Zur Seitenansicht
 

Titelaufnahme

Titel
Combined spectroscopic and electrochemical studies of ion transport and corrosive de-adhesion processes at polymer/oxide/metal interfaces / Ralf Posner
AutorPosner, Ralf In der Gemeinsamen Normdatei der DNB nachschlagen
Erschienen2009
HochschulschriftPaderborn, Univ., Diss., 2009
SpracheEnglisch
DokumenttypDissertation
URNurn:nbn:de:hbz:466-20090807014 Persistent Identifier (URN)
Dateien
Combined spectroscopic and electrochemical studies of ion transport and corrosive de-adhesion processes at polymer/oxide/metal interfaces [31.8 mb]
zusammenfassung [10.16 kb]
abstract [8.69 kb]
Links
Nachweis
Klassifikation

Deutsch

Die vorliegende Studie verfolgte einen umfassenden experimentellen Ansatz zur mechanistischen Untersuchung von Ionentransportprozessen entlang Polymer/Oxid/ Metall-Grenzflächen, zur Ermittlung bestimmender Parameter für den Fortschritt korrosiver Enthaftung und Nutzung dieser zur gezielten Adress¬ierung der sogenann¬ten `Elektrolytfront´. Für die Sondierung der Grenzflächenstabilität wurden katho¬dische oder kombiniert kathodisch/anodische Unterwanderungsprozesse induziert und deren zeitlicher Verlauf insbesondere mit einer höhengeregelten Raster-Kelvinsonde verfolgt. Das Polymer/Substrat-Grenzflächendesign konnte der wissenschaftlichen Fragestellung ent¬sprechend gezielt angepasst werden. Hierzu wurden verschiedene Substrat¬materia¬lien, insbesondere Zink- und Eisenproben, sowie Stahlbleche mit spezifischen Eisen-passivschichten eingesetzt. Ein weiterer Fokus lag auf einer gezielten Variation des Grenz¬¬flächen¬kontakts zwischen Klebstoffschicht und nano-rauer Oxidoberfläche. Ein¬ge¬¬schlossen war dabei die Untersuchung der Barriereeigen¬schaf¬ten von Latex-Co¬poly¬¬mer¬schichten gegenüber einer Wasseraufnahme mittels Elektrochemischer Impedanz¬spektroskopie. Die Evaluation resultierender Effekte aus verschiedenen Glas¬übergangs¬¬temperaturen und Poly¬mer¬netzwerkdichten vervollständigte das erhaltene Bild. Polymer/Substrat-Grenzflächenpotentiale wurden mit Ionenver¬teilungen an der Grenz¬fläche verglichen, die sich aus entsprechend initiierten Ionen¬trans¬port¬prozessen ergaben. Methodisch bewährten sich hierbei die Röntgenphotoelektronen¬spektroskopie und Sekundärionen-Flug¬zeitmassenspektrometrie. Es konnte nachgewiesen werden, dass keine makros¬kopisch relevante Ionendiffusion entlang verdeckter Grenzflächen statt¬findet, sondern Ionentransportprozesse sogar in extrem sauerstoffarmer, feuchter Atmosphäre elektrostatisch determiniert sind. Reaktives Elektrolytspreiten entlang unbeschichteter Metallsubstrate kann zur Simulation korrosiver Unterwanderungs¬prozesse genutzt werden, sodass komplexe Polymer/Substrat-Grenzflächenstrukturen für grundlegende Untersuchungen nicht zwingend erforderlich sind. Es gelang der Nachweis, dass eine elektrochemisch induzierte Grenzflächenschädigung einer makros¬kopischen Polymerenthaftung vorauseilt. Der Unterwanderungsfortschritt, so zeigte sich, ist in hohem Maße von der effektiven Wasseraktivität an der Grenzfläche abhängig. Ein erhöhter hydrostatischer Elektrolyt¬druck beschleunigte den Ionen¬transport, jedoch stellte insbesondere die elektrochemische Stimulation einen besonders effektiven Steuerungsparameter für korrosive Enthaftungskinetiken dar. Eine Redu¬zierung der Luftfeuchte in der umgebenden Atmosphäre kann in diesem Sinne bis zur Selbst¬inhibierung der entsprechenden Prozesse führen, wobei die relevante laterale Ausdehnung der Elektrolytfront unter diesen Umständen weniger als 250 µm beträgt. Die polare Komponente der Oberflächenenergie stellte sich als geeigneter Parameter zur Einschätzung möglicher Polymer/Eisenoxid-Adhäsionskräfte heraus. Im Gegensatz dazu werden die Kinetiken des reaktiven Elektrolytspreitens entlang unbeschichteter Eisenpassivschichten nicht durch entsprechend bestimmte Wasser¬kontakt¬winkel oder Ober¬flächenenergien wiederge¬geben. Viskoelastische Polymere mit einer Glas¬tem¬peratur unterhalb der Raumtemperatur besitzen nicht nur eine verringerte Poren¬dichte, sondern sind offensichtlich auch in der Lage, freie Volumina nahe der Grenzfläche zum Substrat zu verschließen und damit korrosive Enthaftungs¬prozesse wirkungsvoll zu inhibieren. Der vorteilhafte Effekt reduzierter mittlerer Polymer¬kettenlängen konnte dabei mit einer gesteigerten Mobilität der Makromoleküle erklärt werden, die eine optimierte Interdiffusion von Latexpartikeln ermöglichen und dabei zu ihrer vollständigeren Koaleszenz beitragen. Mit der vorliegenden Arbeit konnte ein vertieftes Verständnis von elektrochemischen Prozessen an Polymer/Oxid/Metall-Grenzflächen erzielt werden, welches für zukünftige Strategien zur Steigerung der Grenz¬flächen¬stabilität gegenüber korrosiven Einflüssen Verwendung finden wird.

English

The present study followed a comprehensive experimental approach to reveal the mecha¬nisms of ion transport processes at polymer/oxide/metal interfaces, to evaluate determinant parameters for the progress of corrosive de-adhesion and to address them to the so called `electrolyte front position´. This could be achieved after probing of the interface stability by initiation of cathodic or combined cathodic/anodic delami¬na¬tion and monitoring its progress in particular with the height-regulated Scanning Kelvin Probe. The polymer/substrate interface design could be specifically adjusted by varia¬tion of the substrate material, in particular zinc and iron samples or steel substrates with distinct passive films. It was also focussed on the influence of the interfacial contact between adhesive layer and nano-rough oxide surface as well as the barrier properties of latex copolymer films of different monomer composition, glass transition temperature and polymer network density. Polymer/substrate interface potentials were compared to resulting ion distributions after interfacial ion transport processes applying X-ray Photoelectron Spectroscopy and Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectro¬metry. It could be shown that ions do not diffuse along the interfaces. In fact, ion migration in an electrostatic field is dominant even in extremely oxygen deficient humid atmosphere. Reactive electrolyte spreading along uncoated oxide surfaces can be applied to simulate corrosive delamination processes without the complex polymer/ substrate interface structure. It was proven that electro¬chemical interface degradation precedes a macroscopic polymer de-adhesion. The progress of delamination strongly responded to the available interfacial water activity. Increased hydrostatic pressure of the defect electrolyte accelerated the interfacial ion transport, but electrochemical stimulation turned out to be an even more effective tool to address corrosive de-adhesion kinetics. Nevertheless they were also found to end up with self-inhibition at reduced atmospheric moisture; the relevant lateral dimensions of the electrolyte front thereby could be confined to cover less than 250 µm. The polar surface energy component turned out to be a suitable parameter to estimate resulting polymer/ iron oxide adhesion forces and can be applied to predict rates of subsequently initiated delamination processes. Reactive electrolyte spreading along uncoated iron surfaces in contrast is not determined by the respective water contact angles and surface energies. Flexible and elastic polymers with a glass transition temperature below ambient temperature resulted in reduced pore densities, which could be evaluated by Electrochemical Impedance Spectroscopy. Such films obviously also sealed interfacial free volumes and inhibited corrosive delamina¬tion. An advantageous effect of reduced averaged polymer chain lengths could be explained with an increased macromolecular mobility to support latex particle interdiffusion and coales¬cence. It can be concluded that important results towards a distinctly increased knowledge of corrosion processes at polymer/oxide/metal interfaces and promising strategies for interface protection were received.