Morphologische Anpassung von Schichtsilicaten zum Einstellen des Permeationsverhaltens polymerer Beschichtungen

Schichtsilicate und deren gezielte Modifikation und Trocknung sind vielversprechende Ansätze für die Weiterentwicklung von Barrierebeschichtungen für die unterschiedlichsten Anwendungen. Gerade im aufstrebenden Bereich von Wasserstoff als Energiequelle sind die Anforderungen an die Dichtigkeit von Tank- und Rohrsystemen bei Produktion, Lagerung und Transport enorm. Die Schichtsilicate versprechen eine optimierte Barrierewirkung und eine verbesserte Dichtigkeit. Somit ist eine Beschichtung für Wasserstofftanks und Rohrleitungen geeignet.
Diese Arbeit befasst sich mit den synthetischen Herausforderungen beim Einsatz von Schichtsilicaten in Lacksystemen. Zu diesem Zweck wird zu Beginn die Notwendigkeit einer Modifikation untersucht, indem der Einfluss unmodifizierter und modifizierter Schichtsilicate auf die Permeationseigenschaften in einer Beschichtung untersucht wurden. Dabei zeigten die Modifikation sowie die Art der Trocknung einen positiven Effekt auf die Barriereeigenschaften der Beschichtung. Durch das Anbinden von Dodecylamin und die Gefriertrocknung konnte eine deutliche Reduzierung der Permeation, um mehr als 90 %, erreicht werden.
Auf Basis dieser Ergebnisse wurden die Schichtsilicate hinsichtlich der Morphologie von ofen- und gefriergetrockneten Partikeln verglichen. Hierbei f¨uhrte die Gefriertrocknung zu deutlich weniger Agglomeraten in der Beschichtung und zu einer verbesserten Barriereeigenschaft. Ebenfalls wurde der Einfluss der Modifikatormenge untersucht, wobei sich ein Gewichtsverh¨altnis von Silicat zu DDA von 2,25:1 als am geeignetsten herausstellte. Durch die Bestimmung der Hansen Löslichkeits-Parameter konnte ein geeignetes Lösungsmittel zu Delamination der Silicate schneller und einfacher ausgewählt werden, verglichen mit aufwändigen Screenings von geeigneten Lösungsmitteln. Bei der
Bestimmung der Permeationskoeffizienten wurden deutliche Unterschiede im Verhalten
der untersuchten Gase (O2, H2O und H2) festgestellt.
Durch die Bestimmung der temperaturabhängigen Permeation und durch die Berechnung der Aktivierungsenergien konnten Unterschiede in der Permeation von Wasserdampf, Sauerstoff und Wasserstoff identifiziert werden. Im Polyimid besitzt die Permeation von Wasserdampf negative Aktivierungsenergien. Mit steigender Teilchenzahl an modifizierten Silicaten werden diese Wechselwirkungen geschwächt und die Aktivierungsenergie der Permeation steigt. Sauerstoff tritt nicht in Wechselwirkungen mit dem Polymer, vielmehr diffundiert es zwischen den Interphasen der Partikel. Mit höherer Partikelanzahl wird die Permeation zu nächst reduziert, da der Diffusionsweg verlängert wird. Mit deutlich erh¨ohter Anzahl von Silicatpartikeln findet die Diffusion vermehrt über die Interphasen statt und die Aktivierungsenergie sinkt mit höherer Teilchenanzahl. Die Permeation von Wasserstoff konnte bereits mit einem Silicatanteil von unter
einem Prozent deutlich reduziert werden. Eine Erhöhung des Silicatanteils in der Beschichtung zeigte keine weitere Reduktion der Permeation.