Fouling-Reduzierung durch DLC-Schichten

Unter dem Begriff Fouling werden Ablagerungen und Verschmutzungen, wie sie durch Kristallisation, Korrosion oder chemische und biologische Reaktionen entstehen zusammengefasst. Fouling verursacht in Deutschland wirtschaftliche Schäden im Bereich von mehreren Milliarden Euro pro Jahr.

Anwendungen sind u. a. Oberflächen von Ventilen oder Wärmeübertragern in der chemischen, pharmazeutischen und Lebensmittelindustrie. Ablagerungen an Wärmetauscher-Oberflächen führen zu einem deutlichen Anstieg des Wärmewiderstands und verringern die Leistung des Wärmeübertragers. Beschichtungen aus der Klasse der »Diamantähnlichen Kohlenstoffschichten (DLC)« können so modifiziert werden, dass die Fouling-Neigung an den beschichteten Oberflächen deutlich abnimmt oder sogar ganz vermieden werden kann.

Schichteigenschaften und -herstellung

Diese DLC-Schichten, spezielle wasserstoffhaltige amorphe Kohlenstoffschichten (a-C:H) können durch den Einbau geeigneter Elemente wie Silizium, Sauerstoff oder Fluor so modifiziert werden, dass ihre Oberflächenenergie sinkt und ihre Antihaftwirkung zunimmt, dabei aber ihre hohe Härte und Verschleißbeständigkeit nur wenig reduziert wird. Damit unterscheiden sich diese Beschichtungen deutlich von PTFE (Teflon®), das zwar sehr niedrige Oberflächenenergien aufweist, aber sehr weich und für viele Anwendungen nicht ausreichend verschleißfest ist. Die Abscheidung der meist nur 3 – 5 µm dünnen modifizierten DLC-Schichten erfolgt mittels PACVD-Verfahren (Plasma-assisted Chemical Vapor Deposition). Die am Fraunhofer IST entwickelten SICAN- (a-C:H:Si) und SICON®- (a-C:H:Si:O) Schichten wurden am Institut für Chemische und Thermische Verfahrenstechnik (ICTV) der Technischen Universität Braunschweig hinsichtlich ihrer Antifouling-Eigenschaften getestet.

Als Modellsubstanz wurde bei einigen Tests Calciumsulfat (CaSO4) in wässriger Lösung verwendet. Die Bewertung des Fouling-Prozesses erfolgte durch Vergleich der Induktionszeit, d. h. der Zeit, nach der durch die Ablagerung ein zusätzlicher Wärmewiderstand (Fouling-Widerstand) entsteht. Mit modifizierten DLC-Schichten ist es möglich, die Induktionszeit im Vergleich zu unbeschichtetem Edelstahl deutlich zu verlängern. Dieser Effekt ist besonders ausgeprägt, wenn das CaSO4 enthaltende Wasser strömt. Während sich z. B. auf einer unbeschichteten Stahloberfläche ein dicker Belag bildet, bleiben die beschichteten Oberflächen auch nach mehreren 100 Stunden nahezu unverändert.

Anwendungsfelder

Ähnliche Effekte DLC-beschichteter Oberflächen wurden auch in anderen Anwendungen erzielt, z. B. bei der Milchverarbeitung im Lebensmittelbereich (Molke-Protein-Ablagerungen) oder bei Ruß-Ablagerungen aus Abgasen. Besonders erfolgsversprechend sind Kombinationsbehandlungen von Oberflächen wie z. B. die Beschichtung elektropolierter Edelstahloberflächen.

Vorteile der Antifouling-Beschichtung

  • Steigerung der Induktionszeiten um den Faktor > 10 und Verlängerung der Betriebsdauer
  • Reduzierung des Wartungs- und Reinigungsaufwands
  • Hohe mechanische und chemische Beständigkeit
  • Verminderte Haftkräfte (easy-to-clean)

Zukünftige Schichtentwicklungen für Antifouling-Anwendungen werden sich u. a. auf die Erschließung neuer Anwendungsfelder wie z. B. dem Schutz von Sensoren vor Funktionsbeeinträchtigungen durch Ablagerungen sowie auf die Beschichtung verfahrenstechnischer Komponenten wie Wärmetauschern, Rohren oder Ventilen konzentrieren. Auch werden Beschichtungen für Anwendungen entwickelt, für die DLC-Schichten meist weniger geeignet sind, wie z. B. für höhere Einsatz-Temperaturen (> 300 °C). Für diese Applikationsbereiche sind alternative Schichtmaterialien, z. B. auf der Basis von Übergangsmetall-Nitriden wie Chromnitrid (CrN) vielversprechende Lösungsansätze.

Unser Angebot

  • Beschichtungen mit modifizierten amorphen Kohlenstoffschichten für kundenspezifische Applikationen (Prototypen und Kleinserien)
  • Entwicklung von Konzepten für die Optimierung verfahrenstechnischer Komponenten und Oberflächen wie z. B. Wärmetauscher-Oberflächen (in Kooperation mit dem ICTV der TU Braunschweig)
  • Prozessentwicklung und Beratung bei der Schichtauswahl