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Wassertransport in hochvernetzten Beschichtungen: Austauschfähigkeit zwischen Porenvolumina als zentraler Mechanismus

Eine neue Simulationsstudie zeigt: Nicht der freie Volumenanteil, sondern die Austauschbarkeit von Wasser zwischen Porenclustern bestimmt maßgeblich die Wasseraufnahme und -diffusion in hochvernetzten Polymernetzwerken wie melaminvernetzenden Systemen.

Polymere Wasserbasiert
Ein Forschungsteam der Universität Xinjiang hat eine neue Strategie zur Verbesserung der Hochtemperatur-Korrosionsbeständigkeit silikonbasierter Beschichtungen entwickelt. Durch die kovalente Verknüpfung von nanoskaligem Titandioxid (TiO₂) mit Graphenoxid (GO) unter Verwendung von Thiol-En-Click-Chemie entsteht ein nanostrukturierter Hybrid-Füllstoff, der in eine methylphenylbasierte Silikonharzmatrix eingebracht wird. Die resultierende Verbundbeschichtung zeichnet sich durch eine verbesserte thermische Stabilität, erhöhte mechanische Belastbarkeit sowie eine ausgeprägte Selbstreinigungsfähigkeit aus – Eigenschaften, die insbesondere für den Einsatz in korrosiven Hochtemperaturumgebungen von Bedeutung sind, etwa in der chemischen Verfahrenstechnik oder in Kraftwerksanlagen. Nanohybridstruktur steigert thermische Stabilität und mechanische Integrität Die erfolgreiche kovalente Anbindung von TiO₂ an GO wurde durch verschiedene Analysemethoden (REM, TEM, FTIR und Röntgendiffraktometrie) bestätigt. Diese chemische Modifikation verbessert die Dispersion des Füllstoffs sowie dessen Grenzflächenwechselwirkungen mit dem Silikonharz, was zu einer verbesserten strukturellen Kohärenz des Gesamtsystems führt. Die mechanischen Eigenschaften der Beschichtung profitieren von der erhöhten Kompatibilität und gleichmäßigen Verteilung der Hybridpartikel. Dies ermöglicht eine effiziente Spannungsübertragung innerhalb der Matrix und reduziert das Risiko von Mikrorissen unter thermischer oder mechanischer Belastung. Effektive Barrierewirkung und Selbstreinigung bei geringem Füllstoffanteil Elektrochemische Messungen zeigen, dass das modifizierte GO-TiO₂ die Korrosionspfade verlängert und den Ionentransport effektiv hemmt. Bereits bei einem niedrigen Füllstoffanteil von 0,2 Gew.-% wird eine signifikante Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit erzielt. Darüber hinaus weist die Beschichtung selbstreinigende Eigenschaften auf, die auf die photokatalytische Aktivität von TiO₂ zurückzuführen sind. Dieser Effekt kann die Wartungsintervalle metallischer Oberflächen im Einsatz reduzieren – ein relevanter Faktor für Anwendungen im Außenbereich oder in industriellen Atmosphären. Die Studie unterstreicht das Potenzial der Thiol-En-Click-Chemie zur Entwicklung funktionalisierter Nanokomposite für Hochleistungsbeschichtungen. Die vorgestellte Methodik bietet einen vielversprechenden Ansatz zur gezielten Optimierung silikonbasierter Schutzsysteme.
Simulationen zeigen: Die Konnektivität von Wasserclustern in Polymernetzwerken steuert die Diffusion deutlich stärker als das reine freie Volumen. Quelle: AleksViking - stock.adobe.com

Das Verständnis des Wasserverhaltens in hochvernetzten Beschichtungen ist entscheidend für langlebige Außenanwendungen. Wasseraufnahme und -abgabe beeinflussen Quellung, Haftung, Korrosionsschutz sowie mechanische Eigenschaften. Eine aktuelle Studie untersucht die Diffusion von Wasser in engmaschigen Polymernetzwerken und kommt zu einem zentralen Ergebnis: Die Fähigkeit von Wassermolekülen, zwischen zusammenhängenden Porenvolumina zu wechseln, ist ein entscheidender Faktor.

Die Forschenden nutzten einen Multi-Skalen-Ansatz, der molekulardynamische Simulationen mit experimentellen Daten kombiniert. Dabei wurden Wasser-Polymer-Wechselwirkungen, Wassercluster-Geometrien sowie die Wanderbewegungen der Wassermoleküle in verschiedenen Netzwerken analysiert. Statt der bislang üblichen Annahme, dass freie Volumina oder Polarität dominieren, zeigt die Studie: Entscheidend ist die Konnektivität der Porenräume.

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Steuerung von Wasserverhalten durch molekulares Design

Die Ergebnisse zeigen, dass Wassercluster in Form, Größe und Kontinuität variieren und dass Wasser durch deren Vernetzung leichter transportiert wird. Die Dynamik der Wasserstoffbrückenbindungen zwischen Wasser und Netzwerkkomponenten spielt eine zentrale Rolle. Durch gezielte molekulare Gestaltung lassen sich Wasseraufnahme, -trapping und -desorption beeinflussen – ein Ansatz, der insbesondere für melaminvernetzende Systeme oder andere hochvernetzte Beschichtungen relevant ist.

Die Studie liefert damit neue Perspektiven für die Optimierung des Feuchteverhaltens in polymeren Schutzbeschichtungen – etwa zur Verbesserung der Beständigkeit unter Außenbewitterung oder zur Erhöhung der Barrierewirkung.

Quelle: Mousavifard, S. M., Mohseni, M., Yahyaei, H. & Makki, H., Water exchangeability between pore volumes: a key mechanism governing water diffusion in highly cross-linked polymer coatings. Progress in Organic Coatings 207, 109405 (2025).