Oberflächenforschung Neue Ursache für die Alterung von Beschichtungen

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Forschende des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung haben einen bislang wenig beachteten Faktor für die Korrosion von Oberflächen identifiziert: die elektrische Aufladung von Wassertropfen.

Forschende des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung um Direktor Hans-Jürgen Butt haben gemeinsam mit internationalen Partnern untersucht, wie sich elektrisch geladene Wassertropfen auf Beschichtungen auswirken. Die in der Fachzeitschrift Nature erschienene Studie zeigt, dass Wassertropfen beim Rutschen über Oberflächen elektrische Ladung aufnehmen und diese beim Aufprall lokal wieder abgeben können. Dabei können sie Beschichtungen und darunterliegende Metalle schädigen. Die Erkenntnisse könnten zur Entwicklung langlebigerer Schutzschichten beitragen.

Bisher bekannte Ursachen

Beschichtungen schützen Bauteile und Bauwerke vor Korrosion. Ob am Auto, am Gartenzaun oder an einem Schiff, Regen- und Wassertropfen setzen den Schutzschichten jedoch mit der Zeit zu. Auch Bauwerke wie der Eiffelturm oder die Golden Gate Bridge müssen regelmäßig neu gestrichen werden.

Als Ursachen galten bisher vor allem mechanische und chemische Einflüsse. Tropfen können beim Auftreffen und Abfließen die Oberfläche allmählich abtragen oder zum Abblättern der Beschichtung beitragen. Zusätzlich greifen Säuren und Salze im Wasser die Schutzschicht an.

Elektrische Ladung als weiterer Faktor

Forschende des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung, der Universität Bonn, der South China University of Technology, des Massachusetts Institute of Technology (MIT) und der Johannes Gutenberg-Universität Mainz haben nun einen weiteren Faktor untersucht: die elektrische Aufladung von Tropfen.

„Wir haben vor einigen Jahren die Physik dahinter erforscht, wie sich Wassertropfen aufladen, wenn sie über Oberflächen rutschen“, sagt Rüdiger Berger, Gruppenleiter in der Arbeitsgruppe „Physik an Grenzflächen“. Dabei handle es sich um eine Form der Reibungselektrizität, deren physikalische Zusammenhänge komplexer seien als bislang angenommen.

Tropfen hinterlassen Spuren

Für ihre Untersuchungen ließen die Forschenden zunächst Wassertropfen auf eine gleichmäßig mit Teflon beschichtete Oberfläche fallen. Bei ungeladenen Tropfen waren selbst nach 3000 Aufprallen unter dem Mikroskop keine Veränderungen an der Beschichtung zu erkennen.

Anschließend ließen sie die Tropfen vor dem Aufprall über unterschiedliche Alltagsmaterialien laufen. Dazu gehörten das Blatt einer Zimmerpflanze, PVC und Polystyrol, wie es beispielsweise bei Kunststofffenstern verwendet wird. Beim Kontakt mit diesen Oberflächen luden sich die Tropfen auf und trafen anschließend auf die Teflonbeschichtung.

Nach 3000 Tropfen waren unter dem Mikroskop deutliche Veränderungen an der Beschichtung und am darunterliegenden Metall sichtbar. Die Forschenden führen die Schäden auf lokale elektrische Entladungen zurück. „Die Ladung, die ein Tropfen beim Rutschen aufnimmt, hängt stark von der jeweiligen Oberfläche ab“, erklärt Zhongyuan Ni, Erstautor der Studie. Das Team habe Unterschiede um einen Faktor von bis zu zehn gemessen. Unabhängig von der verwendeten Oberfläche konnten die Forschenden in allen Versuchsreihen Veränderungen an der Beschichtung nachweisen.

Ansatz für langlebigere Beschichtungen

Die Ergebnisse erweitern das bisherige Verständnis davon, wie Wasser Beschichtungen schädigen kann. Neben mechanischer Abnutzung und chemischen Reaktionen könnte auch die elektrische Aufladung von Tropfen zur Alterung von Schutzschichten beitragen.

Die Forschenden hoffen, dass sich aus diesen Erkenntnissen neue Beschichtungen entwickeln lassen, die gegenüber solchen elektrischen Entladungen widerstandsfähiger sind. Davon könnten unter anderem Fahrzeuge, Schiffe, Bauwerke und Kulturgüter profitieren. Auch der Schutz alltäglicher Oberflächen wie eines Gartenzauns ließe sich dadurch möglicherweise verlängern.