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04.12.2020

Metalllackierung

Metalllackierung: 06.11.2013

Wenn sich Kratzer selbst heilen

Gemeinsam mit Projektpartnern aus der Fraunhofer- und der Max-Planck-Gesellschaft hat das Fraunhofer ISC jetzt eine umweltfreundliche, chrom(VI)-freie Lösung für den Korrosionsschutz auf Sol-Gel-Basis mit selbstheilenden Eigenschaften erarbeitet.

Der umformfähige, passive Korrosionsschutz auf Hybridpolymerbasis bietet einen Ersatz für chrom(VI)-haltige Verfahren. Quelle: Fraunhofer ICS

Der umformfähige, passive Korrosionsschutz auf Hybridpolymerbasis bietet einen Ersatz für chrom(VI)-haltige Verfahren. Quelle: Fraunhofer ICS

Die Natur macht es vor: Hat man einen Kratzer auf der Haut, heilt die Wunde in der Regel von selbst. Geht ein Kratzer an einem Fahrzeug bis auf die Metalloberfläche, so muss in der Werkstatt nachgeholfen werden, damit der Defekt geschlossen wird und kein Rost entsteht. Bis 2006 durften verzinkte Karosseriebleche durch Chromatieren mit Chrom(VI)-Verbindungen vor Korrosion geschützt werden – ein Verfahren, das in gewissem Umfang eine "Selbstheilung" von Kratzern in der Schutzschicht ermöglicht. Seit dem weitgehenden Chrom(VI)-Verbot im Jahr 2007 wird eine Alternative zu diesem Verfahren gesucht. Die Partner des Projekts ASKORR (Aktive Schichten für den Korrosionsschutz) – Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP in Potsdam, Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC in Würzburg, Max-Planck-Institut für Polymerforschung MPI-P in Mainz, Max-Planck-Institut für Eisenforschung GmbH MPIE in Düsseldorf – haben jetzt eine umweltfreundliche Lösung auf Sol-Gel-Basis mit selbstheilenden Eigenschaften entwickelt, die ohne Chrom(VI) auskommt.

Schlüsselthema für die Automobilindustrie

Der Selbstheilungseffekt ist gerade für die Automobilindustrie von großer Bedeutung. Beispielsweise wird der Korrosionsschutz durch Tauchlackierung von ganzen Karosserien aufgetragen. Beim weiteren Zusammenbauen können insbesondere die Hohlräume in einzelnen Bauteilen vor der Lackierung nicht mehr auf feine Risse in der Korrosionsschutzbeschichtung überprüft werden – damit solche Mikrorisse keinen weiteren Schaden anrichten können, kommt an dieser Stelle eine selbstheilende Schicht in Frage. "Feine Risse in den Hohlräumen findet man nicht ohne weiteres. Und als Kunde sieht man nur die Oberfläche. Deshalb ist ein Korrosionsschutz mit Selbstheilungseffekt wichtig für die Haltbarkeit des Produkts" erklärt Dr. Gerhard Schottner, Leiter des Geschäftsbereichs Umwelt am Fraunhofer ISC und Gesamtkoordinator des Projekts ASKORR für die Fraunhofer-Gesellschaft. Chrom(VI)-Ersatzstoffe müssen in den neuen umweltfreundlichen Korrosionsschutzkonzepten eine Menge leisten. Sie müssen sich als Haftgrund für die spätere Lackierung bewähren, Umformprozesse überstehen und sie sollen kleine Defekte in Schichtverbunden möglichst schnell automatisch schließen und versiegeln, bevor ein größerer Schaden durch Korrosion entstehen kann. Für einen dauerhaften passiven Korrosionsschutz, der als Haftgrund aufgetragen wird und auch in anschließenden Umformprozessen eine stabile Schutzschicht bildet, gibt es bereits eine anwendungsreife umweltfreundliche Lösung auf der Basis hybrider Nanokomposite, die am Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC entwickelt wurde. Sie bietet für viele Anwendungen eine sehr gute Schutzwirkung. Allerdings fehlte bislang noch der aktive Schutz: die Selbstheilung kleiner Defekte. Unter der Leitung des Fraunhofer ISC entwickelte das Projektteam einen aktiven Korrosionsschutz auf Sol-Gel-Basis in Verbindung mit einer Wirkstoffverkapselung. "Die Kombination von Schutzschichten mit aktiven Wirkstoffcontainern ist ein großer Fortschritt hin zu einem schadenstoleranten, selbstheilenden Korrosionsschutz", erklärt Dr. Schottner.

HINTERGRUND

Toxisch und krebserregend: Chrom(IV)-Verbindungen

Stahloberflächen erhalten durch Verzinken einen sehr guten Korrosionsschutz. Jedoch korrodiert – abhängig von Umwelteinflüssen – auch die Zinkschicht. Aus diesem Grund wird diese Schicht entweder sehr dick ausgelegt oder nochmals mit einer sogenannten Konversionsschicht, gefolgt von einer organischen Schicht, geschützt. Der beste Korrosionsschutz wird durch eine Konversionsbehandlung mit Chrom(IV)-Verbindungen – Chromatieren genannt – erreicht. Bis 2006 wurde der Korrosionsschutz durch das Chromatieren sehr verbreitet eingesetzt, z.B. bei Karosserieblechen oder Schrauben. Sechswertige Chrom-Verbindungen sind in der EU-Stoffrichtlinie als toxisch und krebserregend eingestuft. Seit 2007 müssen die Automobilhersteller nach der EU-Altfahrzeugverordnung ihre Produkte komplett chrom(VI)-frei anbieten. Die Oberflächenbehandlung mit sechswertigem Chrom ist nur noch in Ausnahmefällen zugelassen. Aber auch hier rechnen Experten mit dem vollständigen Verbot dieser Ausnahmen.

Hybridpolymere Nanokomposite als Chrom(VI)-Ersatz

In dem neu entwickelten Verfahren werden als Chrom (VI)-Ersatz hybridpolymere Nanokomposite eingesetzt, die am Fraunhofer ISC entwickelt wurden. Durch geschickte Kombination spezifischer Verzinkung, hybrider Nanokompositwerkstoffe und neuer Wirkstoffcontainer werden aktive Schichtverbunde hergestellt, die Defekte oder Korrosionserscheinungen ortsselektiv ausheilen können. Dabei werden Wirkstoffcontainer in der Nanokomposit- und der darunterliegenden Zinkschicht durch mechanische Beschädigung oder durch eine pH-Wert-Änderung aktiviert. Die im Untergrund des Lacks sitzenden Wirkstoffkomponenten werden innerhalb von Sekunden freigesetzt und bilden in Folge einer chemischen Reaktion eine feste Substanz. Somit ist eine ortsselektive Ausheilung gewährleistet. Die Verkapselung ermöglicht die mechanische oder chemisch getriggerte Freisetzung der Wirkstoffe gezielt bei der Entstehung von Mikrorissen und schützt gleichzeitig die funktionellen Inhaltsstoffe während der Verzinkung bzw. während der Herstellung der hybridpolymeren Schicht. Ebenso ermöglicht die Verkapselung die Langzeitspeicherung der funktionellen Komponenten. Eine große Herausforderung für die Wissenschaftler war es, die Wirkstoffcontainer mit sehr kleinem Teilchendurchmesser zu erzeugen, um sie in die Nanokomposit- und Zinkschichten einarbeiten zu können. Das Selbstheilungsvermögen von Beschichtungen ist allerdings erst im Stadium der anwendungsnahen Grundlagenforschung. In etwa ein bis zwei Jahren, so schätzt Dr. Schottner, werde die Anwendung marktreif sein. Am Fraunhofer ISC können die hybriden Nanokomposite auf die jeweiligen Anforderungen hin maßgeschneidert hergestellt werden.

Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC, Würzburg, Dr. Gerhard Schottner, Tel. +49 931 4100-627, gerhard.schottner@isc.fraunhofer.de, www.isc.fraunhofer.de

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