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17.12.2017

Vorbehandeln & Entlacken

Vorbehandeln & Entlacken: 07.04.2017

Korrosionsschutz mit weniger Zink

Welche Faktoren sich auf die Schutzeigenschaften von Zinkprimern auswirken

Zinkprimer sind in der Regel leicht applizierbar und verhältnismäßig kostengünstig. Da lösliche Zinkkorrosionsprodukte als wassergefährdend eingestuft sind, soll der Zinkgehalt der Primer reduziert werden, ohne Schutzwirkungsverluste hinnehmen zu müssen. Neuartige Formulierungen von Zinkprimern hat jetzt das Fraunhofer IPA in einem aktuellen Forschungsprojekt untersucht.

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Abbildung 1 veranschaulicht die Ergebnisse der 1000-stündigen Kondenswassertest-Beanspruchung nach Haagen (DIN EN ISO 6270-1) für die drei Zinkprimer ZS0, ZxA und ZxB.

Obwohl es mittlerweile ein breites Angebot an zinkfreien Korrosionsschutzprimern gibt, werden vor allem im Stahlbau nach wie vor Primer mit überwiegend hohem Zinkpigmentgehalt eingesetzt. In diesen Primern dienen die Zinkpigmente bei Einwirkung korrosiver Substanzen als Opferanoden. Die hierbei entstehenden Zinkkorrosionsprodukte sind voluminös und tragen daher zur Beschichtungsbarriere bei. Zinkprimer können wirtschaftlich eingesetzt werden und sind leicht applizierbar. Wegen des Wassergefährdungspotenzials ihrer löslichen Korrosionsprodukte bemüht man sich jedoch um eine Verminderung des Zinkgehalts unter Schutzwirkungserhalt. Dafür sind neuartige Formulierungen von Zinkprimern jetzt untersucht worden. In der (Tabelle 1) sind drei Formulierungen aufgezeigt, wobei ZS0 einen einfachen Zinkprimer mit hohem Zinkgehalt repräsentiert. In der Variante ZxA ist der Gesamtgehalt an Zink deutlich reduziert; dafür enthält diese Formulierung anteilig ein spezielles, plättchenförmiges Zinkpigment und ein Zinkphosphat-Korrosionsschutzpigment. Die Variante ZxB unterscheidet sich von ZxA lediglich darin, dass der in ZxA enthaltene Zinkstaub vor dem Dispergieren durch eine Oberflächenbehandlung partiell passiviert wurde. Alle drei Varianten wurden mittels Spritzapplikation auf gestrahlte Stahlbleche (Sa 2.5) aufgebracht (Trockenschichtdicke: ca. 80 µm).

Rückschlüsse auf Unterrostung und Wasseraufnahme

Diese drei Varianten wurden zunächst einem Kondenswassertest nach Haagen (gemäß DIN EN ISO 6270-1) ausgesetzt. Nach 1000 h Einwirkung wurden die zuvor mittels eines Präzisionsbohrers (ø 2 mm) punktuell bis zum Substrat verletzten Prüftafeln aus der Beanspruchung entnommen und nach Trocknung mittels eines Gitterschnittgerätes bzw. des anschließenden Klebebandabrisses (gemäß DIN EN ISO 2409) hinsichtlich Delamination charakterisiert (Abbildung 1). Weiterhin wurden die Prüfbleche vor und nach dem Kondenswassertest mittels elektrochemischer Impedanzspektroskopie (EIS) charakterisiert.

Tabelle 1 zeigt, wie die drei Zinkprimer-Varianten zusammengesetzt sind.

Tabelle 1 zeigt, wie die drei Zinkprimer-Varianten zusammengesetzt sind.

Tabelle 2 fasst die Testergebnisse für Haftfestigkeit, Korrosion, Wasseraufnahme und deren Reversibilität (WAR) zusammen.

Tabelle 2 fasst die Testergebnisse für Haftfestigkeit, Korrosion, Wasseraufnahme und deren Reversibilität (WAR) zusammen.

Aus der Differenz der durch Simulation der Spektren erhältlichen Parameter lassen sich Rückschlüsse auf den Umfang der Unterrostung und der Wasseraufnahme ziehen. Sämtliche Ergebnisse sind in der (Tabelle 2) zusammengefasst. Da die Schutzwirkung eines Primers nur unvollständig durch Einwirkung einer isothermen Beanspruchung erfasst werden kann, wurden die Prüftafeln in einem zweiten Experiment einer kurzperiodischen Thermozyklisierung unter Elektrolyteinwirkung ausgesetzt. Dies erlaubt bei impedanzspektroskopischer online-Detektion der Beschichtungskapazität Rückschlüsse auf die thermozyklisch induzierte Wasseraufnahme sowie auf die Fähigkeit der Beschichtung, das bei Temperaturerhöhung aufgenommene Wasser nach erfolgter Abkühlung wieder abzugeben. Der Unterschied dieser zwischen dem ersten und dem letzten Thermozyklus detektierten "Elastizität" kann als Maß für die Wasseraufnahmereversibilität (WAR) angesehen werden. Man erkennt, dass die Probe ZS0 trotz des hohen Zinkgehalts in keiner der Kenngrößen die beste Bewertung aufweist. Auffallend ist, dass im Fall der isothermen Kondenswasser-Beanspruchung stets die Probe ZxA, im Fall der thermozyklischen Beanspruchung stets die Probe ZxB das beste Resultat liefert. Hieraus können folgende Schlüsse gezogen werden:

  • Eine deutliche Verminderung des Zinkgehalts kann positive Auswirkungen auf die Schutzwirkung und Beständigkeit von Zinkprimern haben, wenn ein Zinkphosphat-Korrosionsschutzpigment zugesetzt und ein Teil des Zinkstaubs durch ein plättchenförmiges Zinkpigment ersetzt wird.
  • Wird eine verletzte Probe unter isothermen Bedingungen beansprucht, wird die beste Schutzwirkung und Beständigkeit erzielt, wenn die Zinkpigmente nicht oberflächenbehandelt vorliegen.
  • Unter thermozyklischer Beanspruchung können hohe Wasseraufnahmen und hohe Verluste an Wasseraufnahmereversibilität am besten dadurch vermieden werden, indem die Zinkpigmente zumindest anteilig mit einer partiell passivierenden Oberflächenbehandlung modifiziert werden.

Die Ergebnisse sind insofern schlüssig, als dass eine passivierende Oberflächenbehandlung bei intensiverer (hier: thermozyklischer) Beanspruchung verhindert, dass die Zinkpigmente "durchreagieren" und so bereits in kurzer Zeit die Eigenschaften des Gesamtsystems merklich verändert werden. Umgekehrt kann sich bei milderer (hier: isothermer) Beanspruchung die Anwendung nicht oberflächen-behandelter Zinkpigmente bewähren, da in diesen Fällen die Zinkpigmente offenbar nicht zum raschen Abreagieren neigen. Zinkprimer wie ZxA, die durch reduzierten Zinkgehalt, modifizierte Zinkpigmentzusammensetzung und geringen Zusatz an Zinkphosphat-Korrosionsschutzpigment charakterisiert sind, scheinen darüber hinaus auch ein signifikantes Potenzial zum Schutz vor Korrosion in Defektstellen zu besitzen.

Fraunhofer Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, Stuttgart, Dr. Michael Hilt, Tel. + 49 711 970-3820, Michael.Hilt@ipa.fraunhofer.de; Dr. Matthias Wanner, Tel. +49 711 970-3852, matthias.wanner@ipa.fraunhofer.de; Dr. Ulrich Christ, Tel. + 49 711 970-3861, ulrich.christ@ipa.fraunhofer.de, www.ipa.fraunhofer.de/beschichtung

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