Sol-Gel Beschichtung auf Metallen - FME GmbH · Aluminium Substrat 1μm glatte Oberfläche AAA Coat- Eigenschaften. IPL PZ Hard-Coatings: Sol- Gel auf Metallen – 8. November 2016

Sol-Gel Beschichtung auf Metallen

- hart aber nicht zu hart -

FME GmbH – Fuchs

Materials & Engineering

- Si - O - Si - O- Si-_ _

_ _

_ _

R1–O–Si –O-R1

R1IOI

IOI

R1

1

IPL PZ Hard-Coatings: Sol- Gel auf Metallen – 8. November 2016

Inhaltsverzeichnis

• GmbH (Kurz-)Vorstellung

• Der Sol- Gel Prozess

• AAACOAT : nanokeramische Beschichtung

I. (besondere) Eigenschaften

II. Applikationsmöglichkeiten

• Fazit/ Zusammenfassung


Vorstellung: FME- GmbH Standort

Technopark RhyTechNeuhausen am Rheinfall

Schweiz CH - 8212 Bad. Bahnhofstrasse 16


Infrastruktur RhyTech•chemische Laboratorien•Beschichtungstechnik•mech. Werkstätten, Prototypenbau,

•Klebtechnik

•Materialprüfung

•Metallographie (REM, TEM, Topographie-messung, Rauheitsmessung,…)

•Oberflächenanalytik (XPS,.)

•Korrosionstests, -untersuchungen

•Chemische Analytik

•Patente (Anmeldung, Recherchen, Überwachung,..)

•Röntgen-Computertomographie

FME- GmbH Standort


FME GmbH – Fuchs Materials & Engineering

Lebenslauf (CV) Roman Fuchs

• Grundschule• Chemielaborantenlehre• Matura/Abitur (2. Bildungsweg)• Studium experimentelle Physik (Uni Basel) • Promotion (Institut für Physik, Uni Basel)

Berufliche Erfahrungen

• Abteilungsleiter Oberflächen (Korrosion, Oberflächenbehandlung, Oberflächenanalytik) in der zentralen Forschung und Entwicklung der Alcan (ehemals Alusuisse) in Neuhausen

• Leiter Entwicklung/Innovation in einem Aluminiumwalzwerk (Alusuisse/Alcan) • Technischer Leiter in Korrosionsschutz und Lackproduktion in einer KMU• seit 2009 Inhaber / CEO FME GmbH – Fuchs Materials & Engineering

FME- GmbH Dienstleistungen


FME GmbH – Fuchs Materials & Engineering

Beispiele von - Dienstleistungen

• Engineering/Beratung (Material-und Beschichtungstechnik)

• Entwicklung/Produktion/ Optimierung von Spezialbeschichtungen (nano-keramische Beschichtungen Sol Gel)

• Beschichtungs- und Korrosionstests • Prototypenbeschichtung• Expertisen• Technische Marktanalysen• Projektleitung• techn. Patent- und Literaturrecherchen

Nanokeramik(Sol-Gel)

Al eloxiertAl roh

Tauchzone Tauchzone

pH 13.5

Test Alkalibeständigkeit von

beschichteten Aluminium

Spezialbeschichtungen

Technische Marktabklärungen

FME- GmbH Dienstleistungen


Sol Gel Verfahren (1)

Herstellverfahren: Sol – Gel Prozess (Beispiel Si- basiert)

Kurzbeschreibung Sol Gel Prozess:Die Si- Alkoxide (Silane etc.) werden unter Wasseraufnahme und Abspaltung von Alkoholen hydrolisiert. Dadurch bilden sich die Silanole, welche als Sole vorliegen. Unter Wasserabgabe (Kondensation) bilden sich dann Siliziumdioxid- Netzwerke (Gel) welche zuerst einige Nanometer gross sind und dann unter Temperatureinfluss zu stabilen Netzwerken zusammenwachsen.

Nanokeramische Beschichtungen

R1–O–Si –O-R1

R1IOI

IOI

R1

1. Hydrolyse

+ H2O

(H+) HO–Si –OH

OHI

IOH

2. Kondensation

- H2O- Si - O - Si - O- Si-

_ _

_ _

_ _

Siliziumalkalkoxide Silanol (Sol) Gel


Herstellverfahren: Sol – Gel Prozess

Kurzbeschreibung (2):

Zusätzlich können in die Netzwerke noch weitere Nanopartikel eingebaut und das Netzwerk mit organischen Polymeren etc. modifiziert

werden (=> Hybride)

Sol Gel Verfahren (2)


1μm

Sol

Gel

Aggregation

Gelierung

Trocknung

Tempern


Übersicht Sol- Gel «Baukasten»

- O – Si – O – Si – O - -

- O – Si – O – Si – O - -

I IO OI I

I IO OI I

I IO OI I

anorganische Netzwerke

organischeNetzwerke

Hybride

Nano-/ Mikropartikel (Pigmente)

Hybrid-NanokompositeAnorga-

nische Nano-komposite

Polymer-Nanokomposite

anorganische Sol- Gel Systeme können mit organischen Polymeren und Nanopartikel kombiniert werden!



AAACoat- Beschichtungen

- O – Si – O – Si – O - -

- O – Si – O – Si – O - -

I IO OI I

I IO OI I

I IO OI I

anorganische Netzwerke

organische Netzwerke

Hybride

Nano-/ Mikropartikel (Pigmente)

Hybrid-NanokompositeAnorga-

nische Nano-komposite

Polymer-Nanokomposite

AAACoatBeschichtungen sind weitgehend anorganischer Natur

(linke Seite des Spektrums)


AAACoat-Beschichtungen


AAACoat- Beschichtungen

Sol - Gel Lacke

organisch anorganisch/ keramisch

Einsatz Witterungsbeständig Korrosionsbeständig Antifingerprint dicke, flexiblere

Schichten

AAACoat (Familie)

AAA-Coat

AAA-Coat -(110,…..)

AAA-Coat -(110,130…)

AAA-Coat –(130)

Bezeichnungen (nicht aktuell!)

Substrat Aluminium Edelstahl«dick «

voreloxiertes Aluminium

AAACoat- Eigenschaften


AAACoat- Eigenschaften� dünne, harte und kompakte Schichten (0.1 bis 20 µm)� UV- und witterungsbeständig� hohe chemische Beständigkeit (Salz, Lösemittel, Säuren, Laugen,..)� hohe Temperaturbeständigkeit (bis 500°C)� sterilisierbar � kratz- und wischfest� hohe elektrische Durchschlagsfestigkeit (> 130KV/mm)

� keine Schwermetalle, Rohstoffe REACH gelistet� mit anorganischen (nano-mikro-) Pigmenten weiter modifizierbar (=>

easy to clean, Trockenschmierung, Rutschschutz, Verschleissfestigkeit, elektrische/ thermische Leitfähigkeit…)

− meist geringe Topfzeit, − hohe Einbrenntemperaturen (>150°C)

AAACOAT- Beschichtungen unterscheiden sich in ihrem Verhalten stark von organischen Lacksystemen!



• Haft*) = Gitterschnitthaftung • BH = Bleistifthärte Wolff- Wilburn 7.5N, • KT = Kochtest 6h , • pH 0 = 10%-ige Schwefelsäure 90 min, • pH 13 = 0.1n NaOH 90 min, • MEK = Vernetzungsgrad bei 50 Doppelhüben mit Methyl-

/Ethylketon• EDD = EDDING 3000- Test• EDF = el. Durchschlagfestigkeit• TT = Testtinten 20 mN/m – 32 mN/m (in 2 mN/m- Schritten)

=> *) siehe auch separate, detaillierte Beschreibung


Qualitätskontrolle AAACoat Beschichtungen

Standardtests



Qualitätskontrolle AAACoat- Beschichtungen

Standardtests

Wolff- Wilburn pencilhardness tester

Standards: • ISO 15184• ASTM D 3363• ECCA-T4-1• SNV 37113• ……


Physikalische/mechanische Eigenschaften von dünnen und dicken Schichten

F = Lokal wirkende Kraft, K = Kraftverteilungs-kegel, B = Bruchstelle

F F

K

B

Verschleissschutz

Abfederung bei dicken, elastischen Schichten

Versagen des Unter-grundes bei dünnen Schichten

Dämpfungsschicht(bei Steinschlag)



AAACoat auf (anodisiertem) Aluminium

REM- Aufnahme (Bruchkante) einer nanokeramisch (Sol-Gel-) beschichteten anodischen Oxidschicht auf einer gebeizten Aluminiumoberfläche

nanokeramische Sol- Gel Schicht

anod. GS- Oxidschicht

Aluminium Substrat1μm

Bildaufnahmen: Suisse Technology Partners

anodische GS-Oxidschicht

Detailaufnahme

Aluminium Substrat

1μm

glatte Oberfläche



0.05 –100 μm

< 30nm< 100 nm

Aufsicht ↑

GS-Anodisationsschicht

Bruchfläche↓

100 nm

Hexagonale Zellenstruktur der anodischen Oxidschicht von Aluminium nach Keller et al.

Z

Pd

Sperrschicht (S)

D

b)a) c) d) e)

Aluminium

Querschnitt durch die Eloxalschicht von Aluminium!

a) – e) Füllgrad der Poren

nanokeramische (Sol- Gel) Schutzbeschichtung






� AAACoat wurde ursprünglich für (anodisiertes/ eloxiertes) Aluminumentwickelt => langjährige Erfahrungen liegen vor

� AAACoat erhöht nachhaltig die Aluminium-/ Eloxaloberfläche betreffend:

I. SäurebeständigkeitII. AlkalibeständigkeitIII. Verbesserung der Gleiteigenschaften (Reduktion Reibungskoeffizient)IV.WitterungsbeständigkeitV. Graffitibeständigkeit


Alkalibeständig-keit (pH 13.5) von rohem, eloxiertem und nanokeramisch beschichtetem Reinaluminium. => keine Übergangszone sichtbar!

NanokeramikAl eloxiertAl roh

Tauchzone Tauchzone

Solarkocher aus hochglanz-gewalztem und nanokeramisch beschichteten Reflektorblechen

Easy to Clean-Effekt: nanoversiegelte Aluminium-oberflächen




Beispiel: Alkalibeständigkeit von verschieden beschichteten/ imprägnierten Al-Eloxalschichten

Testbedingungen:

• alkalischer Reinigererhöhte Konzentration

• ~pH 11.0 - 11.5

• Temp. 65°C

• Dauer ca. 10 h (=> Reiniger baut sich ab!)

Fazit:• grosse

Unterschiede inden Beschichtungs-/ Sealingvarianten

• Temperatur ist derwesentliche Parameter



Halbbeschichtete Edelstahloberfläche (1.4301). Keine Haftung von geschmolzenem Kunststoff (HDPE) an der nanokeramisch beschichteten Seite (links).

Ausgangslage:

• Edelstahl ist durch seine eigene Oxidschicht passiviert und benötigt i.d.R. keine Korrosionsschutzschicht

• (gebürsteter) Edelstahl ist anfällig für Schmutz, Schweiss und Kratzer

Optimierung:

• Eine nano-keramische Schutzschicht reduziert die «Fingerprint»-anfälligkeit der Oberfläche deutlich!

• Durch eine ultradünne transparente nano-keramische Schutzschicht (< 1µm) bleibt der Edelstahllook erhalten!


AAACoat auf Edelstahl (Antihaftschicht)



AAACoat auf Stahl/ Buntmetallen

C- Stahl-Probe

AAACoatTauchtiefe

Messing-Probe

Kupfer-Probe

Salpeter-säure Behand-lungsts-Tauchtiefe

Testbedingungen

: Stahlprobe mit IPA/ Aceton entfettet• Kupfer-/ Messingprobe in 5% Salpetersäure behandelt und gespült• AAACoat Tauchlackierung/ 180°C eingebrannt, GT, 6h Kochtest entionisiertem Wasser



Pigmentierte AAACoat - SchichtenMit anorganischen Bunt- Pigmenten eingefärbte voreloxierte Alumium Platte Schichtdicke ~ 5-7µm

Mit anorganischen Schwarz- Pigmenten eingefärbte (voreloxierte) Alumium Platte Schichtdicke AAACoat ~ 10 -12 µmMattprobe links mit zusätzlichen anorganischen Mattierungsmitteln

Die (Farb-) Pigmente werden ohne organische Additive eingearbeitet! Deshalb bleiben die (Hochtemperatur-) Eigenschaften von AAACoat - weitgehend erhalten!



Funktionalisierte AAACoat - SchichtenEinbau von Graphit – Pigmenten

� elektrische Leitfähigkeit� erhöhte Gleitfähigkeit => Trockenschmierstoff

Einbau von Hartstoff – Pigmenten (Diamant, SiC, Al2O3,…)

� Rutschschutz� Härtesteigerung � Reibungserhöhung

Einbau von wärmeleitenden Pigmenten� diverse Anwendungen von elektrisch

isolierenden Kühlblechen


AAACoat- Applikationsmöglichkeiten

Nanokeramische AAACoat – Beschichtungen können wie Nasslacke appliziert werden:

Dip- Coating/ Tauchen

Spritzen manuell

Spritzen in Serie

Spin-Coating



Für die Serienbeschichtung mit AAACoatexistiert eine Roboter gestützte Anlage

Fa. Eloxal Höfler Steisslingen (D)



Quelle: Funktionelle und dekorative 3D- Serienbeschichtung mit nanokeramischen Lacken:SGO- Tagung Solothurn 19. Mai 2015, Marco Gaisser Eloxal Höfler

Besonderheiten der Serien Spritz- Anlage bei El. Höfler

1. Der komplette Lackierprozess findet staubarm in einem geschlossenen System statt.

2. Hochrotationsglocke in Kombination mit Hochspannung reduziert den Lackverbrauch => Ressourcensparendes Beschichten

3. Luftfeuchte und Temperatur innerhalb der geschlossenen Anlage kann individuell

eingestellt werden.⇒ Konstante klimatische Bedingungen⇒ Auch spezielle Lacksysteme können mit der Anlage appliziert werden

4. Reproduzierbarer Lackierprozess


Fazit/ Zusammenfassung

• AAACOAT ist eine spezielle nanokeramische (Sol-Gel-) Beschichtung mit besonderen Eigenschaften und spezifischen Einsatzgebieten

• Durch den Verzicht auf organische Additive werden bei pigmentierten AAACOAT – «Lacken» die Eigenschaften der klaren Grundbeschichtung weitgehend beibehalten (Witterungs-, chemische, Temperatur- etc. Beständigkeit,…)

• AAACoat – Beschichtungen sind härter als organische Lackschichten aber i.d.R. «weicher» als HardcoatSchichten (PVD, CVD, Galvanik,…)


Vortragsende (endlich!)

Besten Dank für Ihre

Aufmerksamkeit!

Es gibt nichts Gutes….

ausser man tut es!

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