Protective Particle Coatings applied by Cold Plasma Spraying

by Lena Wallenhorst
Doctoral thesis
Date of Examination:2017-12-18
Date of issue:2018-03-07
Advisor:Prof. Dr. Gisela Ohms
Referee:Prof. Dr. Gisela Ohms
Referee:Prof. Dr. Wolfgang Viöl
Referee:Prof. Dr. Holger Militz
Persistent Address: http://dx.doi.org/10.53846/goediss-6758

 

 

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Abstract

English

In this thesis, two different types of particle coatings deposited by cold plasma spraying on wood and glass substrates were investigated in an attempt to achieve protection of wood or other surfaces, particularly in outdoor applications. The first type involved coatings comprised of zinc and zinc oxide that were deposited from elemental zinc. Zinc oxide features several properties favourable to wood protection, such as absorption of ultraviolet light. Indeed, UV-blocking properties of semi-transparent coatings on acrylic glass were confirmed and UV-induced discolouration of wood could be distinctly reduced by coatings with increased particle concentration. Coating systems comprising a Zn/ZnO particle coating and a polyurethane (PUR) top coat were found to decrease photodiscolouration without damage to the PUR matrix by photocatalytic decomposition. The second type of coating involved the deposition of a powder made of poly(methyl methacrylate) (PMMA), reinforced with aluminium trihydrate (ATH or Al(OH)3) filler particles. This powder constitutes an industrial waste of a bulk material that has properties usable in wood protection; hence, its deposition was studied in order to explore a method of recycling the powder to make use of the material’s protective potential. The deposition of pure PMMA/ATH powder yielded coatings with insufficient abrasion resistance, but their characterisation confirmed a certain potential to bond well, particularly to polar matrix materials. Particle fixation was achieved by the addition of a phenol-formaldehyde (PF) powder to the PMMA/ATH raw material. Studies on the coating’s morphology and chemical composition suggest a film formation of the reacted PF which encased the PMMA/ATH particles and the generation of covalent bonds between the layer and the substrates as adhesion mechanisms.
Keywords: Plasma Coatings; Wood Protection; Zinc Oxide; PMMA/ATH; Recycling; Adhesion; Surface Characterisation

German

Diese Arbeit stellt Studien zur Abscheidung und Analyse zweier unterschiedlicher Partikelschichten vor, die mittels Kaltplasmasprühen auf Holz- und Glassubstrate aufgebracht wurden. Primäres Ziel war dabei der Schutz von Holz und anderen Materialien vor Schädigungen bei Anwendung im Außenbereich. Auf diese Weise wurden zunächst Schichten bestehend aus Zink und Zinkoxid abgeschieden, da Zinkoxid über diverse Eigenschaften wie beispielsweise die Absorption von ultraviolettem Licht verfügt, welche nützlich im Bereich des Holzschutzes sind. Tatsächlich ließ sich für semitransparente Schichten auf Acrylglas eine reduzierte Transmission im UV-Bereich nachweisen. Weiterhin waren Schichten mit erhöhter Partikelkonzentration in der Lage, die durch UV-Licht induzierte Verfärbung von Holz zu mindern. Ebenso konnten Schichtsysteme auf Basis einer entsprechenden Partikelschicht und einer Polyurethanversiegelung (PUR) die Verfärbungen durch UV-Licht stark reduzieren, ohne dabei die PUR-Matrix durch photokatalytischen Abbau zu schädigen. Als zweites Ausgangsmaterial wurde ein Pulver aus Polymethylmethacrylat (PMMA) genutzt, das mit Aluminiumtrihydrat (ATH oder Al(OH)3) angereichert war. Dieses Pulver fällt als industrieller Abfall bei der Bearbeitung eines Vollmaterials an, welches auf Grund seiner Eigenschaften auf vielfältige Weise Verwendung im Bereich des Holzschutzes finden könnte. Daher wurde dieses Pulver sowohl auf Holz- als auch auf Glasoberflächen appliziert, um Recyclingoptionen unter Berücksichtigung der protektiven Eigenschaften zu untersuchen. Diese Studien ergaben, dass die Abscheidung von reinem PMMA/ATH Pulver zu Schichten mit unzureichender Abriebfestigkeit führt. Allerdings konnte durch deren Charakterisierung eine prinzipielle Eignung zum Anbinden des Schichtmaterials an polare Matrixmaterialien nachgewiesen werden. Eine mechanische Stabilisierung ließ sich durch Beimischung eines Phenol-Formaldehydpulvers zum PMMA/ATH Rohmaterial erreichen. Studien über die morphologischen und chemischen Eigenschaften solcher Schichten deuten auf eine Umhüllung der PMMA/ATH-Partikel mit reagiertem PF sowie auf die Erzeugung kovalenter Bindungen zwischen der Schicht und den Substraten hin.
 
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