Kupfer- und Nickelabscheidung 2/3 - Korrosionsforschung und Korrosionsschutz

Bauwerke, Brücken und Denkmäler

Korrosion ist die Zerstörung von Werkstoffen durch chemische Reaktionen mit der Umgebung. Sie ist ein großer Kostenfaktor. Der Austausch korrodierter Werkstoffe in Gebäuden, Brücken oder Denkmälern sowie das Streichen oder Verzinken von Bauteilen stellen enorme Investitionen in die Instandhaltung dar. 

Die Studie "Corrosion Costs and Preventive Strategies in the United States" (Korrosionskosten und Vorbeugungsstrategien in den Vereinigten Staaten) zeigte, dass Korrosion die USA 1998 276Mrd. $ kostete . Dies entspricht ca. 3,2 % des Bruttoinlandsprodukts der USA [1]. Der Anstrich des Eiffelturms kostet alle 7 Jahre ca. 4Mio. €[2]. Ohne eine ordnungsgemäße und geschlossene Farbschicht würde dieses Monument instabil werden und zusammenbrechen.

Daher ist die Korrosion einer der wichtigsten Bereiche der elektrochemischen Forschung. Zahlreiche Unternehmen fördern die akademische Forschung, um die Mechanismen korrosiver Prozesse zu untersuchen und neue Methoden zum Korrosionsschutz zu entwickeln. Unternehmen prüfen Lacke und Schmierstoffe auf ihre Korrosionsschutzeigenschaften und entwickeln neue Verfahren zur Herstellung von Beschichtungen oder zur Schaffung korrosionsfreier Umgebungen für Maschinen, beispielsweise durch das vollständige Eintauchen der Getriebe in Öl. 

Aus chemischer Sicht ist der Schutz durch gewöhnliche Anstriche leicht zu verstehen. Die Farbe ist in der Regel eine Mischung aus einem Polymer, Farbpigmenten und verschiedenen Additiven zur Einstellung der physikalischen Eigenschaften der Farbe. Diese Zusätze sorgen zum Beispiel für glatte oder raue Oberflächen oder gewähren UV-Schutz. Die Farbe wird in der Regel in einem Lösungsmittel (Wasser oder einem organischen Lösungsmittel) dispergiert oder aufgelöst. Das Lösungsmittel verdunstet nach dem Auftragen der Farbe und ein Polymer mit den Zusatzstoffen und Pigmenten bleibt auf der lackierten Oberfläche zurück.

Das Ergebnis ist eine physikalische Barriere zwischen der Oberfläche und ihrer Umgebung. Diese Barriere schützt die Oberfläche vor Korrosion. Ein Riss in der Lackschicht verschafft der Korrosion Zugang zur Oberfläche, sodass es zu Korrosion kommen kann. 

Möglichkeiten der Elektrochemie in der Korrosionsforschung

Schon hier kann die Elektrochemie helfen, die Leistung zu verbesserne die Schutzschicht. Galvanische Lacke sind Lacke, die durch eine elektrochemische Reaktion unlöslich gemacht werden. Ein leitfähiges Werkstück wird in das Lackbad getaucht und mit einer Spannung beaufschlagt. Dase Erstellend Eine Reaktion nahe der Werkstückoberfläche macht den Lack unlöslich, wodurch sich eine Lackschicht auf der Metalloberfläche absetzt. Alle leitfähigen Teile werden mit dem Lack überzogen.,auch an schwer zugänglichen Stellen.

Wenn der Lack eine isolierende Schicht bildet, stoppt sich die Reaktion von selbst, da die leitfähige Oberfläche vollständig blockiert wird; nur die benötigte Menge an Farbe wirdverwendet. Diese Anstriche haben unterschiedliche Mechanismen.

Am häufigsten handelt es sich um neutralisierende Ladungen. Die Polymere in den Lacken weisen einige geladene funktionelle Gruppen auf. Diese Gruppen machen sie wasserlöslich. Bei diesen Gruppen kann es sich um deprotonierte Säuren oder protonierte Basen handeln. Zur Veranschaulichung Wir gehen von einem Polymer mit deprotonierten Carboxylgruppen (COO) aus–) wird verwendet. Aufgrund seiner negativen Ladung wandert es zur positiv geladenen Elektrode, der Anode, hin. Das Potential an der Anode ist hoch genug für Wasser zu Teilen awie folgt: 

Die hohe Konzentration von H+, was einen niedrigen pH-Wert nahe der Anode impliziert, führt zu einer Protonierung des COO–Gruppen.

Infolgedessen wird das Polymer’s COOH-Gruppen kostenlos und das Polymer ist nicht nicht mehr wasserlöslich. Das Polymer scheidet an der Anode aus (siehe Abbildung 1.1). Nach Abschluss der Beschichtung wird überschüssiger Lack abgespült und die Lackschicht ausgehärtet. Dabei wird der Lack erhitzt, damit er fließen und eine gleichmäßige Oberfläche bilden kann. 

Der Korrosionsschutz wird einfacher, wenn das Metall selbst eine Schutzschicht bildet. Aluminiumoxidschichten auf Aluminium sind für Sauerstoff undurchlässig und schützen somit die darunterliegende Aluminiumschicht. Dies hat den Vorteil, dass beschädigte Teile der Beschichtung durch das Aluminium selbst ersetzt werden. Die Dicke der Schicht kann elektrochemisch erhöht werden, was zu einem besseren Schutz führt. 

Korrosionsschutz: aktive Beschichtungen

Bisher waren die genannten Beschichtungen passive Beschichtungen. Aktive Beschichtungen können erzeugt werden, indem Metalle mit Metallen überzogen werden. Dies geschieht in der Regel durch Eintauchen des zu schützenden Metalls in eine Lösung mit einem Salz des Beschichtungsmetalls. Zwischen dem zu schützenden Metall und einer Elektrode aus dem Beschichtungsmetall wird ein Potential angelegt.

An das Kernmetall wird ein negatives Potential angelegt und alle positiven Metallionen (Kationen) wandern zum Kernmetall, das als Kathode fungiert, der Elektrode, an der die Reduktion stattfindet, und die Ionen werden an der Kathode zu elementarem Metall reduziert. Die andere Elektrode oxidiert ihr eigenes Metall und gibt es in Form von Ionen an die Lösung ab. Diese Elektrode wird Anode genannt, die Elektrode, an der die Oxidation stattfindet (siehe Abbildung 1.2). 

Beschichtung mit Edelmetallen

Aufgrund der Kenntnisse über die elektrochemische Reihe lässt sich vorhersagen, ob ein bestimmtes Metall edler ist als ein anderes, und somit auch dessen Verhalten im Kontakt mit diesem vorhersagen. Edelmetalle eignen sich zur Herstellung einer korrosionsinertem Beschichtung, doch wenn die Beschichtung beschädigt wird und das weniger edle Metall freigelegt wird, entsteht eine lokale Galvanische Zelle. Das edle Beschichtungsmetall entzieht dem weniger edlen Grundmetall Elektronen, wodurch die Korrosionsgeschwindigkeit erhöht statt verlangsamt wird. Ein Beispiel hierfür wäre chrombeschichteter Stahl. 

Eine Beschichtung mit einem weniger edlen Metall, das sich selbst passiviert, ist in der Regel die bessere Wahl. Sollte die Beschichtung beschädigt werden und das Grundmetall freigelegt werden, fungiert die Beschichtung als Opferanode. Das edle Grundmetall entzieht der weniger edlen Beschichtung Elektronen und reduziert sich so selbst, während die Beschichtung oxidiert wird. Ein Beispiel hierfür ist verzinkter Stahl. 

Es gibt noch weitere Möglichkeiten, ein Produkt vor Korrosion zu schützen, doch im Rahmen dieses Experiments reicht die Kenntnis dieser wichtigsten Methoden aus. 

Literatur

[1] Gerhardus H. Koch, Michiel P .H.Brongers, Neil G. Thompson, Y. Paul Virmani und Joe H. Payer. Corrosion Costs and Preventive Strategies in the United States - Bericht der CC Technologies Laboratories, Inc. an die Federal Highway Administration (FHWA), September 2001.

[2] http://www.toureiffel.paris/en/everything-about-the-tower/themed-files/97.html.