Nanopartikel-modifizierte Anodisierschichten mit erhöhter Alkalibeständigkeit

19082 BG

Bild Forschungsprojekt
Laufzeit: 01.04.2016 - 30.09.2018
Partner: Fraunhofer IKTS Dresden
Geldgeber: AiF
Bearbeiter: M.Sc. Adrian Anthes
Arbeitsgruppe: Korrosion

Aufgabenstellung

Aluminium und Al-Legierungen werden heutzutage nicht nur im Automobil- und Flugzeugbau, sondern auch im Bauwesen zur Verkleidung von Fassaden, Fenstern usw. verwendet. Um das Grundmetall vor Korrosion zu schützen, wird die Oberfläche anodisiert, wodurch die native/dünne Oxidschicht künstlich verdickt wird. Die dadurch erzeugte Oxidschicht ist mehrere Mikrometer dick und besitzt Poren deren Durchmesser im ein- bis dreistelligen Nanometerbereich liegen (abhängig vom Anodisierverfahren). Die vorliegenden Poren werden in der Regel in einem nachgelagerten Prozessschritt heiß (Wasserdampf) oder kalt (chemisch) verschlossen, um die Korrosionsbeständigkeit zu erhöhen. Das so verdichtete Aluminiumoxid als Passivschicht ist jedoch nur bis zu einem pH-Wert von ca. 8,5 stabil, wodurch wiederkehrende Reinigung mit stark basischen Reinigungschemikalien (pH 13,5) zu einem korrosiven Angriff der Oberfläche führt. Von Anwenderseite wird aber eine hinreichende Langzeitbeständigkeit von anodisiertem Aluminium und Al-Legierungen gegenüber alkalischen Medien gefordert, die im Rahmen des Projekts durch eine entsprechende Oberflächenmodifizierung erreicht werden soll.

Projektziel

Das Ziel des laufenden Projekts ist es, ein Anodisierverfahren auf Basis des Schwefelsäureanodisierens (SAA) zu entwickeln, welches eine anschließende Imprägnierung mittels chemischer Nanotechnologie zulässt, um die  Beständigkeit gegenüber stark alkalischen Medien zu erhöhen. Durch die Modifizierung der Anodisierparameter (Strom-Spannungsregime, Temperatur und Badzusammensetzung) soll direkt Einfluss auf die Porenmorphologie genommen werden, so dass Porendurchmesser und -form für die nachfolgende Imprägnierung optimiert sind. Die Imprägnierung soll unter Verwendung von wässrigen nanopartikulären Zirkoniumdioxid-Dispersionen erfolgen, da Zirkoniumdioxid eine hohe Beständigkeit gegenüber starken Säuren und Basen besitzt. Außerdem entspricht der  Ausdehnungskoeffizient von Zirkoniumdioxid in etwa dem von Aluminiumoxid, wodurch auch eine thermische Belastung kein Problem für die generierten Schichten darstellen sollte. Die imprägnierten Anodisierschichten sollen anschließend mit modernen analytischen Methoden charakterisiert und  ihr Korrosionsverhalten sowohl elektrochemisch als auch durch Auslagerung in typischen basischen Reinigern geprüft werden.

Ergebnisse

Es konnten wässrige Zirkoniumdioxid Dispersionen (Ausgangsmaterial: Pulver  mit einer Partikelgröße von 5-25 nm) mit einer Primärpartikelgröße von <10 nm hergestellt werden, die sich durch eine längerfristige Lagerstabilität (mehrere Wochen) auszeichnen. Außerdem wurde ein Ultraschallverfahren entwickelt mit dem sich auch „große“ Zirkoniumdioxidpartikel (5 µm und größer) in kurzer Zeit bis in einen einstelligen nm-Bereich zermahlen lassen, wodurch die Kosten für die verwendeten Zirkoniumdioxidpartikel drastisch reduziert werden konnten.

Durch Optimierung der Prozessparameter beim Schwefelsäurenodisieren konnte der Porendurchmesser vergrößert werden, so dass erste Tauchbeschichtungen bzw. Imrägnierungen der Anodisierschichten vorgenommen werden konnten.

Zukünftige Arbeiten

Die zukünftigen Arbeiten umfassen einerseits die weitere Optimierung des Porendesigns (Aufweitung der Poren) andererseits sollen die bereits zu Verfügung stehenden Proben mittels wässrigen Zirkoniumdioxid-Dispersionen imprägniert werden und mit industriell anodisierten Proben (Benchmark), welche auch mit Zirkoniumdioxid imprägniert wurden, verglichen werden. Nach erfolgreicher Imprägnierung sollen die Proben charakterisiert und auf ihre Korrosionsbeständigkeit in basischen Medien geprüft werden.

 

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