Wenn Rost vom Baum fällt

Schutzanstriche auf metallischen Substraten unterliegen bei atmosphärischer Exposition kontinuierlicher Degradation durch wässrige Medien. Während physikochemische Schädigungsmechanismen bislang primär auf mechanische Abrasionsprozesse durch Scherkräfte sowie auf chemische Solvolyse- und Korrosionsreaktionen durch pH-Fluktuationen oder Elektrolytgehalte zurückgeführt wurden, identifizierte ein internationales Konsortium um Prof. Hans-Jürgen Butt vom Max-Planck-Institut für Polymerforschung einen weiteren Schädigungspfad: die triboelektrische Aufladung flüssiger Phasen.

Neben den etablierten Belastungsfaktoren – der mechanischen Fließreibung an der Grenzfläche sowie chemisch induzierten Zersetzungsprozessen – zeigt die Arbeitsgruppe in Kooperation mit der Universität Bonn, der South China University of Technology, dem MIT und der Johannes-Gutenberg-Universität Mainz, dass elektrostatische Entladungsvorgänge beim Tropfenimpakt die Materialintegrität maßgeblich beeinträchtigen.

„Wir haben vor einigen Jahren die Physik dahinter erforscht, wie sich Wassertropfen aufladen, wenn sie über Oberflächen rutschen. Dies ist eine Art ‚Reibungselektrizität‘ bei Tropfen und physikalisch viel komplexer als angenommen“, sagt Dr. Rüdiger Berger. „Treffen solche geladenen Tropfen auf eine Beschichtung, entladen sie sich lokal und können die Schicht punktuell durchschlagen wie ein kleiner Blitz – mit Folgen für ihre Haltbarkeit.“

Experimenteller Nachweis dielektrischer Durchschläge

Zur Qualifizierung des triboelektrischen Schädigungsmechanismus untersuchten die Forschenden den Impakt wässriger Tropfen auf einheitlich mit Polytetrafluorethylen (PTFE) beschichtete Modellsubstrate. Bei ungeladenen Referenztropfen zeigten hochauflösende mikroskopische Analysen selbst nach 3.000 kontinuierlichen Tropfenaufprallen keine morphologischen Defekte der Polymermatrix.

In einer zweiten Versuchsreihe wurden die Tropfen vor dem Impakt über definierte Festkörperoberflächen – darunter pflanzliche Kutikulae, Polyvinylchlorid (PVC) und Polystyrol (PS) – abgeleitet, um durch Contact-Electrification eine Ladungstrennung zu induzieren. Bei anschließendem Auftreffen der geladenen Tropfen auf das PTFE-System zeigten sich nach 3.000 Zyklen signifikante Mikrostrukturschäden innerhalb der Schutzschicht sowie Anzeichen beginnender Substratdegradation am zugrundeliegenden Metall. „Die Ladung, die ein Tropfen beim Rutschen aufnimmt, hängt stark von der jeweiligen Oberfläche ab – wir haben Unterschiede von bis zu einen Faktor zehn gemessen“, erklärt Dr. Zhongyuan Ni. „Unabhängig davon konnten wir in allen Versuchen Veränderungen an der Beschichtung nachweisen.“

Implikationen für das Materialdesign langlebiger Schutzschichten

Die Aufklärung dieser elektrostatischen Durchschlagsmechanismen auf Mikrobereichsebene erweitert das mechanistische Verständnis der witterungsbedingten Polymerdegradation. Die Erkenntnisse liefern funktionelle Parameter für die Formulierung neuartiger, ladungsdissipativer Beschichtungssysteme zur nachhaltigen Konservierung von Industrie- und Kulturgütern.

Quelle

Max-Planck-Institut für Polymerforschung (09/2026)