„Intelligenteres“ Zink bietet besseren Schutz
Bild: KI-generiert
„Intelligenteres“ Zink bietet besseren Schutz – Durch eine gezielte Veränderung der Form und Kristallstruktur von Zinkpartikeln lässt sich die Schutzdauer zinkreicher Epoxidprimer deutlich verlängern. Eine einfache Wärmebehandlung erzeugt Zinkpartikel mit aktiveren Kristallflächen, sodass der kathodische Schutz nicht mehr nur zehn, sondern fast siebzig Tage anhält.
Vom Standardpulver zum „aktivierten“ Zink
Zinkreiche Beschichtungen (ZRC) sind seit Jahrzehnten der Standard für schweren Korrosionsschutz von Stahl. Ihre Wirksamkeit hängt vor allem von zwei Faktoren ab:
- wie gut die Zinkpartikel elektrisch miteinander und mit dem Stahl verbunden sind
- wie reaktiv das Zink selbst als Opferanode ist
Vergleich von konventionellen und thermisch behandelten Zinkpartikeln
Forscher der Technischen Universität Dänemark haben untersucht, was passiert, wenn man nicht die Chemie, sondern die Form und Orientierung der Zinkpartikel verändert. Sie verglichen eine herkömmliche zinkreiche Epoxidbeschichtung (mit kommerziellen, kugelförmigen Zinkpartikeln, ZRC‑CB) mit einer Variante, in der dasselbe Zink einer kontrollierten Wärmebehandlung unterzogen wurde (T‑ZRC‑CB): Erhitzen auf 450 °C und anschließendes langsames Abkühlen mit 2 °C pro Minute.
Gleiche Zusammensetzung, andere Partikelgeometrie
Die Feststoffanteile – Menge an Zink und Ruß (Carbon Black) – blieben in beiden Systemen gleich. Durch die Wärmebehandlung änderte sich jedoch die Partikelform: Anstelle runder Kugeln entstanden mehrkantige und hexagonale Partikel mit ausgeprägten Kanten und Ecken.
Aktivere Kristallflächen, veränderte Partikelform
Röntgendiffraktion (XRD) zeigte, dass das behandelte Zink einen größeren Anteil „aktiver“ Kristallflächen an der Oberfläche aufwies, insbesondere die (100)-, (101)-, (110)- und (102)-Flächen. Diese besitzen eine höhere Oberflächenenergie und lösen sich leichter auf als die stabilere (002)-Fläche.
Neue Geometrie stärkt das leitfähige Netzwerk
Die neue Geometrie – kantig statt glatt und rund – führt außerdem dazu, dass sich die Partikel an mehreren Punkten berühren. Das beeinflusst nicht nur die Reaktivität, sondern auch den Aufbau eines elektrischen Netzwerks innerhalb der Beschichtung.
Siebenmal längerer kathodischer Schutz
Messungen des Leerlaufpotenzials (OCP) zeigten einen deutlichen Unterschied. Die T‑ZRC‑CB-Beschichtung erreichte unmittelbar nach dem Eintauchen die Schwelle für wirksamen kathodischen Schutz und hielt diesen fast 70 Tage aufrecht. Die Referenzbeschichtung mit handelsüblichen Zinkpartikeln erreichte lediglich etwa 10 Tage.
Weniger Unterrostung im Salzsprühtest
Auch ein Salzsprühtest nach ISO 9227:2022 bestätigte die Verbesserung. Nach 30 Tagen betrug die Unterrostung bei T‑ZRC‑CB nur 1,3 mm, gegenüber 2,6 mm bei der Standardbeschichtung.
Schnellere Zinkopferung, schnellere Barrierebildung
Die elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) zeigte, dass die Impedanz der T‑ZRC‑CB-Beschichtung früher anstieg als beim Referenzsystem. Dies weist auf eine schnellere Auflösung des Zinks und eine zügigere Bildung isolierender Korrosionsprodukte in den Poren der Beschichtung hin. Diese Zinkkorrosionsprodukte füllen offene Strukturen im Primer und verstärken so die Barrierewirkung gegen Feuchtigkeit und Ionen.
Besserer Schutz ohne Haftverlust
Haftungsprüfungen nach ASTM D3359 und EN ISO 4624:2023 ergaben, dass die verbesserte Schutzwirkung nicht auf Kosten der mechanischen Eigenschaften geht: Beide Systeme hafteten hervorragend auf gestrahltem Stahl, mit Abreißfestigkeiten von rund 10,2 MPa für T‑ZRC‑CB.
Mehr aktive Flächen und bessere Verbindungen
Die bessere Schutzwirkung beruht auf zwei zusammenwirkenden Effekten:
- Höhere elektrochemische Aktivität
- Durch den höheren Anteil aktiver Kristallflächen löst sich das Zink schneller und effizienter als Opferanode auf. Der Stahl bleibt dadurch länger im kathodischen Schutzbereich.
- Stärkeres elektrisches Netzwerk
- Die kantigen Partikel ermöglichen mehrere Kontaktpunkte zwischen den Zinkpartikeln untereinander und mit dem Carbon-Black-Netzwerk. Das führt zu einer deutlich robusteren leitfähigen Struktur als bei kugelförmigen Partikeln, die meist nur einen Kontaktpunkt aufweisen.
Ein wichtiges Detail: Der Ruß (Carbon Black) wurde vor der Wärmebehandlung zugesetzt. Dadurch wurde verhindert, dass die Zinkpartikel beim Erhitzen zu stark zusammen sintern, sodass die Partikelgröße (D50 = 6 μm) im gewünschten Bereich für Beschichtungen blieb.
Praxisnahe Route zu langlebigeren Epoxidprimern
Die Studie zeigt, dass sich die Lebensdauer zinkreicher Epoxidprimer deutlich verlängern lässt, ohne die Pigmentformulierung zu ändern. Allein durch die gezielte Steuerung von Morphologie und Kristallorientierung des Zinks mittels eines einfachen thermischen Schritts werden sowohl die Opferanodenwirkung als auch die Barrierefunktion verbessert.
Einsatz für hochbelastete Stahlkonstruktionen
Für die Praxis bedeutet dies eine vergleichsweise einfach umsetzbare Methode, bestehende zinkreiche Systeme auf ein höheres Schutzniveau zu bringen – insbesondere bei stark beanspruchten Stahlkonstruktionen.
Quelle: Elsevier Science Direct
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