Adhesion, oxide stability and passivation processes on stainless steel bands

Abstract

Wenn hochglanz-polierte Edelstahlbänder als Substrat für Polymerbeschichtungenverwendet werden, sind Adhäsionseigenschaften von zentraler Bedeutung. Im Detail geht es darum, Adhäsion quantifizieren und vergleichen zu können, um eine optimale Oberflächenbehandlung zu finden. Diese Arbeit verwendet SFA als analytisches Instrument, um adhäsive Drücke zwischen Modellproben von verschieden oxidierten Stahlbändern und SEBS-block-co-Polymer zu messen. Diese Messungen zeigen, dass sowohl eine thermische Oxidation, als auch ein Oxidation durch Plasmabehandlung die Ablöseeigenschaften verbessern, wobei die thermische Oxidation den größeren Einfluss hat. Komplementäre XPS-Messungen legen nahe, dass der Hauptgrund in der verringerten Materialdichte des Oxids an der Oberfläche und den deren Einfluss auf die Van-der-Waals Kräfte liegt, zeigen aber auch eine Korrelation mit der Hydroxy-Funktionalisierung der Oberfläche auf, was auf den Einfluss von H-Brücken schließen lässt. Oberflächenoxidation ist daher eine zielführende Methode, um die Ablöseeigenschaften im Stahl-Polymer System zu verbessern, wobei thermische Oxidation vor allem dann zu bevorzugen ist, wenn die Polymerstruktur über gute H-Brücken Akzeptoren verfügt.Weiters treten auch bei hochglanzpolierten Edelstahlbändern bisweilen teure Korrosionsschäden auf. Um diese Angriffe im Detail zu verstehen, sind wir gefordert unsere analytischen Methoden ständig anzupassen und weiterzuentwickeln. Hier wurde eine etablierte Kopplung aus Elektrochemischer Durchflusszelle und ICP-MS neu adaptiert, um ein in-situ zerkratzen der Oxidschicht zu erlauben, und damit eine Messung der Repassivierung in Echtzeit. Erste Experimente bei OCP über verschieden Probenzusammensetzungen zeigen, unmittelbar nach Kratzen, einen exponentiellen Rückgang der präferenziellen Auflösung von Eisen, wenn die Probe repassiviert. Halbwertszeiten aus diesen exponentiellen Abnahmefunktionen könnten eine Möglichkeit bieten die Repassivierungsgeschwindigkeiten verschiedener Proben zu quantifizieren und zu vergleichen. Wenn diese Kratz-Experimente optimiert sind, versprechen sie interessante Rückschlüsse auf die Kinetik von Stahl- Repassivation in einem weiFeld kontten rollierbarer Parameter, wie Elektrolyt Komposition und Konzentration, sowie pH-Wert und angelegtem elektrischen Potential.

When highly polished stainless steel bands are used as a substrate for polymer films the adhesive properties of the steel are a central point of interest. Specifically it is desirable to be able to quantify the adhesion, establish comparability and enable the selection of an optimal surface treatment. In this thesis the SFA was used as the main analytical instrument to quantify adhesive pressures of differently oxidized steel bands in a model system with SEBS as the polymer. It was found that both thermal oxidation and plasma treatment of the steels are beneficial for release properties, with thermal oxidation having the bigger impact. ComplementaryXPS results suggest the change in material density at the surface and its impact on van der Waals forces as the main reason, but also reveal a correlation of adhesive pressure with hydroxy-functionalization of the steel surface suggesting involvement of hydrogen bonding. Surface oxidation is therefore a sensible way to reduce adhesion in a steel-polymer system with thermal treatment being preferred – due to the lower percentage of hydroxy-functionalization – especially if the polymer structure includes strong hydrogen bond acceptors.Additionally, even highly polished stainless steel bands are subject to occasional but highly costly corrosion damage. To understand these attacks we are incentivised to constantly adapt and expand our analytical tool set. Here, a preexistingelectrochemical flow cell with ICP-MS coupling was redesigned and adapted toallow for in-situ scratching of steel samples, detecting a repassivation response in real time. Initial experiments performed at open circuit potential across a selection of sample compositions suggest an immediate exponential decay that follows a spike in the dissolution of the preferentially dissolved iron as the sample repassivates after the scratch. Half-life times determined from these scratches may give away to quantitatively compare repassivation speed of different samples. Scratching experiments, once optimized, may give valuable insight into the kinetics of steel repassivation in a wide field of variable parameters such as electrolyte composition,concentration, pH, and electric potential.