Exploring atomic interaction mechanisms, structural properties and water transport of expoxy-based polymer coatings with molecular dynamics simulations

Abstract

Kunststoffbeschichtungen sind ein weit verbreiteter Ansatz, zur Bekämpfung und Abschwächung der schädlichen und kostspieligen Auswirkungen von Korrosion. Sie schränken die Exposition von Metallen gegenüber aggressiven Umwelteinflüssen erheblich ein. Diese Beschichtungen bringen eine Vielzahl von positiven Eigenschaften mit sich, welche von besserer Hitzebeständigkeit und chemischer Beständigkeit bis hin zu erhöhter Kratzbeständigkeit und ausgezeichneter Adhäsion reichen. In dieser Arbeit wird ein Ansatz zur Simulation von Kunststoffbeschichtungen auf Epoxidharzbasis mit Hilfe von Molekulardynamiksimulation vorgestellt.Untersucht werden die molekularen Wechselwirkungen dieser Beschichtungen, die Beziehung zwischen den molekularen Wechselwirkungen und die Mikrostruktur der Beschichtung, sowie Transportprozesse, insbesondere die Diffusion von Wasser durch die Kunststoffbeschichtung. Durch die Veränderung der Kettenlänge von polyfluorierten Alkylverbindungen und dem Einsatz von Silane mit oder ohne Aminogruppen wird die Wirkung verschiedener funktioneller Gruppen auf diese Wechselwirkungen bestimmt. Diese polyfluorierten Alkylverbindungen verringern die Diffusion von Wasser, indem sie die Wassermoleküle behindern. Außerdem wird eine Anhäufung von Wasser in sauerstoffreichen Regionen beobachtet. Wasserstoffbrückenbindungen zwischen Wasser und der Epoxidharzbeschichtung deuten darauf hin, dass Wasser in die Beschichtung eingebaut wird, wodurch sich die strukturelle Integrität des Kunststoffes ändert und gleichzeitig die Diffusion verzögert wird. Der Diffusionskoeffizient wird durch Simulation im Equilibrium quantifiziert. Anzahldichteprofile der Beschichtungen zeigen hydrophile Gruppen in der Nähe der Eisenoxidoberfläche, was auf eine gute Adhäsion hinweist. Diese Ergebnisse ermöglichen eine Einschätzung der Struktureigenschaften und der Transporteigenschaften dieser Beschichtungen unter besonderer Berücksichtigung von Silane und polyfluorierten Alkylverbindungen undgeben Aufschluss über die Mikrostruktur und die Wechselwirkungen auf molekularer Ebene.

Polymer coatings are a widely used approach to combat and mitigate the damaging and costly effects caused by corrosion. They significantly limit the exposure ofmetals to aggressive environmental influences. Polymer coatings introduce a variety of different beneficial properties ranging from better heat and chemical resistance to an increase in scratch resistance and excellent adhesion. In this thesis, an approach to simulate epoxy-based polymer coatings with molecular dynamics simulations is demonstrated. The molecular interactions of these coatings in bulk and applied on iron oxide surfaces and the relationship between the molecular interactions and the microstructure of the coating, as well as transport processes, in particular the diffusion of water through the coating, are investigated. By changing the chain length of polyfluorinated carbon chains and employing silanes with or without amine groups,the effect of different functional groups on these interactions is determined. These polyfluorinated carbon chains reduce the diffusion of water by obstructing the watermolecules. Furthermore, an accumulation of water in oxygen-rich regions is observed.Hydrogen bonds between water and the coating suggest that the water is incorporated into the coating, changing the structural integrity of the polymer and simultaneously delaying the diffusion. The diffusion coefficient is quantified by equilibrium bulk simulations. Number density profiles of the coatings show hydrophilic groups in the proximity of the iron oxide surface, indicating good adhesion. These findings provide an assessment of structure properties and the water transport inpolymer coatings, specifically considering silanes and polyfluorinated carbon chains and elucidate the microstructure and interactions on a molecular level.