arbeit untersuchten Substrate wurden mit Kurzbewitterungsverfahren beansprucht.
Durch diese neue Analysemethode soll die Dauer von Bewitterungsverfahren verkürzt werden, um damit die Entwicklungszeiten von Beschichtungsprodukten im Vergleich zu klassischen Prüfmethoden zu reduzieren.
Ein Vergleich der Ultraschallmikroskopie zur Rasterelektronenmikroskopie sollte durchgeführt werden, um die Ultraschallmikroskopie als neue Methode einem etablierten Analyseverfahren gegenüberzustellen.
Weiters sollten zwei unterschiedliche Bewitterungsverfahren mittels Ultraschallmikroskopie miteinander verglichen werden. Dies sollte die Anwendbarkeit der Methode bei verschiedenen Kurzbewitterungsmethoden überprüfen.
Der Fortschritt der Lackalterung sollte anhand Bewitterung und Analyse von zwei unterschiedlichen Beschichtungssystemen untersucht werden. Besonderes Augenmerk sollte auf Delaminationen als Schädigungsart gelegt werden.
2 Theoretische Grundlagen
2.1 Lacke
2.1.1 Allgemeines
[1] Der Begriff „Lack" steht im normalen Sprachgebrauch generell für eine äußere sichtbare Schutzschicht. Dies ist so nicht ganz korrekt, weil er nicht alle Möglichkeiten der organischen Überzüge zum Schutz von Oberflächen beinhaltet. Richtigerweise sollte man als Überbegriff für Beschichtungen aller Art die Bezeichnung Beschichtungsstoffe verwenden (die genaue Definition ist in der DIN 55 945 festgelegt).
Aus Beschichtungsstoffen werden mehrschichtige sogenannte Beschichtungssysteme aufgebaut. Sie erfüllen eine Vielzahl von Aufgaben:
Dekorative Funktion
Lacke werden zum Verschönern von Gegenständen verwendet. In der heutigen wettbewerbsgetriebenen Zeit haben Produkte, die neben ihrer eigentlichen Funktion optisch ansprechender sind als andere, einen zusätzlichen Wettbewerbsvorteil.
Schutzfunktion
Eine zweite, noch wichtigere Aufgabe der Beschichtungsstoffe ist der Schutz von Gegenständen vor Korrosion und Verwitterung oder biologischen Abbau. Ohne entsprechende Schutzmaßnahmen würden Gegenstände in kürzester Zeit unbrauchbar werden. Für solche Anwendungen eignen sich Mehrschichtsysteme, auf die später eingegangen wird.
Spezialfunktionen
Hier sind einige Beispiele für spezielle Anwendungen von Beschichtungssystemen aufgeführt. Elektroisolierlacke isolieren elektrische Leiter; Leitlacke wiederum werden zur Erzeugung von elektrisch leitfähigen Schichten verwendet; Tarnbeschichtungen werden vom Militär eingesetzt, um Einrichtungen für das menschliche Auge, UV- und Infrarotstrahlen unsichtbar zu machen.
2.1.2 Einteilung von Beschichtungsstoffen
Abhängig vom Betrachtungswinkel und des Einsatzschwerpunktes des Anwenders kann die Einteilung der Beschichtungsstoffe nach sehr unterschiedlichen Kriterien erfolgen.
Die wichtigsten Einteilungsmerkmale sind
a) Art des Filmbildners
Alkydharzlacke, Nitro-Kombilacke, Acryllacke, 2-Komponenten-Polyurethanlacke usw.
b) Umweltverträglichkeit Wasserlacke, Pulverlacke, High-Solid-Systeme usw.
c) Applikationsweise Gießlacke, Tauchlacke, Airlesslacke usw.
d) Art der Trocknung
Einbrennlacke, lufttrocknende Lacke, oxidativ härtende Lacke usw
e) Funktion im Mehrschichtaufbau
Primer, Spachtel, Füller, Grundierung usw.
f) Verwendungszweck
Auto-, Holz-, Maler-, Möbellacke, Rostschutzsysteme usw.
g) Filmeigenschaften Mattlack, Klarlack, Effektlack usw.
Eine wichtige Rolle beim Aufbau von Beschichtungssystemen kommt den Grundierungen zu. In Systemen auf metallischem Untergrund sind sie für den Korrosionsschutz des Metalls verantwortlich. Diese Schutzfunktion beruht auf chemischen Passivierungsvorgängen an der Substratfoberfläche bzw. auf Korrosionsschutzpigmenten (siehe Kap. 2.1.4.5), welche elektrochemische Mechanismen hervorrufen.
Im industriellen Korrosionsschutz wird u.a. Zinkphosphat verwendet (z.B. bei Autos). Für Großprojekte wie Brücken oder Schiffe (schwerer Korrosionsschutz) ist Zinkstaub ein wichtiger Vertreter.
2.1.3 Aufbau von Beschichtungsstoffen
[2] Nach der DIN 55 945 ist ein Anstrichstoff ein flüssiger bis pastenförmiger Beschichtungsstoff, dervorwiegend durch Streichen, Rollen oder Spritzen appliziert wird.
Ein Beschichtungsstoff, der organische Bindemittel (Kunstharze oder Naturstoffe) als Grundlage hat, und einen auf einem Untergrund haftenden, zusammenhängenden, praktisch wasserundurchlässigen (nicht saugenden), schützenden und gegebenenfalls dekorativen Film ergibt, wird nach der DIN 55 945 als Lack bezeichnet. Die Beschichtung wird als Lackierung bezeichnet und besteht aus dem Lackfilm.
Pulverlacke werden in Pulverform aufgetragen und dann aufgeschmolzen, so dass auf dem Untergrund eine Lackierung entsteht. Sie sind demnach keine Anstrichstoffe.
Alle Beschichtungsstoffe sind prinzipiell nach dem in Tabelle 1 dargestellten System aufgebaut. Nicht jeder Beschichtungsstoff enthält alle der aufgelisteten Komponenten. (Beispielsweise sind in einem Klarlack keine Füllstoffe und Pigmente enthalten, und in einem Pulverlack keine Lösemittel.)
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Tabelle 1: Aufbau eines Beschichtungsstoffes [6]
2.1.3.1 Einteilung
Die Komponenten von Beschichtungsstoffen werden in vier Kategorien eingeteilt: Filmbildner, Pigmente und Füllstoffe, Lösemittel und Additive (siehe Abbildung 1).
Filmbildner stellen den wichtigsten Bestandteil von Beschichtungsstoffen dar; es gibt keinen Beschichtungsstoff ohne Filmbildner. Der Filmbildner und die nichtflüchtigen Additivanteile bilden das Bindemittel. Filmbildner werden oft - unrichtig - als Bindemittel bezeichnet. Nach der DIN 55 945 ist der Filmbildner der Teil des Bindemittels, der verantwortlich für die Ausbildung des Lackfilms ist.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Nach der DIN 55 945 ist ein Bindemittel der nichtflüchtige Anteil eines
Beschichtungsstoffes ohne Pigment und Füllstoff, aber einschließlich Weichmachern, Trockenstoffen und anderen nichtflüchtigen Hilfsstoffen. Auch reaktive Stoffe, die an sich flüchtig sind, können zum Bindemittel gehören, soweit sie durch eine chemische Reaktion Bestandteil der Beschichtung werden.
2.1.3.2 Funktionen
Im nächsten Kapitel 2.1.4 wird ausführlich auf die Bestandteile von Beschichtungsstoffen eingegangen. An dieser Stelle seien die wichtigsten Informationen für die Zusammensetzung von Beschichtungsstoffen zusammengefasst:
Der Filmbildner definiert die meisten physikalischen und chemischen Eigenschaften eines Beschichtungsstoffes. Bei einigen Klarlacken ist der Filmbildner sogar der einzige Bestandteil, aber in jedem Beschichtungsstoff ist ein Filmbildner enthalten. Der innere Zusammenhalt der Beschichtung beruht auf der Kohäsion. An den Untergrund bindet der Filmbildner die Beschichtung durch Adhäsion.
Lösemittel erleichtern bzw. ermöglichen meist erst die Anbringung eines Beschichtungsstoffes. Sie beeinflussen die Viskosität und bei chemisch härtenden Beschichtungsstoffen das Reaktionsverhalten vor und während der Anbringung. Üblicherweise werden organische Stoffe mit niedriger Molekülgröße (Benzine, Ester oder Alkohole) als Lösemittel eingesetzt. Um die Umweltverträglichkeit zu erhöhen, wird heutzutage immer öfter auch Wasser als Lösemittel verwendet. Die Verdunstungsreihenfolge und -geschwindigkeit bestimmen das Fließverhalten eines Beschichtungsstoffes beim Trocknen. So nehmen Lösemittel Einfluss auf die Trockenzeit und die Eigenschaften der fertigen Beschichtung. Dispersionsmittel lösen den bzw. die Filmbildner nicht, sorgen jedoch für eine heterogene Verteilung.
Additive verleihen dem Beschichtungsstoff bzw. der fertigen Beschichtung bestimmte Eigenschaften oder helfen, unerwünschte Eigenschaften zu beseitigen. Normalerweise werden Additive in geringen Mengen eingesetzt (unter 5 %, meist nur 0,01 bis 1 %).
Pigmente können einer Beschichtung Farbe verleihen und das Deckvermögen erhöhen. Spezielle Pigmente dienen etwa zum Korrosionsschutz oder zur Beeinflussung der elektrischen Leitfähigkeit.
Füllstoffe werden vorwiegend eingesetzt, um der Beschichtung bestimmte mechanische Eigenschaften zu verleihen. Füllstoffe können zum Beispiel die Sperrwirkung erhöhen, die Haftung am Substrat verbessern oder die Filmfestigkeit steigern. Aufgrund ihres niedrigen Preises werden sie eingesetzt, um einer Beschichtung mehr Volumen (Fülle) zu geben. Dadurch können Unebenheiten des Substrats ausgeglichen werden.
2.1.4 Bestandteile von Lacken
2.1.4.1 Filmbildner
Filmbildner sind die wesentlichsten Bestandteile der Beschichtungsstoffe. Sie sind verantwortlich für das Zustandekommen der Beschichtung. Ohne Filmbildner kann ein Lackfilm gar nicht erst entstehen!
Vom chemischen Aufbau her sind Filmbildner meist makromolekulare organische (kohlenstoffhaltige) Stoffe oder makromolekülbildende Stoffe. Sie werden synthetisch hergestellt. Weil Filmbildner grundsätzlich in flüssiger Form vorkommen, muss die Molmasse (die Masse ihrer kleinsten Teilchen) so gewählt werden, dass die Viskosität für die Lackverarbeitung geeignet ist.
2.1.4.1.1 Mechanismen derFilmbildung
Die Filmbildung kann durch physikalische sowie chemische Trocknung erfolgen.
Physikalische Trockung
Beim Mechanismus der physikalischen Trocknung bleiben die im Lack enthaltenen Bindemittelmoleküle während der Trockung erhalten. Die Filmbildung geschieht nur aufgrund des Verdunstens des Lösemittels.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Chemische Härtung
Wenn zusätzlich zur Lösemittelverdunstung eine chemische Vernetzung der Bindemittelmoleküle geschieht, spricht man von chemischer Härtung. Die vielen kleinen Moleküle haben sich nach der Filmbildung zu einem Riesenmolekül verbunden. Der Film ist nicht mehr löslich und weist eine hohe Beständigkeit auf.
Die Vernetzung kann nach drei Prinzipien erfolgen:
- Polykondensation
- Polyaddition
- Polymerisation
Polykondensation
Die Polykondensation ist eine Reaktion unter funktionellen Gruppen, die fast immer zu unterschiedlichen Filmbildnermolekülen gehören. Die Vernetzung erfolgt bei höheren Temperaturen. Als Nebenprodukt wird meistens Wasser abgespalten.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 3: Polykondensation [5]
Polyaddition
Diese Reaktion geschieht zwischen zwei verschiedenen Bindemittelkomponenten. Sie erfolgt schon bei Raumtemperatur und fängt an, wenn die Reaktionspartner Zusammenkommen. Daher sollten sie erst kurz vor der Verarbeitung zusammengemischt werden. Bindemittelkomponenten, die durch Polyaddition reagieren, bilden die Grundlage der 2-Komponenten-Systeme. Bei dieser Reaktionsart fallen keine Abspaltprodukte an.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 4: Polyaddition [5]
Polymerisation
Sie tritt bei Molekülen mit Doppelbindungen auf. Durch Energiezufuhr bzw. radikalbildende Substanzen werden sie in Radikale aufgespalten. Ein Radikal ist ein sehr reaktionsfreudiges Molekül. Die Radikale werden an benachbarten Doppelbindungen weitergegeben. So entsteht an den Doppelbindungen eine neue Bindung plus ein neues Radikal und so weiter. Dieser Vorgang entwickelt sich zur Kettenreaktion und läuft bis zur vollständigen Vernetzung der Monomere.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 5: Polymerisation [5]. I: Auftrennen der Doppelbindungen. II: Radikalbildung. III:
Kettenverknüpfung
2.1.4.1.2 Wichtigste Filmbildner
Natürliche Filmbildner: In früheren Zeiten wurden Naturharze wie Schellack und Dammar als Filmbildner eingesetzt. Heute finden sie jedoch kaum noch Verwendung. Bis heute erhalten haben sich natürliche, trocknende und nichttrocknende Öle bzw. Fettsäuren wie Ricinusöl oder Leinöl. Sie werden meist eingesetzt, um die Eigenschaften anderer Filmbildner zu modifizieren. Als Beispiel seien Alkydharze genannt, die ölmodifizierte Polyester sind. Alkydharze sind die Hauptbindemittel für Malerlacke und Bautenlacke.
Polyester: Sie bilden die umfangreichste Bindemittelgruppe. Polyester werden in reiner oder modifizierter Form verwendet.
Unmodifizierte, ölfreie Polyester finden vorrangig Anwendung in Einbrennsystemen, Pulverlacken sowie 2-Komponenten-Lacken. Modifizierte Polyester sind besser unter dem Namen Alkydharze bekannt.
Phenolharze: Kombiniert mit Epoxidharzen werden sie als Goldlacke im Emballagensektor eingesetzt. Wegen ihrer hohen chemischen Beständigkeit werden Phenolharze in der Lebensmittelindustrie und bei Aufbewahrungsbehältern für aggressive Güter verwendet.
Epoxidharze: Epoxidharze gehen schon bei Raumtemperatur eine Vernetzung über Polyaddition ein. Dadurch sind sie für 2-Komponenten-Systeme geeignet und spielen eine wichtige Rolle im schweren Korrosionsschutz (bei Großobjekten und Industrieanlagen), wo ein Einbrennen nicht möglich ist.
Als Vernetzungspartner werden Polyamide und Polyamine verwendet. Epoxidharze zeichnen sich durch hohe Elastizität und Haftungsfähigkeit aus. Sie sind weiters sehr chemikalien- und wasserbeständig. Epoxidharze werden auch in Pulverlacken eingesetzt.
Acrylharze: Wegen ihrer hervorragenden Licht- und Wetterbeständigkeit sind Acrylharze sehr gefragte Filmbildner in hochwertigen Beschichtungsstoffen. In der Fahrzeuglackierung sind sie die führenden Filmbildner. Acryharze werden als Einbrennsystem oder in 2-Komponenten-Lacken eingesetzt.
2.1.4.2 Lösemittel
[3] Lösemittel sind sicherlich die unbequemsten Komponenten der Anstrichstoffe, weil sie gegensätzliche Eigenschaften erfüllen sollen: Einerseits sollen Lösemittel den Lack optimal verarbeitbar machen, bis er appliziert wurde. Anderererseits sollen sie danach möglichst schnell und ohne Rückstände verdunsten [5].
Lösemittel sollen also die Viskosität des Beschichtungsstoffes auf ein für den jeweiligen Einsatzzweck günstiges Level einstellen und dieses Niveau während der Applikation und Filmbildung regulieren. Die Zusammensetzung eines Lösemittels hat unter anderem Einfluss auf die Bildung von Filmschäden (z.B. schlechter Verlauf), die Haftung am Substrat und auf die Korrosionsschutzwirkung.
An Lösemittel werden folgende Anforderungen gesetzt: hell und farblos, Verdunstung ohne Rückstände, nicht reaktiv, nicht oder nur schwach riechend, wenig giftig, biologisch abbaubar und billig.
2.1.4.2.1 Charakterisierung
Als Lösemittel werden viele organische Verbindungen (allein oder mit anderen Flüssigkeiten) verwendet. Abhängig von der Art, wie sie sich an Wasserstoffbrückenverbindungen beteiligen, werden Lösemittel in drei Kategorien eingeteilt:
- Lösemittel mit schwacher Wasserstoffbrückenbindung
- Lösemittel mit mäßig starker Wasserstoffbrückenbindung
- Lösemittel mit starker Wasserstoffbrückenbindung
Außerdem können Lösemittel noch anhand des Wasserstoffbrückenparameters γ eingeteilt werden. Dieser Parameter wird mit Infrarotspektroskopie gemessen und beschreibt die Stärke von Wasserstoffbrückenverbindungen im jeweiligen Lösungsmittel.
Zu den Lösemitteln mit schwacher Wasserstoffbrückenbindung gehören
- Kohlenwasserstoffe
- Chlorkohlenwasserstoffe
- Nitroverbindungen und
- Nitrile.
Die Kohlenwasserstoffe sind aufgeteilt in aliphatische und aromatische Kohlenwasserstoffe. Aromatische Kohlenwasserstoffe sind im Allgemeinen teurer und weisen ein höheres Lösevermögen auf.
Lösemittel mit mäßig starker Wasserstoffbrückenbindung reagieren in Wasserstoffbrücken als H-Akzeptoren. Ester und Ketone werden am häufigsten eingesetzt. Ihr Lösevermögen ist relativ hoch. Ketone werden vorwiegend verwendet, weil sie preisgünstiger als Ester sind. Ketone sind klare, leicht bewegliche Flüssigkeiten. Niedere Ketone (beispielsweise Aceton oder Methylethylketon) können polare Substanzen und einige niederpolare Stoffe lösen. Bei höheren Ketonen (wie Methylanylketon) ist der Anteil der Kohlenwasserstoffe an der Verbindung größer. Sie sind gute Lösemittel für unpolare Stoffe und (Co)Polymerisate.
Ester sind wie Ketone wasserklar, neutral und sehr beständig. Je größer die Kohlenwasserstoffketten, desto mehr nimmt das Lösevermögen für polare Stoffe ab, und für weniger polare Harze zu. In der Lackindustrie werden oftAcetate eingesetzt.
Lösemittel mit starker Wasserstoffbrückenbindung können als H-Akzeptoren und H- Donatoren reagieren. Die wichtigsten Vertreter sind Alkohole. Deren Lösevermögen ist von der Länge der unpolaren Kohlenwasserstoffketten und der Stellung der Hydroxygruppe(n) abhängig. Niedere Alkohole eignen sich für stark polare Filmbildner. Bei höheren Alkoholen nimmt die Löslichkeit für polare Substanzen mit der Länge der Kohlenwasserstoffkette ab. Höhere Alkohole werden oft als Lösemittel für Decklacke auf Grundierungen eingesetzt, weil die Grundierung durch das milde Lösevermögen nicht beeinträchtigt wird.
2.1.4.2.2 Eigenschaften
Flüchtigkeit: Während der Applikation und der Filmbildung soll die flüchtige Komponente eines Beschichtungsstoffes verdunsten. Die Verdunstungsgeschwindigkeit beeinflusst die Trockenzeit, das Aussehen und die physikalischen Eigenschaften der fertigen Beschichtung.
Polarität: Verschiedene Parameter wie Dipolmoment, Polarisierbarkeit und die Tendenz zur Beteiligung an Wasserstoffbrückenbindungen bestimmen die Polarität eines Lösemittels. Lösemittel werden demnach in polare und unpolare Lösemittel eingeteilt.
Viskosität: Die Zähflüssigkeit einer Beschichtung kann eingestellt werden durch die Auswahl des Filmbildners, die Zugabe von Rheologieadditiven und die Art des zugesetzten Lösemittels. Der Einfluss des Lösemittels auf die Viskosität einer Beschichtung ist erstens durch der Viskosität des Lösemittels selbst gegeben. Zweitens haben die Wechselwirkungen zwischen Filmbildner und Lösemittel (oder zwischen verschiedenen Lösemitteln eines Gemisches) großen Einfluss.
2.1.4.3 Additive
Additive (Lackhilfsmittel) zählen als Zusatzmittel nicht zu den Hauptbestandteilen der Beschichtungsstoffe. Sie werden nur in kleinen Mengen (zwischen 0,1 und 1,5 Prozent) in Lackrezepturen eingesetzt. Additive steuern bestimmte wichtige Eigenschaften des Lackes. Sie haben trotz ihres geringen Anteils an der Gesamtmischung eine große Wirkung und werden aus Gründen der besseren Dosierung in Form von Lösungen und Pasten verwendet.
Erwähnenswert sind die Weichmacher, die im Unterschied zu anderen Additiven in größeren Mengen eingesetzt werden und harzähnliche Eigenschaften aufweisen.
Im Folgenden werden einige Beispiele von Additiven beschrieben:
Netzmittel und Emulgatoren: Hierbei handelt es sich um Tenside. Sie erleichtern die Benetzung und sorgen für eine stabile Verteilung der Pigmentteilchen im Lack.
Verlaufsmittel: Verlaufsmittel unterstützen die Glättung der Lackoberfläche während der Trocknung, indem sie die Oberflächenspannung herabsetzen.
Fotoinitatoren: Sie absorbieren UV-Strahlung und bilden dabei Radikale. Dadurch wird eine Polymerisation ausgelöst und die Härtungsreaktion im Film wird gestartet.
2.1.4.4 Füllstoffe
Füllstoffe sind verwandt mit den Pigmenten. Ob eine Substanz als Pigment oder als Füllstoff bezeichnet wird, hängt nur von ihrer Verwendung ab. Nach der DIN 55 943 ist ein Füllstoff eine aus Teilchen bestehende, im Anwendungsmedium praktisch unlösliche Substanz, die zur Vergrößerung des Volumens oder Verbesserung technischer Eigenschaften und/oder Beeinflussung optischer Eigenschaften verwendet wird.
Da Füllstoffe in der Regel eine relativ niedrige Brechzahl aufweisen, ist der Unterschied zwischen Füllstoff und umliegendem Medium meist zu gering für eine Lichtbrechung. Die Füllstoffe erscheinen dann fast transparent, haben also eine vernachlässigbare Farbwirkung.
Füllstoffe sollen eine hohe Raumfüllung erreichen, um im Beschichtungsstoff ein stabiles Gerüst herzustellen. So beeinflussen sie die mechanischen Filmeigenschaften und dienen unter anderem zur Verstärkung, zur Verbesserung der Biege-, Haft- und Zugfähigkeit und zur Steuerung des Glanzgrades von Beschichtungen. Hauptsächlich werden Füllstoffe in Grundierungen, Füllern, Spachtelmassen und kunstharzgebundenen Putzen eingesetzt [6].
2.1.4.5 Pigmente
[4] Pigmente sind pulverförmige, im Anstrichstoff ungelöste Mittel, die in der DIN 55 943 folgendermaßen von den Füllstoffen abgegrenzt werden: Sie werden als Farbmittel oder wegen ihrer korrosionshemmenden oder magnetischen Eigenschaften verwendet. In dieser Arbeit wird nur auf die Korrosionsschutzpigmente eingegangen.
Die Aufgabe von Korrosionsschutzpigmenten ist es, metallische Substrate, meist Zink, Stahl oder Aluminium, vor Korrosion zu schützen. Zwei Mechanismen sind für die Korrosion von Metallen verantwortlich, nämlich
- chemische Korrosionsreaktionen und
- elektrochemische Korrosionsreaktionen.
Wenn Elektrolyte an der Metalloberfläche vorhanden sind und an verschiedenen Stellen der Oberfläche unterschiedliche elektrische Potentiale herrschen, führt dies in Verbindung mit einem Oxidationsmittel (z.B. Sauerstoff) zu elektrochemischer Korrosion.
Korrossionsschutzpigmente können auf
- physikalische,
- chemische und/oder
- elektrochemische Art wirken.
Physikalisch wirken Korrosionsschutzpigmente unter anderem durch den sogenannten Barriere-Effekt: Die Pigmente ordnen sich dachziegelartig an. Dadurch müssen sich korrosionsfördernde Agenzien einen Zick-Zack-Kurs durch den Lack zum Metall bahnen. Der Diffusionsweg für die Korrosionsagenzien wird also verlängert und die Korrosion fängt später an.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Außerdem verbessern einige Pigmentarten die Haftung der Beschichtung am Substrat. Zusätzlich schützen manche Pigmenttypen durch Reflexion und Absorption von UV- Strahlung den Filmbildner vor photochemischer Zerstörung.
Um eine chemische Schutzwirkung entfalten zu können, müssen Korrosionsschutzpigmente eine spezifische Löslichkeit aufweisen. Viele Korrosionsschutzpigmente sorgen an der Metalloberfläche für einen alkalischen pH-Wert und neutralisieren gleichzeitig saure Stoffe. Manche Schutzpigmentarten bilden schwerlösliche Verbindungen und fangen auf diese Weise Korrosionsstimulatoren ab.
Durch Korrosionsschutzpigmente mit elektrochemischer Wirkung wird die Metalloberfläche passiviert. Pigmente, die man als aktiv im kathodischen Bereich bezeichnet, verzögern Korrosion durch ihr hohes Oxidationspotential. Anodisch aktive Pigmente bilden eine Schutzschicht auf der Metalloberfläche.
Die Kategorisierung von Korrosionsschutzpigmenten erfolgt nach ihrem chemischen Charakter in bleihaltige, chromathaltige, phosphathaltige und metallische sowie sonstige Korrosionsschutzpigmente.
Bleihaltige Korrosionsschutzpigmente: Wichtigster Vertreter ist Bleimennige (РЬз04). Der passivierende Effekt des Pb(IV)-Gehalts von Bleimennige ist verantwortlich für dessen elektrochemische Wirkung. Bleimennige wirkt außerdem chemisch, indem es mit Korrosionsstimulatoren schwerlösliche Verbindungen bildet.
Chromathaltige Korrosionsschutzpigmente: Sie sind chemisch und elektrochemisch wirksam. Verwendet werden Zinkchromate und Strontiumchromat. Chromatpigmente gelten als krebserregend.
Phosphathaltige Korrosionsschutzpigmente: Sie gelten als umweltfreundlicher als bleihaltige und chromathaltige Pigmente, sind aber nicht so wirksam. Wichtige Vertreter sind Zinkphosphate und Chromphosphat. Phosphathaltige Pigmente sind chemisch und elektrochemisch im anodischen Bereich wirksam.
Metallische Korrosionsschutzpigmente: Der bedeutenste Vertreter von metallischen Schutzpigmenten ist Zink, welcher in Form von Zinkstaub verwendet wird. Mit Luft bildet sich an der Oberfläche der Zinkpartikel Zinkhydroxid, das als physikalische Sperrschicht wirkt und außerdem saure Substanzen neutralisiert. Gleichzeitig wirkt Zinkstaub auch elektrochemisch: Zink wirkt als Opferanode und ermöglicht so den kathodischen Schutz des Eisens.
Sonstige Korrosionsschutzpigmente: Hier sei als Beispiel Eisenglimmer aufgeführt, da es nur physikalisch wirksam ist. Eisenglimmer erhöht aufgrund seiner Blättchenstruktur die Beständigkeit gegen Wetter und atmosphärische Einflüsse.
2.2 Ultraschall
[5] Das Prinzip der Ultraschallmikroskopie basiert auf Schallwellen mit hoher Frequenz, die sich in der zu untersuchenden Probe ausbreiten. Diese Ausbreitung ist abhängig von den elastischen Eigenschaften des Materials. Daher muss für den gewünschten Anwendungsbereich beziehungsweise das zu untersuchende Material der optimale Frequenzbereich bestimmt werden. Es werden in der Ultraschallmikroskopie Frequenzen im Bereich von etwa 5 MHz bis mehrere GHz verwendet [7, 8].
Der Ultraschallbereich beginnt bei einer Frequenz über 20 kHz. Ab dieser Grenze kann der Mensch Schallwellen nicht mehr hören. Ultraschallwellen können sich nur über ein Medium ausbreiten. Dieses muss elastisch sein, d.h. die Schwingungen weitergeben können. Ultraschall kann sich in Gasen, Flüssigkeiten und Festkörpern ausbreiten. Entgegengesetzt zu Lichtwellen können sich Ultraschallwellen nicht im Vakuum fortbewegen [9].
Die Argumente einer Welle wie der Ultraschallwelle sind deren Wellenlänge sowie die Amplitude.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 7: Wellenlänge und Periode einer Ultraschallwelle [8]
Die Anzahl der Wellen pro Sekunde entspricht der Frequenz, welche die Einheit Hertz besitzt. Eine Periode Τ ist die Zeit, die für eine vollständige Welle benötigt wird. Ihre Einheit ist die Sekunde s. Die Frequenz/formuliert sich also folgendermaßen:
Theoretisch ist die Ausbreitungsfähigkeit der Ultraschallwelle mit deren Wellenlänge λ gleichzusetzen. Die tatsächliche Eindringtiefe hängt jedoch auch von den elastischen Eigenschaften des Mediums und der Frequenz ab.
Aus der Frequenz/und der Wellenlänge λ lässt sich die Schallgeschwindigkeit berechnen:
Die Schallgeschwindigkeit ist von der Elastizität der Molekülverbindungen abhängig (ein Maß dafür ist der Elastizitätskoeffizient Q. Auch die Dichte ρ hat Einfluss auf die Schallgeschwindigkeit. Das heißt, dass sich Schallwellen in verschiedenen Medien mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten fortbewegen. Beispielsweise beträgt die Schallgeschwindigkeit in Epoxid etwa 1900 m/s.
2.2.1 Schallausbreitung und akustische Impedanz
Die akustische Impedanz z beschreibt den Widerstand, den ein Material der Schallausbreitung entgegenwirkt. Auch bekannt als Schallwellenwiderstand erlaubt die akustische Impedanz Aussagen über die Übertragungseigenschaften eines Mediums. Ultraschallmikroskopie ermöglicht es, über die akustische Impedanz Materialien zu identifizieren [7].
Sie wird bestimmt von der Schallgeschwindigkeit v und der Dichte ρ eines Materials und in Megarayl [Mrayl] angegeben:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Die akustische Impedanz ist materialspezifisch und wird auch durch das Verhältnis von Schalldruck zu Schallfluss beschrieben. Der Schalldruck p kennzeichnet die Druckschwankungen des Übertragungsmediums. Der Schallfluss q beschreibt die Anzahl der Teilchen des Mediums, die durch den Schalldruck pro Zeiteinheit durch eine Fläche A hin- und herströmen.
[...]
[1] Für die Abschnitte 2.1.1 bis inkl. 2.1.3 bildete, wenn nicht anders angegeben, [5] die Grundlage
[2] Siehe [6]
[3] Das Kapitel folgt im Wesentlichen [6]
[4] Das Kapitel 2.1.4.5 folgt [6].
[5] Für die Kapitel 2.2 und 2.2.1 dient im Wesentlichen [8] als Grundlage.
- Citar trabajo
- MSc Manuel Weiss (Autor), 2011, Ultraschallmikroskopie zur frühzeitigen Detektion von Alterungserscheinungen bei kurzzeitbewitterten Korrosionsschutz-Beschichtungen, Múnich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/263608
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