Die Grundlagen der Verbundwerkstoffbeschichtungen

Manchmal ist eine kleine zusätzliche Verstärkung alles, was nötig ist, um eine gut funktionierende Beschichtung in eine hochleistungsfähige Verbundbeschichtung zu verwandeln. Solche physikalischen Verbundbeschichtungen kombinieren zwei oder mehr Substanzen, die zusammen Leistungseigenschaften bieten, die größer sind als die Summe der beiden einzelnen. Das Gleiche gilt für chemische Verbundbeschichtungen, die ebenfalls verbesserte Eigenschaften aufweisen, welche auf den beim Aushärten der Beschichtungen auftretenden chemischen Reaktionen beruhen. In beiden Fällen können die Verbundbeschichtungen u. a. verbesserte Korrosionsschutz-, Chemikalienbeständigkeits-, Flexibilitäts-, Abrieb- und/oder Haftungseigenschaften aufweisen. Ohne die zusätzlichen Substanzen in physikalischen Verbundstoffen oder die Reaktionen in chemischen Verbundstoffen würden die Beschichtungen nicht annähernd so gute Eigenschaften bieten.

Die Anwender können zudem eine kompositähnliche Leistung erzeugen, indem sie Beschichtungen in Schichten aufbauen, um Beschichtungssysteme zu schaffen, die im Vergleich zu individuellen, einzelnen Schichten eine verbesserte Gesamtleistung bieten. In solchen Fällen kann jede Schicht selbst ein Verbundwerkstoff sein, muss es aber nicht.

Dieser Artikel liefert einen Überblick über die verschiedenen Arten von Verbundwerkstoffbeschichtungen und beschreibt, wie sie durch die Verbesserung von Eigenschaften wie Korrosionsbeständigkeit, Langlebigkeit, Flexibilität und Widerstand gegen kathodische Enthaftung eine robustere Leistung ermöglichen.

Was sind Verbundwerkstoffe?
Beschichtungen können auf zwei Arten zu Verbundstoffen werden, je nachdem, ob sie physikalisch oder chemisch gebildet werden.

Physikalische Verbundbeschichtungen sind sehr simpel. Die Hersteller verwenden eine herkömmliche Flüssigbeschichtung und verbessern sie durch Zugabe von Substanzen wie Glasflakes, Eisenglimmer (MIO), Keramik oder anderen Materialien. Wenn diese Additive eingemischt werden, verteilen sie sich homogen im gesamten Beschichtungsfilm und sorgen für zusätzliche Eigenschaften. Glasflakes können zum Beispiel dazu beitragen, die Zähigkeit zu erhöhen, ultraviolette Strahlung (UV) zu reflektieren (um den UV-Abbau zu verzögern) und/oder die Druck- oder Zugfestigkeit zu erhöhen. Physikalische Verbundwerkstoffe sind zunächst homogene Mischungen und nehmen ihre endgültige Form während des Aushärtungsprozesses an. Wenn Lösungsmittel oder Aktivatoren aus der Beschichtungslösung freigesetzt werden, verschieben sich die Bestandteile der Beschichtung und richten sich physikalisch in der gesamten Beschichtung aus, sodass eine gleichmäßige Abdeckung und ein gleichmäßiger Schutz innerhalb des Films gewährleistet wird. Diese Ausrichtung ist in Abbildung 1 zu sehen, welche zeigt, wie sich die in der Beschichtungsmatrix ausgehärteten MIO-Flakes ausrichten, wodurch UV-Strahlen reflektiert und das Eindringen von Feuchtigkeit, Sauerstoff und anderen Elektrolyten in die Beschichtung verhindert wird.

Chemische Verbundwerkstoffe, die innerhalb von schmelzgebundenen Epoxiden (FBE) hergestellt werden können, sind wesentlich komplexer. Sie haben zunächst die Form von Pulvern, die im Wesentlichen inert sind, bis sie durch den Anwendungsprozess aktiviert werden. Wenn beispielsweise FBE-Pulver auf die vorgewärmte Oberfläche eines Stahlrohrs aufgespritzt wird, verwandelt sich das Pulver schnell in eine Flüssigkeit, die zusammenfließt und sich während dieses Prozesses aufgrund von Veränderungen auf molekularer Ebene im Material chemisch verbindet. Die Komponenten der Beschichtung entmischen sich, wobei schnell reagierende, angrenzende Phasenmoleküle rasch ein Gitterwerk aus Vernetzungen bilden, das der Beschichtung ein besonderes Maß an Zähigkeit, Temperaturtoleranz (basierend auf der Glasübergangstemperatur (Tg) der Beschichtung), Barriereeigenschaften und Flexibilität verleiht.

Während des Auftragens von pulverförmigen FBEs reagieren die angrenzenden Phasen der Beschichtung so schnell, dass die von ihnen gebildeten Vernetzungen andere Strukturen umschließen und einhüllen, was zu „Okklusionen“ in der gesamten vernetzten Struktur führt. Die Verteilung dieser molekularen Strukturen der „okkludierten Phase“ ist der Schlüssel zur Flexibilität und Zähigkeit der Beschichtung. Einzeln und gemeinsam wirken die Moleküle in diesen Okklusionen als Stoßdämpfung innerhalb der starren vernetzten Struktur, die Stoß- und Biegekräfte auf der Beschichtungsoberfläche absorbieren und ableiten. Die Okklusionen tragen dazu bei, dass sich die Kräfte nicht an einer einzigen Stelle konzentrieren, an der ein Aufprall – z. B. durch Steine, die während der Verlegung auf eine Pipeline fallen (Abbildung 2) – Risse in der härteren Vernetzung verursachen oder diese beschädigen könnte. Die Okklusionen erzeugen außerdem eine unglaubliche Flexibilität, sodass Offshore-Öl- und -Gasexplorationsbetriebe Pipelines im R-Verfahren verlegen können, bei dem kilometerlange Pipelineabschnitte auf Spulen an Land aufgerollt werden, um sie dann effizient auf See zu verlegen.

Einfluss der Schichten
Eine Beschichtung, selbst eine aus Verbundwerkstoff, bietet nicht unbedingt alle erforderlichen Eigenschaften, insbesondere bei anspruchsvollen Einsatzgebieten. Eine dritte Möglichkeit, eine kompositartige Beschichtung zu erzeugen, besteht daher darin, verschiedene Materialien zu einem mehrschichtigen Beschichtungssystem zu schichten. Diese Praxis kommt natürlich immer dann zum Tragen, wenn die Anwender mehr als eine Schicht der Beschichtung, einschließlich Grundierungen, auftragen, da jede Schicht ihre besonderen Schutzvorteile für die beschichtete Anlage bietet und mit jeder aufgetragenen Schicht den Schutz des gesamten Objekts erhöht. Jedes mehrschichtige Beschichtungssystem kann zusätzlichen Schutz bieten, indem es einfach eine größere physische Barriere zwischen den äußeren Elementen und dem Substrat des beschichteten Objekts schafft. Diese Systeme werden jedoch noch robuster, wenn einige oder alle der verschiedenen Schichten, aus denen das Beschichtungssystem besteht, selbst Verbundstoffe sind. Im Idealfall bietet das komplette System eine kovalent gebundene, mehrstufige Schutzbarriere mit Leistungseigenschaften, die als einheitliche, mehrschichtige Verbundstruktur synergetisch wirken.

So werden beispielsweise Beschichtungen in bis zu drei Schichten (Abbildung 3) zum Schutz der Außenseite von im Erdboden verlegten Pipelines verwendet. Bei praktisch allen Anwendungen, bei denen Stahlrohre zum Einsatz kommen – ob unter Wasser, unterirdisch oder oberirdisch –, sind die Korrosionsschutzeigenschaften von entscheidender Bedeutung. Daher sollte die unterste Schicht eines Beschichtungssystems für Pipelines zu diesem Zweck so optimiert werden, dass sie sowohl eine außergewöhnliche Haftung als auch dauerhaften Korrosionsschutz bietet. Diese FBE-Beschichtung, welche selbst ein chemischer Verbundstoff ist, zeichnet sich durch hohe Flexibilität und ein hohes, aber ausgewogenes Maß an adhäsiven und kohäsiven Eigenschaften aus. Die Ausgewogenheit dieser Eigenschaften ist wichtig, um einer kathodischen Enthaftung standzuhalten und – im Falle einer physischen Beschädigung der Beschichtung (z. B. durch Stöße oder Kratzer) – die Ausbreitung von Oberflächenkorrosion durch Unterhöhlung der Korrosionsschutzschicht zu verhindern oder stark einzuschränken. Die genau abgestimmten Eigenschaften dieser FBE-Verbundschicht verhindern, dass korrosive Elemente das Stahlrohr erreichen, und bieten eine hervorragende Beständigkeit gegen Rissbildung, Kaltfluss und Erweichung in einem breiten Temperaturbereich.

Mit dieser Beschichtung behandelte Pipelines können von einer zusätzlichen Schutzschicht, die auf die Basiskorrosionsschutzschicht aufgetragen wird und physikalischen und chemischen Angriffen standhalten soll, stark profitieren. Diese noch widerstandsfähigere, flexiblere FBE-Beschichtung aus chemischem Verbundwerkstoff bietet ein hohes Maß an Abriebfestigkeit, damit Kratzer und Schrammen, denen ein Rohr beim Transport oder bei der Verlegung ausgesetzt ist, diese Schicht nicht durchdringen können. So hat die Prüfung nach NACE TM0215-2015 gezeigt, dass ein erheblicher Druck auf die Beschichtung zwar zu einer Stauchung der Beschichtung, nicht zur Rissbildung führt (Abbildung 4). Ohne diese Schutzschicht könnte die Korrosionsschutzschicht beschädigt werden, wodurch der darunter liegende blanke Stahl freigelegt und das Korrosionspotenzial erhöht würde. Diese zusätzliche Verbundschicht bietet zudem eine Feuchtigkeitsbarriere, um das Eindringen von Wasser bis zur Korrosionsschutzbeschichtung zu verhindern.

Bei einigen Anwendungen sollten die Verantwortlichen für die Installation von Pipelines eine dritte Schicht aus einem Verbundwerkstoff in Betracht ziehen, die die unteren Schichten vor UV-Abbau schützt. Diese optionale Schicht kann sowohl für oberirdische Rohrleitungen als auch für unterirdische oder unterseeische Projekte, bei denen zwischen der Beschichtung der Rohre und ihrer Verlegung große zeitliche Abstände liegen, erforderlich sein. Aufgrund ihrer Epoxidformulierung altern FBEs nicht gut unter UV-Licht. Da viele Rohre über weite Strecken transportiert werden müssen, sind sie einer hohen und schädlichen UV-Belastung ausgesetzt. Dies gilt ebenfalls für Rohre, die vor ihrer Verlegung lange Zeit am Installationsort der Pipeline gelagert werden. Je länger die Exposition andauert, desto größer ist das Risiko, dass sich die Schutz- und Korrosionsschutzschichten der FBE-Beschichtung verschlechtern und ihre Leistungsfähigkeit abnimmt. Das Hinzufügen einer äußeren Schutzschicht aus einem schmelzgebundenen Polyester oder Acryl auf Wasserbasis verhindert, dass UV-Licht die FBEs erreicht, und verlängert so ihre Lebensdauer.

Widerstandsfähigkeit gegen kathodische Enthaftung
Physikalische, chemische und mehrschichtige Verbundbeschichtungen bieten eine Vielzahl zusätzlicher Eigenschaften, die dazu beitragen, dass die Beschichtungen in den vorgesehenen Anwendungen eine bessere Leistung zeigen und länger halten. Zu diesen Eigenschaften gehört die verbesserte Beständigkeit gegen kathodische Enthaftung, die ein entscheidender Vorteil für Pipelinebetreiber ist, die FBE-Verbundwerkstoffe zum Schutz im Boden oder unter Wasser verlegter Rohre vor Korrosion einsetzen.

Bei solchen Pipelineanlagen wird in der Regel der kathodische Korrosionsschutz (KKS) als Backup-Korrosionsschutzsystem eingesetzt. Bei KKS-Systemen wird eine Pipeline mit einem Strom beaufschlagt, der Elektronen von einer Opferanode zu einer Stahloberfläche fließen lässt, um Korrosion zu verhindern. FBEs wirken synergetisch mit KKS-Systemen zusammen und bieten einen zweigleisigen Ansatz für den Korrosionsschutz. Die auf die Pipeline aufgebrachten FBEs bieten Barriereeigenschaften, die das metallische Substrat des Rohrs vor Korrosion schützen, wobei das KKS-System als Backup dient.

Wenn eine FBE-Beschichtung in einer durch ein KKS-System unterstützten Rohranlage versagt, lässt der daraus resultierende Elektronenfluss bevorzugt die Opferanode am Rohr korrodieren. Im Bereich der beschädigten Beschichtung erhöht sich die Alkalität aufgrund der Wechselwirkung des KKS-Stroms mit Wasser und Elektrolyten. Diese höhere Alkalikonzentration beeinträchtigt die Haftung der Beschichtung und kann sie daher anfällig für kathodische Enthaftung machen. Die kathodische Enthaftung kann jedoch durch die Verwendung von chemischen FBE-Verbundwerkstoffen mit starkem Haftungspotenzial abgeschwächt werden, deren Leistungsfähigkeit in Labor- und Feldversuchen bestätigt wurde. Solche FBEs sollten auch nicht abschirmend sein, d. h. sie sollten den Strom aus dem KKS-System auf das Stahlsubstrat des Rohrs leiten und so den kathodischen Korrosionsschutz ermöglichen. Wenn die FBEs das Rohr von diesem Strom abschirmen, bietet das KKS-System keinen oder nur einen geringen zusätzlichen Korrosionsschutz.

Die Zukunft der Verbundstoffe
Durch kontinuierliche Forschung und Entwicklung ist es möglich geworden, Verbundbeschichtungen zu entwickeln, die synergetisch verschiedene Aufgaben erfüllen können. Die Beschichtungen selbst können physikalische Additive enthalten, die ihre Haftung, Festigkeit, Haltbarkeit, thermische Leistung und Beständigkeit gegen Abrieb, eindringende Feuchtigkeit, chemische Angriffe und Korrosion verbessern. Alternativ können die Beschichtungen diese verbesserten Eigenschaften auch auf chemischem Wege erhalten, indem verschiedene Elemente in ihren Formulierungen aushärten und sich miteinander verbinden, um eine ineinandergreifende Beschichtungsmatrix zu bilden. Darüber hinaus können verschiedene Beschichtungsschichten zu einer einheitlichen, mehrschichtigen Verbundstruktur aufgebaut und miteinander verbunden werden, die spezielle Schutzarten bietet. In jedem dieser Fälle bieten die Verbundstoffbeschichtungen bessere Eigenschaften im Vergleich zu Beschichtungen ohne Verbundstoff. Diese Eigenschaften können sich besonders vorteilhaft auf die langfristige Korrosionsschutzleistung der Beschichtungen auswirken.

ÜBER DIE AUTOREN
Neil Wilds ist Global Product Director – CUI für Sherwin-Williams Protective & Marine. Mit 36 Jahren Erfahrung im Bereich technische Beschichtungen entwickelt Wilds Strategien für den langfristigen Schutz von Anlagen und leitet die Entwicklung von Spezifikations- und Prüfungsprogrammen. Er ist Mitglied mehrerer Beschichtungsverbände, darunter AMPP, NORSOK M501, die Internationale Organisation für Normung (ISO) und andere. Kontakt: Neil.Wilds@sherwin.com

Dr. Jeffrey David Rogozinski ist Global Product Director – Fusion-Bonded Epoxy/Pipe für Sherwin-Williams Protective & Marine. Mit mehr als 30 Jahren Erfahrung in der Beschichtungsbranche und in der Wissenschaft ist er für die Entwicklung von Schutzbeschichtungen, Pulverbeschichtungen, Harzen und Additiven für die Märkte Öl und Gas, Pipelines, Brücken und Autobahnen verantwortlich. Sein Schwerpunkt in der Wissenschaft der Beschichtungen liegt auf der Erforschung und Prüfung der Polymersynthese und Struktur-Eigenschafts-Beziehungen. Er ist Mitglied mehrerer Beschichtungsverbände und Berater bei der Erstellung globaler Spezifikationen für die CSA Group, die Internationale Organisation für Normung (ISO), ASTM International, AMPP und andere. Rogozinski hat einen Doktortitel in angewandter Wissenschaft für Polymer- und Verbundstoffchemie. Kontakt: Jeffrey.Rogozinski@sherwin.com

Abbildung 1. MIO-Pigmente, die in eine Beschichtung eingebettet sind, bilden eine Barriere, die UV-Strahlen reflektiert, um den Abbau der Beschichtung zu minimieren. Die geschichtete Pigmentstruktur verhindert außerdem das Eindringen von Feuchtigkeit, Sauerstoff und anderen Elementen in die Beschichtung.

Abbildung 2. In Steinschlagprüfungen (oben) konnte nachgewiesen werden, dass ein chemischer Verbundwerkstoff aus schmelzgebundenem Epoxidharz (FBE) die erforderliche Schlag- und Abriebfestigkeit bietet, um die vor Korrosion schützende FBE-Basisschicht vor Beschädigungen zu schützen (unten).

Abbildung 4. Bei der Durchführung der NACE-TM0215-2015-Prüfung setzten die Techniker einen ASTM-spezifizierten R33-Bohrer auf eine abriebfeste und feuchtigkeitsbeständige FBE-Oberbeschichtung an und versuchen, diese zu durchdringen. Eine Druckeinwirkung von 32 kg (von oben) hat die Beschichtung kaum beeinträchtigt. Bei einem Druck von 62 kg (von unten) wurde die Beschichtung an der Bohrstelle gestaucht, aber nicht durchdrungen.