Entwicklung antiviraler Eloxaloberflächen
Die globale SARS-CoV2-Pandemie verursacht einen immensen zusätzlichen Bedarf an antiviralen Oberflächen in nahezu allen Situationen des täglichen Lebens. Insbesondere im öffentlichen Sektor werden zukünftig verstärkt Lösungen verlangt, um das Infektionsrisiko zu senken. Damit verbunden ist ein riesiger Markt für innovative Beschichtungskonzepte. Potentielle Anwendungen wie bspw. Handläufe, Haltegriffe, Türklinken oder Sanitäreinrichtungen erfordern den Einsatz langlebiger Materialien mit einer möglichst dauerhaften antiviralen Wirksamkeit. In diesem Kontext stellen anodisierte Aluminiumwerkstoffe mit der meso- und makroporösen Oberfläche ein interessantes Substratmaterial für die Modifizierung mit viruziden bzw. bakteriziden Nanopartikeln dar.
Ziel des Forschungsvorhabens ist somit die Nutzung der inhärenten Porenstruktur des anodisch oxidierten Aluminiumsubstrats, indem antivirale Metall-Nanopartikel sowie Photokatalysatoren in die offene Porenstruktur eingebracht werden. Die technische Herausforderung bei der Entwicklung einer derartigen funktionalen Oberfläche besteht darin, das Eloxalschichtsystem so zu gestalten, dass die Einlagerung der Partikel gelingt ohne die wesentlichen Eigenschaften der Eloxalschicht (insb. den Korrosionsschutz) zu beeinflussen. Dies soll im Rahmen dieses Forschungsvorhabens über ein Mehrschicht-Eloxalsystem realisiert werden. Die darauffolgende Funktionalisierung der Eloxalschicht, soll wie bereits im IGF-Vorgängervorhaben 20136 N per elektrophoretischer Einlagerung der Nanopartikel erfolgen.
Durch die Entwicklung einer antiviralen Eloxaloberfläche kann die internationale Wettbewerbsfähigkeit von den vorwiegend kleinen und mittelständischen Lohnbeschichtungsunternehmen gestärkt werden. Insbesondere da durch diese Entwicklung ein gänzlicher neuer Markt im Gebiet der funktionalen Oberflächen erschlossen werden kann.
Danksagung
Das Forschungsvorhaben 22658 N der Forschungsvereinigung Verein für das Forschungsinstitut für Edelmetalle und Metallchemie (fem) wird über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz gefördert.
Entwicklung von korrosionsschützenden, verschleißbeständigen und REACH-konformen Refraktärmetall-Magnesium-Nitrid-Schichten zum Schutz von Stahlbauteilen
Im Forschungsvorhaben werden Refraktärmetall-Magnesium-Nitrid-Schichten (RM-Mg-N-Schichten) zum kombinierten Korrosions- und Verschleißschutz von nicht- oder niedrig-legierten Stahlbauteilen entwickelt. Anwendungsbereiche sind z.B. dort angesiedelt, wo auch Hartchrom eingesetzt wird, z.B. bei Kolbenstangen, Motorventilschäften, Wälzlagern, Extruderschnecken, Fadenführungen (Textil) etc.
Um einen guten Verschleißschutz zu gewährleisten, ist angestrebt, RM-Mg-N-Schichten zu entwickeln, die eine Vickershärte ≥ 1.800 HV besitzen (Hartchrom: ca. 1.100 HV). In einem abgeschlossenen DFG-Projekt wurde das Schichtsystem TiMgN bereits eingehend untersucht. Dabei wurde festgestellt, dass eine ca. 2,5 µm dicke TiMgN-Schicht mit ausreichend hohem Mg-Anteil Stahlbauteile zu einem gewissen Maß vor Korrosion schützen kann. Auch im tribologischen Einsatz konnte bei diesen Schichten eine signifikant geringere Reibung und ein deutlich niedriger Verschleiß im Vergleich zu Hartchrom festgestellt werden. Je mehr Mg in den TiMgN-Schichten vorhanden ist, desto unedler wird die PVD-Beschichtung und desto besser ist das Korrosionsverhalten des beschichteten Stahlsubstrates im neutralen Salzsprühtest (NSS Test). Bei TiMgN liegt der Schwellenwert des Mg bei ≳ 17 At.-%, um eine signifikante Verbesserung des Korrosionsverhaltens im NSS-Test zu erhalten. Der maximal mögliche Mg-Gehalt ist durch die Vorbedingung an die Schichthärte (≥ 1.800 HV) limitiert und liegt beim System TiMgN bei ca. 24 At.-%. Der Langzeit-Korrosionsschutz (≥ 96 h) von TiMgN reicht bislang jedoch noch nicht an den einer 20–25 μm Hartchromschicht heran.
Ziel dieses Forschungsvorhabens ist es daher, RM-Mg-N-Schichten zu entwickeln, die einerseits schon bei geringeren Mg-Gehalten einen signifikanten Korrosionsschutz bieten, so dass die damit beschichteten Stahlbauteile mehrere Tage im NSS-Test überstehen (Ziel: ≥ 96 h). Andererseits sollen die Schichten aber auch eine entsprechende mechanisch-tribologische Beständigkeit aufweisen, um eine ausreichende Stabilität gegen von außen eingebrachte Beschädigungen zu besitzen. Die Schichten werden im Forschungsvorhaben mittels eines umweltfreundlichen PVD-Verfahrens (Magnetron Sputtern) entwickelt. Alle eingesetzten Refraktärmetalle sind dabei REACH-konform. Die PVD-Beschichtungstechnologie und die zu entwickelnden Beschichtungen bieten den interessierten Unternehmen den Vorteil der Planungssicherheit aufgrund deren Unbedenklichkeit im Hinblick auf REACH (siehe Hartchrom-Problematik).
Aufgrund der Zielstellung, korrosions- und verschleißschützende sowie gleichzeitig REACH-konforme Schichten zu entwickeln, wird ein extrem breites Spektrum verschiedener Branchen angesprochen. Die potentielle Wertschöpfungskette erstreckt sich dabei von Targetherstellern über Beschichter und Maschinenbauer im weitesten Sinne bis hin zu potentiellen Endanwendern von Produkten.
Danksagung
Das IGF-Vorhaben 21989 N der Forschungsvereinigung Edelmetalle + Metallchemie wird über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.
Entwicklung photokatalytischer Eloxalschichten zur Erzeugung funktionaler Aluminiumoberflächen
Im Rahmen des IGF-Vorhabens 20136 N wurden photokatalytisch aktive, anodisierte Aluminiumoberflächen entwickelt, die zu einer Verringerung der Luftverschmutzung, insbesondere der Stickoxidbelastung in urbanen Regionen, beitragen können. Zur Erreichung des Projektziels wurden neben kommerziell erhältlichen Titandioxidpartikeln auch unterschiedlich modifizierte, photokatalytisch aktive Nanopartikel mit möglichst geringen Partikeldurchmessern (5–25nm) in lösemittelhaltigen sowie wässrigen Systemen synthetisiert und daraufhin mit zwei verschiedenen Imprägnierverfahren in die Eloxalporen eingelagert.
Dazu wurden Eloxalschichtsysteme für eine typische Fassadenlegierung (EN AW5005) auf Basis eines herkömmlichen Schwefelsäureverfahrens, eines Oxalsäureverfahrens und eines Phosphorsäureverfahrens mit für eine Einlagerung hinreichend großen Porenweiten (dPore(H2SO4) 10–20 nm; dPore(C2H2O4) 40–60 nm; dPore(H3PO4) 100–160 nm) entwickelt. Die technische Herausforderung bei der Entwicklung der Schichten bestand darin, diese so zu applizieren, dass die nachfolgende Einlagerung der Nanopartikel deren hohe photokatalytische Aktivität gewährleistet und ein fester Verbund zwischen Eloxal und dem photokatalytisch aktiven Titanoxid entsteht.
Die dabei verfolgten Verfahren zur Imprägnierung beruhen auf dem Prinzip der elektrophoretischen Einlagerung aus lösemittelhaltigen Dispersionen und der ultraschallunterstützten Tauchimprägnierung zur Einlagerung der Nanopartikel aus wässrigen Systemen. Für beide Verfahren können neuartige, funktionelle Eigenschaften des Eloxals erzeugt werden, die eine hohe photokatalytische Aktivität der Eloxaloberflächen aufweisen. Die erzeugten Schichten erreichen, in Abhängigkeit des Verfahrens und der verfahrensspezifischen Parameter zur Einlagerung der Partikel, eine relative photokatalytische Effizienz (rPCE-Wert) von bis zu 13, wobei ein rPCE-Wert > 2 bereits als „photokatalytisch aktiv zur Luftreinigung“ gilt.
Korrosionsuntersuchungen an anodisierten und mit TiO2-Partikeln imprägnierten Schichten in einem handelsüblichen Aluminium- und Fassadenreiniger belegen eine sehr hohe Korrosionsbeständigkeit aller Eloxalschichten, die sich in Impedanzwerten im MΩ*cm2-Bereich und Korrosionsstromdichten im Nanoampere-Bereich äußert. Im Rahmen der Korrosions- und Korrosionsklimawechselstests konnte dies bestätigt werden. Durch die Einlagerung von TiO2-Partikeln konnte keine Verschlechterung der Korrosionseigenschaften festgestellt werden.
Durch die Forschungsarbeiten steht interessierten KMU ein neuartiges photokatalytisch aktives Eloxalschichtsystem zur Verfügung, das u.a. für die Anwendung im Fassadenbereich verwendet werden kann.
Danksagung
Das Forschungsvorhaben 20136 N der Forschungsvereinigung Verein für das Forschungsinstitut für Edelmetalle und Metallchemie (fem) wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz gefördert.
Entwicklung von hoch korrosionsfesten und metallisierbaren Mehrschicht-Eloxal-Systemen im Labormaßstab
Das gemeinsame Projekt der Rieger Metallveredlung GmbH & Co. KG und dem fem zielt auf die Entwicklung einer korrosionsbeständigen und haftfesten Metallisierung von Eloxalschichten, die die steigenden Anforderungen des technischen Einsatzes erfüllen. Dazu wird am fem die Eloxalschicht als Mehrschichtsystem entwickelt, so dass Korrosionsfestigkeit und Haftfestigkeit jeweils einer separaten Schicht zugeordnet werden können. Als Voraussetzung für eine hohe Haftfestigkeit der Funktionsschicht wird neben der Mehrschichtcharakteristik auch die Bekeimung des Schichtsystems durch die Fa. Rieger entwickelt.
Das Projekt zielt auf hochbeanspruchte Nischenanwendungen mit zunehmender Individualisierung in kleinen Losgrößen. Mit dem neuen Verfahren, das Korrosionsfestigkeit und Haftfestigkeit gleichermaßen berücksichtigt, eröffnet sich für unterschiedlichste Branchen ein weites Spektrum bei der Metallisierung von Eloxal-Schichten. Mit der industriellen Umsetzbarkeit erreicht der Stand der Technik für Verfahren zur Herstellung dekorativer, hochkorrosionsfester Schichten qualitativ eine neue Stufe.
Danksagung
Das Vorhaben der Forschungsvereinigung Edelmetalle und Metallchemie wird über die AiF im Rahmen des Zentralen Innovationsprogramms Mittelstand (ZIM) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.