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Zinkmorphologie steigert Korrosionsschutz von Epoxidlacken
Ein internationales Forschungsteam am Hempel Foundation Coatings Science and Technology Center (CoaST) hat gezeigt, dass sich die Korrosionsschutzwirkung zinkreicher Epoxidbeschichtungen deutlich verbessern lässt, wenn Zinkpartikel mit veränderter Morphologie und kristallographischer Orientierung eingesetzt werden. Ein thermisch behandeltes Zink-Ruß-Gemisch verlängert die kathodische Schutzwirkung von 10 auf nahezu 70 Tage.
Zinkreiche Beschichtungen zählen zu den etabliertesten Systemen für den Korrosionsschutz von Stahl im Schwerkorrosionsbereich. Ihre Wirkung beruht auf einer initialen kathodischen Schutzphase durch elektrochemisch aktive Zinkpartikel, gefolgt von einer Barrierewirkung durch entstehende Zinkkorrosionsprodukte. Diese isolierenden Reaktionsprodukte unterbrechen jedoch häufig die elektrische Verbindung zwischen den Zinkpartikeln – ein Grossteil des enthaltenen Zinks bleibt so ungenutzt. Ein Forschungsteam um Amir Aminian, Hao Wu, Kim Dam-Johansen, Claus Erik Weinell und Jochen A.H. Dreyer hat nun einen Ansatz vorgestellt, der genau an diesem Punkt ansetzt.
Die Wissenschaftler:innen entwickelten einen einfachen Prozess, bei dem handelsübliches Zinkpulver mit Ruß (Carbon Black) vermischt und anschliessend unter Stickstoffatmosphäre bei 450 °C aufgeschmolzen sowie mit einer langsamen Abkühlrate von 2 °C/min rekristallisiert wird. Der beigemischte Ruß fungiert als physische Barriere und verhindert, dass die Zinkpartikel während des Prozesses zu übermässig grossen Partikeln verschmelzen – ein Vorteil gegenüber bisherigen Verdampfungs-Kondensations-Verfahren.
Höherer Anteil aktiver Kristallebenen
Die Charakterisierung mittels Rasterelektronenmikroskopie und Röntgendiffraktometrie zeigte, dass die behandelten Zinkpartikel eine ausgeprägte polygonale bzw. hexagonale Geometrie aufweisen und einen höheren Anteil elektrochemisch aktiver Kristallebenen exponieren. Insbesondere die (100)-, (101)-, (102)- und (110)-Ebenen mit hoher Oberflächenenergie waren stärker vertreten, während die stabilere (002)-Ebene reduziert wurde. Diese Ebenen begünstigen eine höhere galvanische Aktivität und eine effizientere Zinkauflösung.
Zwei Formulierungen mit identischem Zink- und Rußgehalt (79,86 Gew.-% Zink, 0,45 Gew.-% Ruß) wurden verglichen: ZRC-CB mit kommerziellem sphärischem Zink und T-ZRC-CB mit dem thermisch behandelten Zink-Ruß-Gemisch. Auf sandgestrahlten S235JR-Stahlplatten wurden Schichtdicken von 100 ± 10 µm appliziert.
Deutlich verlängerte kathodische Schutzwirkung
Die elektrochemischen Untersuchungen belegten eine signifikante Leistungssteigerung. Beim Standard-System ZRC-CB fiel das Open-Circuit-Potential erst nach zehn Tagen unter die kathodische Schutzgrenze von –0,8 V vs. SCE und stieg anschliessend rasch wieder darüber. Die T-ZRC-CB-Beschichtung hingegen erreichte dieses Potential bereits zu Beginn der Immersion und hielt es über nahezu 70 Tage aufrecht. Die Salzsprühnebelprüfung nach ISO 9227 über 30 Tage bestätigte die verbesserte Schutzwirkung: Der Rostkriechwert am Ritz halbierte sich von 2,6 ± 0,6 mm auf 1,3 ± 0,4 mm.
Auch die elektrochemische Impedanzspektroskopie zeigte, dass sich in der T-ZRC-CB-Beschichtung früher Korrosionsprodukte bilden, die Poren füllen und so die Barrierewirkung erhöhen – ohne die kathodische Schutzfunktion zu beeinträchtigen. Potentiodynamische Polarisationsmessungen bestätigten mit einem negativeren Korrosionspotential von –0,945 V vs. SCE die höhere elektrochemische Aktivität des behandelten Zinks.
Lesetipp: Lacksysteme
Heutige Lacksysteme müssen eine Vielzahl von Anforderungen erfüllen: vom stabilen Farbeffekt bis hin zum Korrosionsschutz. Ein umfassendes Verständnis, sowohl über die in einer Formulierung verwendeten Komponenten als auch über die Wechselwirkungen dieser untereinander, ist dazu unabdingbar. Auch der Produktionsprozess, das Beschichtungsverfahren und die Bedingungen bei der Filmbildung bestimmen das Eigenschaftsprofil der Beschichtung. In dem Buch „“Leistungsstarke Lacke formulieren„“ werden Lackchemikern oder Formulierungsspezialisten Prinzipien an die Hand gegeben, wie die Eigenschaften einer Beschichtung gezielt beeinflusst werden können. Ebenso soll dieses Wissen dazu dienen, Fehler zu vermeiden oder diese schnell zu korrigieren.
Perspektiven für die Formulierung von Korrosionsschutzlacken
Die Ergebnisse zeigen, dass nicht nur der Zinkgehalt und die Zugabe leitfähiger Additive wie Ruß, sondern auch die gezielte Steuerung von Morphologie und kristallographischer Orientierung der Zinkpigmente einen entscheidenden Einfluss auf die Leistungsfähigkeit zinkreicher Beschichtungen hat. Die polygonalen Partikel schaffen mehrere Kontaktpunkte im Film und ermöglichen so eine bessere elektrische Vernetzung als sphärische Partikel, deren Einzelkontakte durch isolierende Korrosionsprodukte leicht unterbrochen werden.
Für Formulier:innen von Korrosionsschutzsystemen eröffnet der vorgestellte Ansatz eine Möglichkeit, die Effizienz des eingesetzten Zinks deutlich zu steigern – ein wirtschaftlich wie ökologisch relevanter Aspekt vor dem Hintergrund knapper Rohstoffe. Die Autor:innen sehen weiteres Potenzial in der Kombination mit anderen leitfähigen Additiven sowie in der Übertragung des Prinzips auf andere metallpigmentierte Systeme.
Quelle: Aminian, A. et al. Effect of zinc particle morphology on the corrosion protection performance of zinc-rich epoxy coatings. Prog. Org. Coat. 110194 (2026). https://doi.org/10.1016/j.porgcoat.2026.110194.
