ToF-SIMS Analyse von Lackkratern TAS-AN-T3D

 ToF-SIMS Analyse von Lackkratern
Verlaufsstörungen von Lacken (z.B. Krater)
sind oft auf chemische Unverträglichkeiten
des Lacks mit unbeabsichtigt eingebrachten
Fremdsubstanzen (z.B. Fette) oder dem
Substrat zurückzuführen. Zur Klärung solcher
Lackierfehler hat sich die Flugzeit-Sekundärionenmassenspektrometrie (ToF-SIMS1) als
analytisches Werkzeug etabliert. Die
Methode dient dazu, die elementare und
molekulare Zusammensetzung von
Oberflächen empfindlich zu charakterisieren.
Hierdurch ist es möglich, die Quelle kraterbildender Substanzen zu identifizieren und
Produktionsstörungen schnell abzustellen.
Intensity
Intensity
Verlaufsstörungen in Lacken stellen nicht nur in
der Automobilindustrie einen erheblichen
Mangel einer Lackierung dar. Die Beseitigung
von Lackkratern und der damit oft verbundene
Produktionsausfall verursachen enorme
wirtschaftliche Schäden. Derartige Störungen
hinterlassen beim Verarbeiter zudem Zweifel an
der Qualität des verwendeten Lacks. Eine rasche
analytische Aufarbeitung der Ursachen einer
Kraterbildung ist daher sowohl für den
Lackhersteller als auch den Lackverarbeiter
unverzichtbar.
TAS-AN-T3D
Die ToF-SIMS ist eine analytische Methode zur
chemischen Charakterisierung von festen
Oberflächen. Da die chemische Information
ausschließlich aus den obersten 1- 3 atomaren
oder molekularen Schichten stammt, handelt es
sich um ein sehr oberflächenempfindliches
Verfahren. Neben der chemischen
Charakterisierung anhand sogenannter
Spektren (vgl. Abb. 2) können ToF-SIMS
Analysen auch bildgebend durchgeführt werden
(vgl. Abb. 3). Bei diesem ToF-SIMS Imaging
wird die Zusammensetzung der analysierten
Oberfläche als chemische Landkarte darstellt.
Aus diesem Grunde wird die ToF-SIMS bisweilen
auch als „chemisches Mikroskop” bezeichnet.
x104
1.2
perfluorinated polyether
inside crater
polysiloxane
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
100
x104
120
140
polysiloxane
160
180
mass / u
outside crater
4.0
3.0
2.0
1.0
100
120
140
160
180
mass / u
Abb. 2: ToF-SIMS Spektrum (positive Sekundärionenpolarität) inner- und außerhalb des in Abb. 1 gezeigten
Kraters.
Abb. 1: Optisches Bild eines Kraters in Autolack
1
engl.: Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectrometry
(ToF-SIMS)
Abbildung 1 zeigt das optische Bild eines
Kraters in einem Automobillack. Eine genaue
mikroskopische Begutachtung von Kratern oder
Kraterschnitten ist der übliche Einstieg in die
Analytik. Durch die Mikroskopie können
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mögliche Kraterursachen (z.B. Einschlüsse von
Partikeln) erkannt werden. Diese Daten sind
zudem Grundlage für die Planung des weiteren
analytischen Vorgehens. Liefert die
Mikroskopie keine Hinweise auf die Ursache der
Störungen, ist zu vermuten, dass eine
chemische Kontamination die Oberflächenspannung und damit das Benetzungsverhalten
des Lacks lokal verändert hat. In diesem Fall ist
die ToF-SIMS die bevorzugte analytische
Methode, um zielgerichtet nach chemischen
Veränderungen des Lacks im Kraterbereich zu
fahnden.
Abbildung 2 zeigt die Resultate einer
lokalisierten ToF-SIMS Analyse inner- und
außerhalb des in Abbildung 1 gezeigten
Kraters. In beiden Bereichen wird ein
Polysiloxan nachgewiesen, das in diesem Fall
ein Bestandteil des applizierten Klarlacks ist.
Grundsätzlich sind Polysiloxane aber auch als
kraterverursachende Substanzen bekannt und
die ToF-SIMS ist der Lage verschiedene Siloxanklassen zu unterscheiden.
Schmierstoffe sind ausreichend, um die
Benetzung von Lacken signifikant zu stören.
Ein Nachweis dieser geringen Konzentration
mit anderen leistungsfähigen Analysetechniken
wie etwa der Röntgenstrahl-PhotoelektronenSpektroskopie (XPS oder ESCA) scheitert in der
Regel an der Empfindlichkeit dieser Methoden.
Abbildung 3 zeigt die anhand der Spektren
bereits identifizierte Kontamination im
Kraterinneren noch einmal bildgebend. Zur
Darstellung der „chemischen Landkarte“ wird
die Intensität der Substanzen farbkodiert.
Hohe Intensitäten entsprechen hellgelben bis
weißen Farben während niedrige Intensitäten
durch dunkle Farben repräsentiert werden.
Die Daten belegen eindeutig die Anreicherung
eines perfluorierten Polyethers im Kraterinnern
und bestätigen somit eindrucksvoll die bereits
anhand der ToF-SIMS Spektren gefunden
Resultate (vgl. Abb. 2).
Neben Polysiloxanen und Polyethern können
u.a. folgende lackrelevante Substanzen mit
Hilfe des ToF-SIMS Verfahrens nachgewiesen
werden:
-
Abb. 3: Massenseparierte ToF-SIMS Images (“chemische
Landkarten”) eines mit Abb. 1 vergleichbaren Kraters;
Analysefläche: 240 x 240 µm2
In dem hier vorliegenden Fall wird innerhalb
des Kraters zusätzlich ein perfluorierter
Polyether nachgewiesen. Perfluorierte
Polyether werden als Hochleistungsschmierstoffe eingesetzt und kommen u.a. in
Industrierobotern oder Transportbändern zum
Einsatz. Bereits geringe Mengen dieser
-
anorganische Spezies
(Elemente (z.B.Metalle), Salze,
Sulphate, Phosphate, Nitride, ...)
kleine Partikel (Nanopartikel)
Schmier- und Gleitmittel
Öle
Carbonsäuren und verwandte
Substanzen
Basispolymere und Polymeradditive
Lackadditive (z.B. Stabilisatoren)
Reinigungsmittel
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