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Galvanik

Mit ionischen Flüssigkeiten Reach-Hindernisse umgehen

| Autor/ Redakteur: Klaus Jopp / Stéphane Itasse

Galvanisieren Ionische Flüssigkeiten gewinnen durch ihre besonderen Eigenschaften immer mehr an Bedeutung in der Galvanik. Bei diesen speziellen chemischen Verbindungen handelt es sich um Salze, deren Schmelzpunkte unter 100 °C liegen, weshalb sie auch als flüssige Salze bezeichnet werden.

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Neuer Molybdänpräkursor, als Pulver und in zwei verschiedenen ionischen Flüssigkeiten gelöst: Mit diesem und anderen Ausgangsstoffen will die Technische Universität München neue Wege zur Abscheidung von Refraktärmetallen beschreiten.
Neuer Molybdänpräkursor, als Pulver und in zwei verschiedenen ionischen Flüssigkeiten gelöst: Mit diesem und anderen Ausgangsstoffen will die Technische Universität München neue Wege zur Abscheidung von Refraktärmetallen beschreiten.
( Bild: TU München )

Diese Salze weisen ein breites elektrochemisches Potenzialfenster und einen extrem niedrigen Dampfdruck auf, benötigen nur eine geringe Betriebstemperatur, sind unbrennbar und häufig nicht toxisch. „Zudem sind aufgrund des großen Interesses an ionischen Flüssigkeiten in den vergangenen Jahren die Preise für die Elektrolyten stetig gesunken, womit auch ihr Einsatz in Form industrieller Prozesse interessant wird“, erläutert René Böttcher, Wissenschaftler im Fachgebiet Elektrochemie und Galvanotechnik an der TU Ilmenau.

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So hat galvanisch abgeschiedenes Aluminium ein enormes Potenzial für industrielle Anwendungen - nicht zuletzt deshalb, weil es eine umweltfreundliche Alternative zu einigen für den Korrosionsschutz eingesetzten, aber von Reach betroffenen Werkstoffen (zum Beispiel Cadmium) darstellt. Aluminium kann aber wegen seines negativen Nernst-Potenzials nicht aus wässrigen Elektrolyten abgeschieden werden, bisherige industrielle Prozesse zur Abscheidung von Aluminium basieren zumeist auf teuren und vor allem leicht entzündlichen Chemikalien (metallorganische Verbindungen). Hier bietet der Einsatz von ionischen Flüssigkeiten (iF) eine sehr gute Variante. Sie ermöglicht sogar die elektrochemische Beschichtung von Bauteilen mit komplexer Geometrie.

Die Vorbehandlung der Grundwerkstoffe erfolgt in konventioneller Art, wobei die vollständige Trocknung nach Abschluss der Vorbehandlung erforderlich ist, um den Eintrag von Wasser in die ionische Flüssigkeit zu vermeiden. Abgeschieden wurden beispielsweise mattweiße Aluminium-
Zink-Schichten mit Zinkanteilen zwischen 1 und 35 Gewichtsprozenten. Die Schichten bestehen aus einem Kristallgemisch von Aluminium und Zink. Durch Verwendung von Chromchlorid (CrCl2) lassen sich matte bis hochglänzende Schichten mit Chromgehalten zwischen 0,1 und 22 Gewichtsprozenten erzeugen.

Viele binäre und ternäre Legierungen erzeugt

Mit der Abscheidung von Legierungen aus ionischen Flüssigkeiten haben sich auch Dr. Ingolf Scharf und Kollegen vom Institut für Werkstoff- und Oberflächentechnik der TU Chemnitz befasst. Durch Legierungsabscheidung können prinzipiell etwa 800 binäre sowie über 10.000 ternäre Legierungen mit neuem Eigenschaftsprofil erzeugt werden. Nur ein Bruchteil dieser möglichen Kombinationen konnte bislang untersucht werden. Die Abscheidung aus solchen Medien unterscheidet sich jedoch in einigen Aspekten von denen in wässriger Lösung. Der Elektrolytentwicklung kommt daher auch bei diesen Medien eine Schlüsselrolle zur wirtschaftlichen Nutzung galvanisch abgeschiedener Legierungen zu. Die große Zahl an möglichen Legierungen zeigt aber das große Potenzial der ionischen Flüssigkeiten.

Neue und weitreichende Erkenntnisse hat auch das Verbundprojekt Galactif gebracht, das von sechs deutschen Universitäten und Forschungseinrichtungen unter Koordinierung der TU München (TUM) 2016 gestartet wurde und mit Förderung des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (rund 4 Mio. Euro) läuft. „Die Zielsetzung von Galactif bestand in der detaillierten Erforschung der elektrochemischen Abscheidung attraktiver Schichtsysteme aus ionischen Flüssigkeiten“, fasst PD Dr. Oliver Schneider von der TUM die Aufgaben zusammen.

Im Einzelnen sollten neue grundlegende Herangehensweisen erarbeitet werden, um kompakte, feinkristalline, dicke Schichten abzuscheiden, eine optimierte Kontrolle des Abscheidungsprozesses und der Schichteigenschaften erreicht und neue Legierungsschichten mit definierter Zusammensetzung und definierten Eigenschaften hergestellt werden. Für den Korrosionsschutz, Kontaktmaterialien sowie Medizintechnik lag der Fokus auf Materialsystemen von Sondermetallen wie Aluminium, Palladium, Platin, Titan, Tantal, Wolfram, Molybdän, Niob und Vanadium.

Das Projekt Galactif hat insgesamt eine ganze Reihe von Resultaten gebracht, die das Wissen um die Anwendung von ionischen Flüssigkeiten vertieft haben. So wurden grundlegende Erkenntnisse zur Grenzflächenstruktur, Komplexbildung und dem Additiveinsatz für Metallpräkursorsysteme der ionischen Flüssigkeiten gewonnen. Abscheidungen auch außerhalb der Glovebox sind möglich. Die Anwendung von Ultraschall kann die Abscheidung günstig beeinflussen, wobei eine Zersetzung des Elektrolyten vermieden werden muss, was wiederum durch niedrige Amplituden und Ultraschallpulse erreicht werden kann.

Die galvanische Aluminiumabscheidung aus „solvate ionic liquids“ (DMSO2/AlCl3) ist erfolgreich. Es wurden haftfeste, dichte Schichten bis zu einer Stärke von 35 µm abgeschieden. Auch die Abscheidung von Edelmetallen wie Platin und Palladium sowie entsprechender Legierungen aus BMIm-IF und tiefeutektischen Flüssigkeiten konnte demonstriert werden. Zudem wurden zahlreiche Präkursoren und iF im Hinblick auf die Abscheidung von sogenannten Refraktärmetallen (hochschmelzende, unedle Metalle der 4., 5. und 6. Nebengruppe) untersucht und vielversprechende Systeme identifiziert. Deutliche Fortschritte wurden bei der Abscheidung von Niob und Tantal erzielt. Darüber hinaus konnten erste Legierungen von Refraktärmetallen mit anderen Elementen abgeschieden werden.

Metallbeschichtungen eröffnen neue Funktionen

Zahlreiche Bauteile für Anwendungen in der Elektronik, dem Transportwesen, der chemischen Industrie und der Medizin lassen sich aus preiswerten und gut verfügbaren Rohstoffen herstellen, wenn sie durch geeignete Metallbeschichtungen funktionalisiert werden. IF ermöglichen viele neuartige Beschichtungen aus Sondermetallen. Tantalschichten für Implantate und Auskleidungen von Chemieanlagen oder Wolframlegierungen für elektrische Kontakte in der Elektromobilität sind nur einige Bespiele dafür. Sie zeigen, dass ionische Flüssigkeiten häufig als „Problemlöser“ fungieren können und dass sich die Erkenntnisse zu den besonderen Salzen in den letzten Jahren sprunghaft erhöht haben.

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* Klaus Jopp ist freier Journalist, Pressebüro Wiwitech in 22337 Hamburg

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