Interfacial processes in adhesively bonded joints under corrosive load

Abstract

Das Kleben hat sich in der Automobilindustrie aufgrund der zunehmenden Bedeutung des Leichtbaus und der Verwendung von Multimaterialkonstruktionen zu einer anerkannten Verbindungsmethode entwickelt. Die Wasseraufnahme kann jedoch elektrochemische Reaktionen an der Klebstoff-Metall-Grenzfläche verursachen, die zu einer Verschlechterung oder sogar zum Versagen der Klebverbindung führen können. In dieser Dissertation werden mehrere Modellformulierungen (MF) untersucht, um einen handelsüblichen Klebstoff sowie eine kommerzielle Formulierung (CF) zu simulieren, deren genaue Zusammensetzung unbekannt ist. In dieser Arbeit wird daher ein umfassender Ansatz verfolgt, bei dem sowohl elektrochemische Techniken als auch Korrosionstests eingesetzt werden, um die Wasseraufnahme und Delaminierung der Grenzfläche von verzinkten Stahl/Epoxid-Klebstoffsystemen in NaCl-Lösungen zu untersuchen. Mit Hilfe der elektrochemischen Impedanzspektroskopie (EIS) wurde die Wasserabsorption über eine lineare Beziehung zwischen der Dielektrizitätskonstante der nassen Beschichtung und der Dielektrizitätskonstante der trockenen Beschichtung bestimmt und es konnten Unterschiede zwischen verschiedenen Klebstoffen ermittelt werden. Die Beimischung verschiedener Konzentrationen gängiger Additive zu einer Modellformulierung ermöglichte es, dass deutlich unterschiedliche Wasseraufnahmeverhalten der beiden Klebstoffe zu verstehen. Zusätzliche Messungen mit der Scanning-Kelvin-Sonde (SKP) ermöglichten die Beobachtung des bevorzugten Delaminierungsprozess verschiedener epoxidbeschichteter verzinkter Stahloberflächen. Die Ergebnisse zeigten, dass reine Zinkbeschichtungen hauptsächlich kathodisch delaminieren, während eine bestimmte Konzentration von Magnesium in der Zinkbeschichtung zu anodischer Delaminierung führt. Darüber hinaus wurden pH-Elektroden aus Metalloxid (MOx) aus Niob hergestellt, um zu prüfen, ob diese Elektroden für die Untersuchung der Klebstoff/Metall-Grenzfläche geeignet sind. Es wurde festgestellt, dass die elektrochemische Herstellungsmethode pH-Elektroden mit der höchsten Reproduzierbarkeit und der höchsten Empfindlichkeit von -41 mV/pH hervorbringt. Darüber hinaus wurde die Elektrodenperformanz durch OCP-Messungen und Langzeitstabilitätsmessungen bestimmt. Zur Charakterisierung der Oxidschicht wurden Rasterelektronenmikroskopie (SEM), energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX) und EIS eingesetzt. Es wurde festgestellt, dass Nioboxid (NbOx) pH-Elektroden eine sehr gute Stabilität in korrosiven Umgebungen aufweisen und daher eine kostengünstigere Alternative zu anderen MOx Elektroden darstellen können.

Adhesive bonding has become an accepted joining method in the automotive industry due to the increasing importance of lightweight construction and the use of multi-material design. However, water absorption can cause electrochemical reactions at the adhesive-metal interface, which can lead to degradation or even failure of the adhesive bond. In this study, several model formulations (MF) are investigated to simulate a commercially available adhesive as well as a commercial formulation (CF) whose exact composition is unknown. This thesis therefore addresses a comprehensive approach using electrochemical techniques as well as corrosion tests to investigate the water absorption and delamination of the interface of galvanized steel/epoxy adhesive systems in NaCl solutions. Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) was used to determine water absorption via a linear relationship between the dielectric constant of the wet coating and the dielectric constant of the dry coating and allowed to determine differences between several adhesives. Admixing different concentrations of commonly used additives to a model formulation allowed to understand the significant different water uptake behaviour of both adhesives. Additional scanning Kelvin probe (SKP) measurements allowed to observe the favoured delamination process of different epoxy-coated galvanized steel surfaces. Results showed that pure zinc coatings mainly delaminated cathodically, whereas a certain concentration of magnesium in the zinc coating leads to anodic delamination. In addition, metal oxide (MOx) pH electrodes were fabricated from niobium to test whether these electrodes are suitable for studying the adhesive/metal interface. The electrochemical fabrication method was found to produce pH electrodes with the highest reproducibility and the highest sensitivity of -41 mV/pH. In addition, their pH sensing and electrode performance properties were determined by open circuit potential (OCP) and long-term stability measurements. Scanning electron microscopy (SEM), energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX) and EIS were used to characterize the oxide layer. It was found that niobium oxide (NbOx) pH electrodes have very good stability in corrosive environments and therefore could be a more affordable alternative to other MOx electrodes.