fouling-reduzierung durch dlc-schichten - Fraunhofer

F R A U N H O F E R - I N S T I T U T F ü r S c hi c ht- un d O b erf l ä c hente c hni k I S T
1
1 Industrielle PACVD-Beschichtungsanlage
am Fraunhofer IST.
FOULING-REDUZIERUNG
DURCH DLC-SCHICHTEN
Unter dem Begriff Fouling werden Abla-
Schichteigenschaften und -herstellung
gerungen und Verschmutzungen, wie sie
durch Kristallisation, Korrosion oder chemi-
Diese DLC-Schichten, spezielle wasserstoff-
sche und biologische Reaktionen entstehen
haltige amorphe Kohlenstoffschichten (a-
zusammengefasst. Fouling verursacht in
C:H) können durch den Einbau geeigneter
Deutschland wirtschaftliche Schäden im
Elemente wie Silizium, Sauerstoff oder Fluor
Bereich von mehreren Milliarden Euro pro
so modifiziert werden, dass ihre Oberflä-
Jahr.
chenenergie sinkt und ihre Antihaftwirkung
zunimmt, dabei aber ihre hohe Härte und
Fraunhofer-Institut für Schicht-
Anwendungen sind u. a. Oberflächen
Verschleißbeständigkeit nur wenig reduziert
und Oberflächentechnik IST
von Ventilen oder Wärmeübertragern in
wird. Damit unterscheiden sich diese
der chemischen, pharmazeutischen und
Beschichtungen deutlich von PTFE (Teflon®),
Bienroder Weg 54 E
Lebensmittelindustrie. Ablagerungen an
das zwar sehr niedrige Oberflächenener-
38108 Braunschweig
Wärmetauscher-Oberflächen führen zu
gien aufweist, aber sehr weich und für
einem deutlichen Anstieg des Wärmewi-
viele Anwendungen nicht ausreichend
Ansprechpartner
derstands und verringern die Leistung des
verschleißfest ist. Die Abscheidung der
Dipl.-Ing. (FH) Ingmar Bialuch
Wärmeübertragers. Beschichtungen aus
meist nur 3 – 5 µm dünnen modifizierten
Telefon: +49 531 2155-656
der Klasse der »Diamantähnlichen Kohlen-
DLC-Schichten erfolgt mittels PACVD-
[email protected]
stoffschichten (DLC)« können so modifiziert
Verfahren (Plasma-assisted Chemical
werden, dass die Fouling-Neigung an
Vapor Deposition). Die am Fraunhofer IST
Dr.-Ing. Martin Keunecke
den beschichteten Oberflächen deutlich
entwickelten SICAN- (a-C:H:Si) und
Telefon +49 531 2155-652
abnimmt oder sogar ganz vermieden
SICON®- (a-C:H:Si:O) Schichten wurden
[email protected]
werden kann.
am Institut für Chemische und Thermische
Verfahrenstechnik (ICTV) der Technischen
www.ist.fraunhofer.de
Universität Braunschweig hinsichtlich
ihrer Antifouling-Eigenschaften getestet.
2
3
Anwendungsfelder
Als Modellsubstanz wurde bei einigen
Tests Calciumsulfat (CaSO4) in wässriger
Zukünftige Schichtentwicklungen für
Antifouling-Anwendungen werden
Lösung verwendet. Die Bewertung des
Ähnliche Effekte DLC-beschichteter
sich u. a. auf die Erschließung neuer
Fouling-Prozesses erfolgte durch Vergleich
Oberflächen wurden auch in anderen
Anwendungsfelder, wie z. B. dem Schutz
der Induktionszeit, d. h. der Zeit, nach
Anwendungen erzielt, z. B. bei der
von Sensoren vor Funktionsbeeinträchti-
der durch die Ablagerung ein zusätzlicher
Milchverarbeitung im Lebensmittelbereich
gungen durch Ablagerungen sowie auf
Wärmewiderstand (Fouling-Widerstand)
(Molke-Protein-Ablagerungen) oder bei
die Beschichtung verfahrenstechnischer
entsteht. Mit modifizierten DLC-Schichten
Ruß-Ablagerungen aus Abgasen. Besonders
Komponenten wie Wärmetauschern,
ist es möglich, die Induktionszeit im
erfolgversprechend sind Kombinations-
Rohren oder Ventilen konzentrieren. Auch
Vergleich zu unbeschichtetem Edelstahl
behandlungen von Oberflächen, wie
werden Beschichtungen für Anwendungen
deutlich zu verlängern (siehe Grafik). Dieser
z. B. die Beschichtung elektropolierter
entwickelt, für die DLC-Schichten meist
Effekt ist besonders ausgeprägt, wenn das
Edelstahloberflächen.
weniger geeignet sind, wie z. B. für höhere
CaSO4 enthaltende Wasser strömt. Wäh-
Einsatz-Temperaturen (> 300 °C). Für
Vorteile der Anti-Foulingbeschichtung
rend sich z. B. auf einer unbeschichteten

Stahloberfläche ein dicker Belag bildet,
bleiben die beschichteten Oberflächen
auch nach mehreren 100 Stunden nahezu
unverändert (Abbildung 2 und 3).

Steigerung der Induktionszeiten um
den Faktor >10 und Verlängerung der
Betriebsdauer.
Reduzierung des Wartungs- und
Reinigungsaufwandes.
Hohe mechanische und chemische
Beständigkeit
Verminderte Haftkräfte (easy-to-clean).
diese Applikationsbereiche sind alternative
Schichtmaterialien, z. B. auf der Basis von
Übergangsmetall-Nitriden wie Chromnitrid
(CrN) vielversprechende Lösungsansätze.
Unser Angebot

Fouling-Kurven von unbeschichteten und beschichteten
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Prüfsystem CaSO4
q = 22,7 kW/m2
w = 0,15 m/s
c = 0,025 mol/l
6
5
4

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.
3
2
1
0
2 CaSO4-Fouling-Schicht auf un-
-1
beschichtetem Edelstahlblech.
0
100
200
300
400
500
Stainless
Edelstahl steel SICAN
SICAN
600
3 CaSO4-Fouling-Schicht auf
Zeit [h]
®
SICON
SICON
SICON®-beschichtetem Edelstahlblech.
20150324
Fouling-Widerstand Rf [10-4m2 K/W]
Edelstahlblechen.
Beschichtungen mit modifizierten
amorphen Kohlenstoffschichten für
kundenspezifische Applikationen
(Prototypen und Kleinserien).

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