Dr. Klaus Seppeler Stiftungspreis
für Herrn Jannik Löseke

Zum 20. Mal wurde auf der Mitgliederversammlung am 5. November 2024 der Stiftungspreis verliehen. Herr Jannik Löseke wurde für seine Bachelorarbeit mit dem Titel «Correlation of adhesion and composition of mixed monolayers at adhesive/metal interfaces» geehrt. In seiner Arbeit lag der Schwerpunkt auf der Entwicklung und Charakterisierung gemischter funktionalisierter und nicht-funktionalisierter, mehr oder weniger geordneten Monolagen. Die grundlegende Idee war es, sowohl die Haftung als auch den Korrosionsschutz an Klebstoff-Metall-Grenzflächen zu verbessern. Als Testsubstrat wurde die Aluminiumlegierung AA2024 gewählt, da sie aufgrund ihres vorteilhaften Festigkeit-zu-Gewicht-Verhältnisses häufig in industriellen Anwendungen eingesetzt wird.

Gemischte nicht-funktionalisierte und amino-funktionalisierte Phosphonsäure-Monolagen mit verschiedenen Zusammensetzungen wurden durch Selbstorganisation aus Ethanol-Lösung auf flach geschliffenen, polierten und geätzten Aluminiumlegierungen gebildet. Dodecylphosphon-säure (DDPA) wurde als nicht-funktionalisierter Präkursor und 12-Amino-Dodecylphosphonsäure (ADDPA) als funktionalisierter Monolagen-Präkursor verwendet. Die Aminofunktionalisierung ermöglichte die Ausbildung kovalenter Bindungen zu einem aminvernetzten Modell-Epoxidharzes, wodurch das Epoxidharz auf der Oberfläche verankert wurde.

Zur Charakterisierung der erzeugten Monolagen wurden Röntgen-Photoelektronen-Spektrosko-pie (XPS) und Polarisations-modulations-Infrarot-Reflexions-Absorptionsspektroskopie (PM-IR-RAS) verwendet. Auf Basis der Stickstoff-zu-Phosphor-Verhältnisse wurden die Zusammensetzungen der erzeugten Monolagen für die untersuchten ADDPA-zu-DDPA-Lösungsverhältnisse abzuschätzen. Dabei wurde festgestellt, dass die Monolagen bevorzugt DDPA einbauen und somit die Oberflächenzusammensetzungen in Richtung kleinerer ADDPA-zu-DDPA-Verhältnisse verschoben sind. PM-IRRAS ermöglichte die Bestätigung der Bildung von mehr oder weniger geordneter Monolagen. Die Positionen der Peaks der symmetrischen CH2-Streckschwingung wurden als Indikator für die Kristallinität genutzt, aber es wurde kein konsistenter Trend mit variierenden Oberflächenkonzentrationen festgestellt.
Weiter wurden Wasseroberflächenwinkel sowie Oberflächenenergien, bestimmt nach dem OWRK-Modell, gemessen. Eine lineare Beziehung zwischen den polaren und dispersen Anteilen der Oberflächenenergie und dem ADDPA-Anteil auf der Oberfläche konnte festgestellt werden.

Diese validierte die durch XPS bestimmten Oberflächenzusammensetzungen. Zudem wurde ein abnehmender Wasseroberflächenwinkel mit zunehmendem ADDPA-Anteil festgestellt, was eindeutig die steigenden polaren Wechselwirkungen der Oberfläche aufzeigt.

Die Linear-Sweep-Voltammetrie (LSV) wurde verwendet, um Hemmung von elektrischen Vorgängen an der Oberfläche durch die Organophosphonsäure-Monolagen zu untersuchen. Basierend auf den gemessenen Austauschstromdichten zeigten reine DDPA-Monolage die stärkste Inhibition. Die Zunahme der Austauschstromdichten bei zunehmendem ADDPA-Anteil illustriert eindeutig die Verschlechterung der Inhibition. Der Vergleich zwischen mit ausschließlich mit ADDPA beschichteten und unbeschichteten AA2024 zeigt eine verbleibende Hemmung selbst bei reinen ADDPA-Monolagen auf.

Die Oberflächenhaftung des Modell-Epoxidharzes wurde durch Messung der Schälkraft nach Feuchteauslagerung bewertet. Wie erwartet zeigten die reine DDPA-Monolage und die aus einer 1:1 DDPA-zu-ADDPA-Lösung adsorbierte Monolage nur geringe Haftung, wobei der reine DDPA-Film nicht einmal die Messung der Schälkraft ermöglichte. Die verbleibenden Systeme zeigten eine starke Adhäsion. Eine Auslagerung von 5 Tagen bei 100 % relativer Luftfeuchtigkeit und 40 °C war notwending um von kohäsivem zu adhäsivem Versagen zu wechseln. Die Schälkrafte nach diesen 5 Tagen zeigten eindeutig eine zunehmende Haftung mit zunehmendem ADDPA-Anteil.

Zur Untersuchung der realen Korrosionsbeständigkeit der kombinierten Monolage-Epoxid-Systeme wurden Proben mit einem Lochdefekt in der Mitte vorbereitet und einer 3,5% NaCl-Lösung bei 40 °C ausgesetzt. Die Delamination und Korrosionsentwicklung bei mehreren Proben pro Monolagenzusammensetzung wurden eine Woche lang täglich verfolgt. Die reinen DDPA-Proben zeigten die schlechtesten Ergebnisse. Bei mehreren der Proben ablöste sich die Epoxidharzschicht ab und bei der verbleibenden Probe korrodierte die Probenoberfläche vollständig. Für die anderen Systeme wurden hohe Schwankungen innerhalb derselben Monolagenzusammensetzung festgestellt. Pro Zusammensetzung wies mindestens ein System keine Delamination auf. Generell konnte aber gefunden werden, dass ein erhöhter ADDPA-Anteil zu einer verringerten Delamination und korrodierten Probenfläche zu führen schien. Dies wurde auf die starke, kovalente Bindung zwischen der Monolage und der Epoxidbeschichtung zurückgeführt, welche offenbar wichtiger als die molekulare Korrosionshemmung der Monolage selbst ist.

Diese Ergebnisse wurden als initiale Grundlage des Papers „Adhesion promotion and corrosion resistance of mixed phosphonic acid monolayers on AA 2024“, welches im Journal „Applied Surface Science“ veröffentlicht wurde, genutzt.