Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWSModerne Lacksysteme erfüllen vielfältige Funktionen, die weit über den Korrosionsschutz hinausgehen. So definiert sich die Wertanmutung diverser Objekte des täglichen Gebrauchs, etwa von Kraftfahrzeugen, Haushaltsgegenständen oder Unterhaltungselektronik, meist ganz maßgeblich über die optische Erscheinung seiner sichtbaren Oberflächen. Der Wunsch nach einer sehr hochwertigen optischen Erscheinung ist ursächlich für den Siegeszug von Effektpigmenten.
Werden diese Effektpigmente in komplexe Polymerlackschichten eingebettet, so können vielfältige Hochglanz- oder Sparkle-Effekte erzielt werden. Neben optischen Charakteristika der Effektpigmente rücken zunehmend auch funktionale Eigenschaften, wie z. B. elektrische Leitfähigkeit, Reflexionsvermögen im Infrarot-Bereich, Lasermarkierbarkeit oder Wetterbeständigkeit in den Fokus der Entwicklung. Im Geschäftsfeld »Optische Materialien und Technologien« werden mit Verfahren der Nanostrukturdiagnostik seit mehr als 20 Jahren Effektpigmente entwicklungs- und produktionsbegleitend untersucht.
Beim Design von Effektpigmenten werden auf ein Substratpartikel Interferenzschichtsysteme aufgebracht, deren Zusammensetzung und Teilschichtdicken die optische Erscheinung maßgeblich definieren. Diese plättchenförmigen Partikel haben typischerweise Durchmesser im Bereich einiger Mikrometer, sind wenige 100 nm dick und mit Schichtsystemen aus Einzelschichten von einigen wenigen Nanometern umhüllt.
Bei der Entwicklung und Produktionsbegleitung derartiger Materialien stellen sich oftmals folgende Fragen:
- Wie können derartig kleine Objekte, ohne Veränderung ihres Ausgangszustandes und Einbringen neuer Artefakte, präpariert und anschließend im Querschnitt untersucht werden?
- Welche Oberflächen- und Grenzflächenrauheit besitzen die Pigmente
- Wie sind die Elemente in den Effektpigmenten verteilt?
- Sind die Einzelschichten kristallin oder amorph und welche Schichtdicken sowie Homogenität besitzen sie?
- Welche Korngrößen liegen vor?
- Gibt es Wechselwirkungen zwischen den Schichten? Wie gut haften die Schichten aufeinander?
- Wie sind die Effektpigmentpartikel in der Basislackschicht verteilt und welche Orientierung besitzen sie?
- Welchen Einfluss haben mikrostrukturelle Kenngrößen auf die makroskopische optische Erscheinung des Lacksystems?
Neben oberflächenanalytischen Techniken (wie Flugzeit-Sekundärionenmassenspektrometrie) liefern elektronenmikroskopische Untersuchungsmethoden die gewünschten Informationen.
Die dafür notwendigen Querschnitte werden häufig mit Hilfe temperaturkontrollierter ionen- und laserstrahlbasierter Schneidverfahren hergestellt. Neben Einzelpigmenten können so auch gesamte Lacksysteme schädigungsfrei präpariert werden.
Die Rasterelektronenmikroskopie (REM) an mittels fokussierten Ionenstrahlen (FIB) erzeugten Querschnitten ist sehr gut geeignet, um die Einbettung, Lage und Orientierung der Pigmente im Lacksystem abzubilden. Vorhandene Defekte wie z. B. Blasen, Löcher oder Stippen können so sehr gut detektiert werden. Um tiefergehende Einblicke in die Nanostruktur der Pigmente zu erhalten, kommt häufig die Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) zum Einsatz. Diese ermöglicht eine Untersuchung der Strukturmorphologie, Schichthaftung, Grenzflächenbeschaffenheit oder Defektstruktur. Oftmals kommen Schichten mit Dicken < 10 nm zum Einsatz, deren Analyse nur noch mit hochauflösenden TEM-Methoden möglich ist. Nutzt man im Transmissionselektronenmikroskop einen fein fokussierten Strahl (STEM, Strahldurchmesser typischerweise 1 nm), so können auch feinste Details der Elementverteilung aufgedeckt werden.
Das Fraunhofer IMWS verfügt über eine exzellente apparative Mikrostrukturdiagnostik-Ausstattung sowie über jahrzehntelanges Know-how bei der Charakterisierung von verschiedensten Effektpigmenten. Vor diesem Hintergrund bieten wir F&E-Dienstleistungen für die zeitnahe Auftragsanalytik an Lacksystemen und Einzelpigmenten an.