Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF
Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF

Früherkennung witterungsbedingter Lackschäden

Kürzere Alterungs- und Prüfprozeduren für Beschichtungen

Beschichtungen sind wechselnden Umwelteinflüssen ausgesetzt. Temperaturschwankungen, Sonnenstrahlung, Feuchte, chemische Substanzen und mechanische Belastungen wirken in Kombination und verändern die Materialeigenschaften. Für eine schnellere Rezepturentwicklung ist es deshalb erforderlich, Alterungs- und Versagensmechanismen besser zu verstehen, Schädigungen möglichst frühzeitig zu erkennen und damit die Dauer der Laborbewitterung zu verkürzen.

Abb. 1: ESR-Spektren einer in situ UV-bestrahlten Lackprobe vor und nach einer kurzen Bewitterungsperiode (Fraunhofer IPA).
Abb. 2: Ultraschallmikroskopisches Bild einer für 171 h bewitterten Lackprobe mit partiell abgedeckter Lackoberfläche (linker und rechter Rand). Die Messkurve stellt das aus der Schalllaufzeit berechnete Höhenprofil dar.
Abb. 3: Infrarot-Spektren für den abgedeckten und nicht abgedeckten Bereich einer bewitterten Lackprobe (siehe Abb. 2).

Bewitterungsprüfung und Früherkennung von Werkstoffveränderungen


Ziel eines gemeinsamen Projektes der Abteilungen Rezepturentwicklung und Dauerhaftigkeit des Fraunhofer LBF und Beschichtungssystem- und Lackiertechnik des Fraunhofer IPA zur »Ermittlung von Indikatoren zur frühen Erkennung von bewitterungsbedingten Lackschäden mittels eines degradationsbegleitenden Prüfansatzes« war es, die Bewitterungs- und somit die Entwicklungszeiten für neue Lackformulierungen zu verkürzen.

Hierfür galt es, Prüfmethoden zu finden, die frühzeitig auf Änderungen der Lackeigenschaften während der Bewitterung reagieren und »Frühindikatoren« für Veränderungen einzelner Lackeigenschaften zu identifizieren.

Hierbei setzen beide Institute eine langjährige Zusammenarbeit fort und kombinieren ihre analytischen und bildgebenden Verfahren. Gängige Methoden, wie Gitterschnitt, Farb- und Glanzmessungen, Infrarot-Spektroskopie oder dynamisch-mechanische Analyse wurden mit hochempfindlichen Methoden, wie Elektronenspinresonanz-Spektroskopie, elektrochemischer Impedanzspektroskopie und Ultraschallmikroskopie gekoppelt, um die bei der Bewitterung auftretenden photochemisch induzierten Degradationsprozesse zu detektieren. Die verschiedenen Eigenschaftsveränderungen konnten mit einem vereinfachten Photodegradationsmechanismus in einen zeitlichen Zusammenhang gebracht werden. Hieraus wurden Ikatoren identifiziert, die Rückschlüsse auf ein späteres Beschichtungsversagen erlauben.

Aus den Messdaten der elektrochemischen Impedanzspektroskopie konnte beispielsweise die Wasseraufnahmereversibilität als sensitiver Parameter für das Wasserrückhaltvermögen abgeleitet werden, der sich schon nach kurzen Bewitterungszeiten verändert. Mit der Elektronenspinresonanz-Spektroskopie lässt sich die Verminderung der für die photooxidative Degradationsreaktionen verantwortliche Zahl der Radikale bereits nach sehr kurzer Bewitterungsdauer nachweisen (Abb. 1). Ein neues Analyseverfahren für Ultraschallsignale und ultraschallmikroskopische Bilder erlaubt es, Veränderungen der Oberflächentopologie (z. B. Risse oder Welligkeit) zu identifizieren. Modellexperimente mit partiell versiegelten Lackstellen zeigten, dass sich in Abhängigkeit der Art der Abdeckung schon nach kurzer Bewitterungsdauer Höhenunterschiede von wenigen Mikrometern im Lackaufbau einstellen (Abb. 2) und mit IR-Analysen nachweisbare  chemischen Veränderungen eintreten (Abb. 3).