Metalle werden oft während ihrer Anwendung korrosiven Bedingungen ausgesetzt, was ihre Alterungsbeständigkeit reduziert. Deswegen werden korrosionsanfällige Metalle, wie Aluminiumlegierungen mit Schutzbeschichtungen versehen, um den Korrosionsprozess aktiv oder passiv zu verhindern. Die klassischen Schutzbeschichtungen funktionieren als physikalische Barriere zwischen Metall und korrosiver Umgebung und bieten einen passiven Korrosionsschutz nur, wenn sie unbeschädigt sind. Im Gegensatz dazu kann die Korrosion auch im Fall einer Beschädigung mittels aktiver Schutzbeschichtungen gehemmt werden. Chromathaltige Beschichtungen bieten heutzutage den besten aktiven Korrosionsschutz für Aluminiumlegierungen. Aufgrund ihrer Giftigkeit wurden diese weltweit verboten und müssen durch neue umweltfreundliche Schutzbeschichtungen ersetzt werden. Ein potentieller Ersatz sind Schutzbeschichtungen mit integrierten Nano- und Mikrobehältern, die mit ungiftigem Inhibitor gefüllt sind. In dieser Arbeit werden die Entwicklung und Optimierung solcher aktiver Schutzbeschichtungen für die industriell wichtige Aluminiumlegierung AA2024-T3 dargestellt Mesoporöse Silika-Behälter wurden mit dem ungiftigen Inhibitor (2-Mercaptobenzothiazol) beladen und dann in die Matrix anorganischer (SiOx/ZrOx) oder organischer (wasserbasiert) Schichten dispergiert. Zwei Sorten von Silika-Behältern mit unterschiedlichen Größen (d ≈ 80 and 700 nm) wurden verwendet. Diese haben eine große spezifische Oberfläche (≈ 1000 m² g-1), eine enge Porengrößenverteilung mit mittlerer Porenweite ≈ 3 nm und ein großes Porenvolumen (≈ 1 mL g-1). Dank dieser Eigenschaften können große Inhibitormengen im Behälterinneren adsorbiert und gehalten werden. Die Inhibitormoleküle werden bei korrosionsbedingter Erhöhung des pH-Wertes gelöst und freigegeben. Die Konzentration, Position und Größe der integrierten Behälter wurden variiert um die besten Bedingungen für einen optimalen Korrosionsschutz zu bestimmen. Es wurde festgestellt, dass eine gute Korrosionsschutzleistung durch einen Kompromiss zwischen ausreichender Inhibitormenge und guten Barriereeigenschaften hervorgerufen wird. Diese Studie erweitert das Wissen über die wichtigsten Faktoren, die den Korrosionsschutz beeinflussen. Somit wurde die Entwicklung effizienter, aktiver Schutzbeschichtungen ermöglicht, die auf mit Inhibitor beladenen Behältern basieren. / Metals are often used in environments that are conducive to corrosion, which leads to a reduction in their mechanical properties and durability. Coatings are applied to corrosion-prone metals such as aluminum alloys to inhibit the destructive surface process of corrosion in a passive or active way. Standard anticorrosive coatings function as a physical barrier between the material and the corrosive environment and provide passive protection only when intact. In contrast, active protection prevents or slows down corrosion even when the main barrier is damaged. The most effective industrially used active corrosion inhibition for aluminum alloys is provided by chromate conversion coatings. However, their toxicity and worldwide restriction provoke an urgent need for finding environmentally friendly corrosion preventing systems. A promising approach to replace the toxic chromate coatings is to embed particles containing nontoxic inhibitor in a passive coating matrix. This work presents the development and optimization of effective anticorrosive coatings for the industrially important aluminum alloy, AA2024-T3 using this approach. The protective coatings were prepared by dispersing mesoporous silica containers, loaded with the nontoxic corrosion inhibitor 2-mercaptobenzothiazole, in a passive sol-gel (SiOx/ZrOx) or organic water-based layer. Two types of porous silica containers with different sizes (d ≈ 80 and 700 nm, respectively) were investigated. The studied robust containers exhibit high surface area (≈ 1000 m² g-1), narrow pore size distribution (dpore ≈ 3 nm) and large pore volume (≈ 1 mL g-1) as determined by N2 sorption measurements. These properties favored the subsequent adsorption and storage of a relatively large amount of inhibitor as well as its release in response to pH changes induced by the corrosion process. The concentration, position and size of the embedded containers were varied to ascertain the optimum conditions for overall anticorrosion performance. Attaining high anticorrosion efficiency was found to require a compromise between delivering an optimal amount of corrosion inhibitor and preserving the coating barrier properties. This study broadens the knowledge about the main factors influencing the coating anticorrosion efficiency and assists the development of optimum active anticorrosive coatings doped with inhibitor loaded containers.

In diesem Bericht wurde ein Übersicht über den Einfluss auf die Eigenschaften eines Reibungspaars, das Prüfungsverfahren mit Wechselbelastung, hydraulische Flüssigkeiten, die in den modernen Hydrauliksystemen eingesetzt werden, gemacht. Theoretisch wurde die Bewertungsmethodik des Verschleißes des Schiebers nach dem Volumen des verschlissenen Materials begründet, die Hertzsche Pressung und ihre Verteilung in der Kontaktzone berechnet. Die tribologischen Prüfungen wurden an der Technischen Universität Hamburg- Harburg mit Prüfstand MPH – 3 durchgeführt. Es wurden die Reibungsverluste während des Starts des Prüfstandes, des Einlaufs der Reibungspaare und der langfristigen Prüfungen festgestellt. Nach den Profilogrammen der Oberfläche des Schiebers wurde das Volumen des verschlissenen Materials berechnet. Es wurde die Bewertung der verschlissenen Oberflächen mithilfe der optischen Mikroskopie durchgeführt. Die Ergebnisse zeigten, dass die fluorhaltigen Oligomere auf die Reibungsverluste während des Starts des Prüfstandes keinen wesentlichen Einfluss ausgeübt hatten. Die in der Einlaufphase modifizierten Oberflächen richteten sich nach der Belastungssteigerung. Der Verschleiß der modifizierten Oberflächen war nach dem Volumen des verschlissenen Schiebermaterials 2,3 ÷ 3,8 kleiner als bei Kontrollprüfkörper.

Im Rahmen der Dissertation wurden mit der Glimmentladungs-Spektrometrie Materialproben untersucht, die Wasserstoff enthalten. Auch sehr geringe Gehalte, z.B. im µg/g-Bereich, können nachgewiesen werden. GD-OES ist oft die einzige Methode, die für diese analytische Aufgabenstellung zur Verfügung steht. Die Anwesenheit von Wasserstoff im Glimmentladungsplasma bewirkt verschiedene Effekte: (i) die Signalintensitäten der meisten analytischen Emissionslinien und der des Trägergases werden beeinflußt, (ii) aus dem Wasserstoffkontinuum resultiert ein erhöhter spektraler Untergrund, (iii) der elektrische Widerstand des Plasmas steigt und (iv) die Abtragsraten sinken. Zum Verständnis dieser Effekte werden grundlegende Untersuchungen zu den Anregungs- und Ionisationsmechanismen im Glimmentladungsplasma durchgeführt. Da es keine geeigneten Materialien gibt, für die der Gehalt an Wasserstoff stabil sind, wurden die Wasserstoffeffekte und die Möglichkeit des Nachweises von Wasserstoff durch Zugabe wohl definierter Mengen gasförmigen Wasserstoffs in das GD-Plasma simuliert. Für die Änderungen (i) de Analyt- und Trägergassignale, (ii) des Entladungsstroms als abhängigen GD-Pa-rameter sowie (iii) des Wasserstofflinien- und Kontinuumspektrums wurde experimentell festgestellt, dass sie sehr ähnlich sind, unabhängig davon, ob der Wasserstoff aus der Probe kommt oder als Gas ins Plasma eingeleitet wird. Die Anwesenheit von Wasserstoff im GD Plasma beeinflußt die Form des Abtragskraters, durch den die Tiefenauflösung bestimmt wird. Dieser Effekt kann gezielt bei nichtleitenden Schichtmaterialien genutzt werden, um die Tiefenauflösung zu verbessern. Weiterhin können Empfindlichkeit und Nachweisgrenze von bestimmten Emissionslinien eines Analyten verbessert werden. Der Was-serstoff im elektrolytischen (Cd- oder Zn-)Schichtsystem kann die Materialeigenschaften ver-schlechtern. Beispielhaft sei die Versprödung genannt. Mit der GD-OES Tiefen-profilanalyse kann die Wirkung thermischer Nachbehandlungen, die in der Technik üblich sind, verfolgt werden. Es konnte an praktischen Beispielen gezeigt werden, dass für erfolgreiche Anwendungen der GD-OES für Dünnschichtanalytik die Reinheit (d.h. minimale H-Effekte) der GD-Quelle von entscheidender Bedeutung ist.

Im Rahmen der Dissertation wurden mit der Glimmentladungs-Spektrometrie Materialproben untersucht, die Wasserstoff enthalten. Auch sehr geringe Gehalte, z.B. im µg/g-Bereich, können nachgewiesen werden. GD-OES ist oft die einzige Methode, die für diese analytische Aufgabenstellung zur Verfügung steht. Die Anwesenheit von Wasserstoff im Glimmentladungsplasma bewirkt verschiedene Effekte: (i) die Signalintensitäten der meisten analytischen Emissionslinien und der des Trägergases werden beeinflußt, (ii) aus dem Wasserstoffkontinuum resultiert ein erhöhter spektraler Untergrund, (iii) der elektrische Widerstand des Plasmas steigt und (iv) die Abtragsraten sinken. Zum Verständnis dieser Effekte werden grundlegende Untersuchungen zu den Anregungs- und Ionisationsmechanismen im Glimmentladungsplasma durchgeführt. Da es keine geeigneten Materialien gibt, für die der Gehalt an Wasserstoff stabil sind, wurden die Wasserstoffeffekte und die Möglichkeit des Nachweises von Wasserstoff durch Zugabe wohl definierter Mengen gasförmigen Wasserstoffs in das GD-Plasma simuliert. Für die Änderungen (i) de Analyt- und Trägergassignale, (ii) des Entladungsstroms als abhängigen GD-Pa-rameter sowie (iii) des Wasserstofflinien- und Kontinuumspektrums wurde experimentell festgestellt, dass sie sehr ähnlich sind, unabhängig davon, ob der Wasserstoff aus der Probe kommt oder als Gas ins Plasma eingeleitet wird. Die Anwesenheit von Wasserstoff im GD Plasma beeinflußt die Form des Abtragskraters, durch den die Tiefenauflösung bestimmt wird. Dieser Effekt kann gezielt bei nichtleitenden Schichtmaterialien genutzt werden, um die Tiefenauflösung zu verbessern. Weiterhin können Empfindlichkeit und Nachweisgrenze von bestimmten Emissionslinien eines Analyten verbessert werden. Der Was-serstoff im elektrolytischen (Cd- oder Zn-)Schichtsystem kann die Materialeigenschaften ver-schlechtern. Beispielhaft sei die Versprödung genannt. Mit der GD-OES Tiefen-profilanalyse kann die Wirkung thermischer Nachbehandlungen, die in der Technik üblich sind, verfolgt werden. Es konnte an praktischen Beispielen gezeigt werden, dass für erfolgreiche Anwendungen der GD-OES für Dünnschichtanalytik die Reinheit (d.h. minimale H-Effekte) der GD-Quelle von entscheidender Bedeutung ist.

The present work is devoted to establishing of a new generation of self-healing anti-corrosion coatings for protection of metals. The concept of self-healing anticorrosion coatings is based on the combination of the passive part, represented by the matrix of conventional coating, and the active part, represented by micron-sized capsules loaded with corrosion inhibitor. Polymers were chosen as the class of compounds most suitable for the capsule preparation. The morphology of capsules made of crosslinked polymers, however, was found to be dependent on the nature of the encapsulated liquid. Therefore, a systematic analysis of the morphology of capsules consisting of a crosslinked polymer and a solvent was performed. Three classes of polymers such as polyurethane, polyurea and polyamide were chosen. Capsules made of these polymers and eight solvents of different polarity were synthesized via interfacial polymerization. It was shown that the morphology of the resulting capsules is specific for every polymer-solvent pair. Formation of capsules with three general types of morphology, such as core-shell, compact and multicompartment, was demonstrated by means of Scanning Electron Microscopy. Compact morphology was assumed to be a result of the specific polymer-solvent interactions and be analogues to the process of swelling. In order to verify the hypothesis, pure polyurethane, polyurea and polyamide were synthesized; their swelling behavior in the solvents used as the encapsulated material was investigated. It was shown that the swelling behavior of the polymers in most cases correlates with the capsules morphology. Different morphologies (compact, core-shell and multicompartment) were therefore attributed to the specific polymer-solvent interactions and discussed in terms of “good” and “poor” solvent. Capsules with core-shell morphology are formed when the encapsulated liquid is a “poor” solvent for the chosen polymer while compact morphologies are formed when the solvent is “good”. Multicompartment morphology is explained by the formation of infinite networks or gelation of crosslinked polymers. If gelation occurs after the phase separation in the system is achieved, core-shell morphology is present. If gelation of the polymer occurs far before crosslinking is accomplished, further condensation of the polymer due to the crosslinking may lead to the formation of porous or multicompartment morphologies. It was concluded that in general, the morphology of capsules consisting of certain polymer-solvent pairs can be predicted on the basis of polymer-solvent behavior. In some cases, the swelling behavior and morphology may not match. The reasons for that are discussed in detail in the thesis. The discussed approach is only capable of predicting capsule morphology for certain polymer-solvent pairs. In practice, the design of the capsules assumes the trial of a great number of polymer-solvent combinations; more complex systems consisting of three, four or even more components are often used. Evaluation of the swelling behavior of each component pair of such systems becomes unreasonable. Therefore, exploitation of the solubility parameter approach was found to be more useful. The latter allows consideration of the properties of each single component instead of the pair of components. In such a manner, the Hansen Solubility Parameter (HSP) approach was used for further analysis. Solubility spheres were constructed for polyurethane, polyurea and polyamide. For this a three-dimensional graph is plotted with dispersion, polar and hydrogen bonding components of solubility parameter, obtained from literature, as the orthogonal axes. The HSP of the solvents are used as the coordinates for the points on the HSP graph. Then a sphere with a certain radius is located on a graph, and the “good” solvents would be located inside the sphere, while the “poor” ones are located outside. Both the location of the sphere center and the sphere radius should be fitted according to the information on polymer swelling behavior in a number of solvents. According to the existing correlation between the capsule morphology and swelling behavior of polymers, the solvents located inside the solubility sphere of a polymer give capsules with compact morphologies. The solvents located outside the solubility sphere of the solvent give either core-shell or multicompartment capsules in combination with the chosen polymer. Once the solubility sphere of a polymer is found, the solubility/swelling behavior is approximated to all possible substances. HSP theory allows therefore prediction of polymer solubility/swelling behavior and consequently the capsule morphology for any given substance with known HSP parameters on the basis of limited data. The latter makes the theory so attractive for application in chemistry and technology, since the choice of the system components is usually performed on the basis of a large number of different parameters that should mutually match. Even slight change of the technology sometimes leads to the necessity to find the analogue of this or that solvent in a sense of solvency but carrying different chemistry. Usage of the HSP approach in this case is indispensable. In the second part of the work examples of the HSP application for the fabrication of capsules with on-demand-morphology are presented. Capsules with compact or core-shell morphology containing corrosion inhibitors were synthesized. Thus, alkoxysilanes possessing long hydrophobic tail, combining passivating and water-repelling properties, were encapsulated in polyurethane shell. The mechanism of action of the active material required core-shell morphology of the capsules. The new hybrid corrosion inhibitor, cerium diethylhexyl phosphate, was encapsulated in polyamide shells in order to facilitate the dispersion of the substance and improve its adhesion to the coating matrix. The encapsulation of commercially available antifouling agents in polyurethane shells was carried out in order to control its release behavior and colloidal stability. Capsules with compact morphology made of polyurea containing the liquid corrosion inhibitor 2-methyl benzothiazole were synthesized in order to improve the colloidal stability of the substance. Capsules with compact morphology allow slower release of the liquid encapsulated material compared to the core-shell ones. If the “in-situ” encapsulation is not possible due to the reaction of the oil-soluble monomer with the encapsulated material, a solution was proposed: loading of the capsules should be performed after monomer deactivation due to the accomplishment of the polymerization reaction. Capsules of desired morphologies should be preformed followed by the loading step. In this way, compact polyurea capsules containing the highly effective but chemically active corrosion inhibitors 8-hydroxyquinoline and benzotriazole were fabricated. All the resulting capsules were successfully introduced into model coatings. The efficiency of the resulting “smart” self-healing anticorrosion coatings on steel and aluminium alloy of the AA-2024 series was evaluated using characterization techniques such as Scanning Vibrating Electron Spectroscopy, Electrochemical Impedance Spectroscopy and salt-spray chamber tests. / In Anlehnung an den Selbstheilungsmechanismus der menschlichen Haut entwickeln wir ein innovatives Verfahren zur Funktionalisierung von Korrosionsschutzbeschichtungen, um auch diese in die Lage zu versetzen Beschädigungen selbstständig „auszuheilen“. Dazu werden winzige Mikro- und Nanobehälter mit aktiven Substanzen (z. B. Korrosionshemmstoffen, Versiegelungsmitteln, Bioziden etc.) befüllt und anschließend in eine Korrosionsschutzbeschichtung eingebettet. Kommt es nun im Zeitablauf zu korrosionsauslösenden Beschädigungen der Schutzbeschichtung (z. B. durch Kratzer oder Risse) werden an der Defektstelle die eingebetteten Behälter zerstört und aktiv wirkende Gegensubstanzen freigesetzt. Dadurch wird die verletzte Stelle sofort wieder verschlossen und die Korrosionsgefahr eliminiert. Der entscheidende Vorteil derart funktionalisierter Schutzbeschichtungen ist ihre aktive Rückkopplung mit dem Korrosionsauslöser: Die aktive Schutzsubstanz wird nur an der Defektstelle und nur in der zur Korrosionsvermeidung erforderlichen Menge freigegeben. Somit werden eine länger anhaltende Wirkdauer sowie eine deutlich höhere Nachhaltigkeit der Beschichtungen ermöglicht. Dieses „intelligente Verhalten“ der neuen aktiven Korrosionsschutzbeschichtungen ist nur dank ihrer innovativen Mikrostruktur möglich. Die winzigen Mikro- und Nanobehälter beinhalten nicht nur aktive Substanzen in ihrem Inneren sondern besitzen auch eine intelligent konstruierte Hüllenstruktur, deren Durchlässigkeit sich je nach Art des Korrosionsauslösers ändert. Wird die eingekapselte aktive Substanz freigesetzt, fängt diese sofort an gegen die korrosionsverursachenden Einflüsse zu wirken. Ist die Gefahr beseitigt verringert sich die Durchlässigkeit der Behälterhülle wieder. Diese bedingte Reversibilität zwischen geschlossenem und geöffnetem Zustand des Behälters sorgt für einen sehr sparsamen Verbrauch der aktiven Substanz und für die stark verbesserte Schutzwirkung darauf basierender Antikorrosionsbeschichtungen. Diese Arbeit befasst sich mit dem Aufbau polymerer Kern-Schale-Mikrokapseln, die entsprechende Korrosionsinhibitoren und Biocide enthalten. Der Morphologie wird für zahlreiche Lösungsmittel und Polymere mit Hilfe der Hansen-Löslichkeitsparameter in guter Übereinstimmung mit elektronenmikroskopischen Experimenten beschrieben. Die Wirkungsweise in technischen Beschichtungen wird quantifiziert anhand von elektrochemischer Impedanzspektroskopie, Rastervibrationssondenmessungen und industrienahen Testverfahren.

In this work, hyperbranched aromatic polyesters-polyphenols based on 4,4-bis(4’ hydroxy¬phenyl)pentanoic acid (BHPPA) were prepared and, according to the authors knowledge, for the first time tested as precursors for polyurethane bulk resins and coatings. Comparison of poly-BHPPA with competing products The materials prepared in this work show better properties than their aliphatic polyester-polyol analoga based on 2,2-bis-(hydroxymethyl)propanoic acid (BHMPA). Especially, the solubility of poly-BHPPA in organic solvents is better and poly-BHPPAs also do not tend to microphase separation during their reaction with isocyanates, in contrast to poly-BHMPAs. The poly-BHPPA and the polyurethane networks made from them display higher Tg values than analogous poly- BHMPA compounds. Because of the high Tg of the reacting and final systems, curing must occur at elevated temperatures (90°C) in order to avoid undercure. The lower reactivity of phenolic OH groups prevents the reaction from being too fast at that temperature. A drawback of the polyurethanes based on the aromatic polyesters-polyols prepared is the lower thermal stability of their urethane bonds, if compared to aliphatic urethanes. An interesting possibility for future investigations would be the modification of the BHPPA monomer in order to change the OH functionality from phenolic to aliphatic OH, e.g. by replacement of the phenolic OH by hydroxymethyl or hydroxyethyl groups (requires a strong modification of the monomer synthesis) or simpler by reacting the phenolic OH of BHPPA with a suitable reagent like oxirane, which would lead to groups like O-CH2-CH2-OH in the place of the phenolic OH. Such a BHPPA modification should in turn yield modified “poly-BHPPA” polycondensates, which would combine the advantages of poly-BHPPA with those of aliphatic OH precursors of polyurethanes. Poly-BHPPA synthesis Hyperbranched polymers of the 4,4-bis-(4’-hydroxyphenyl)pentanoic acid (BHPPA) were synthesized successfully by the catalyzed (by dibutyltin diacetate) polycondensation of BHPPA. The products obtained were oligomers with number average molecular weight ranging from 1800 to 3400 g/mol (polymerization degree of ca. 6 to 12), displaying a first moment of functionality in the range 7 to 14. Such products were good OH precursors for the preparation of polyurethane coatings, because higher functional polymers would gel at low conversions. The analysis of the functional groups (determination of acid and hydroxyl numbers) and the 1H-NMR and the 13C-NMR spectroscopy were found to be good methods for the determination of molecular weights. The polydispersity of the poly-BHPPA products was in the range 3.5 to 6. Their degree of branching was found to be in the range 0.36 to 0.47. Poly-BHPPA containing aliphatic polyols as core monomers were also prepared successfully. Difunctional and trifunctional core monomers usually reached a full conversion of their OH groups, while the tetra- and hexafunctional core monomers were converted only to 89%. In all these products however, a considerable amount, usually even a majority, of the polymer molecules were core free. The poly-BHPPA products prepared displayed relatively high glass transition temperatures, in the range of 84°C to 114°C, obviously due to interactions between the phenol groups and to hydrogen bridging. The thermal stability of these products was also high, with decomposition occurring near 350°C (at a heating rate of 10°C / min) Kinetics investigations of the poly-BHPPA reactivity towards isocyanates The poly-BHPPA are polyphenols and were expectedly found to react significantly slower with isocyanates than aliphatic alcohols. The reactivity of poly BHPPA was also found to be somewhat lower than that of the monofunctional, low molar-mass 4 ethylphenol. Hexamethylene diisocyanate trimer, Desmodur N3300, was found to be more reactive than hexamethylene diisocyanate (HDI) or butyl isocyanate in all experiments, possibly due to a substitution effect. The substitution effect can be explained by a change of microenvironment caused by conversion of isocyanate group and OH group into urethane groups. The reactions of low-molecular-mass alcohols or phenols with low molecular weight isocyanates followed well the 2nd order kinetics, while the reactions of poly-BHPPA with isocyanates show deviations from ideal 2nd order kinetics at higher conversions. All the kinetics experiments were carried out under catalysis by dibutyltin dilaurate. This catalyst inhibits the undesired reaction of isocyanate groups with moisture. It was also found that the catalysis was necessary to reach reasonable curing times for poly-BHPPA based polyurethane networks. The uncatalyzed systems reacted extremely slowly. Preparation of polyurethane networks from poly-BHPPA The poly BHPPA products prepared were used successfully as OH functional precursors of polyurethane networks. The networks prepared contained only very low sol fractions. Acetone and also ethylene diglycol dimethylether (diglyme) were found to be good swelling solvents for the networks prepared, while methyl propyl ketone was a much poorer solvent and aromatic compounds like toluene or xylene practically did not swell the poly BHPPA based polyurethanes. The networks prepared contain a relatively high amount of cyclic bonds, 40 to 50% in the finally cured state, which is an expected result for systems with precursors of high functionality and with small distances between the functional groups. The temperature of glass transition (Tg) of the networks prepared (ranging from 68°C to 126°C) depends of the poly BHPPA precursor used: it increases with increasing molecular mass and with increasing core functionality. The choice of the isocyanate crosslinker also influences Tg: the networks made from HDI show higher Tg values, than networks made from the same poly BHPPA but crosslinked with Desmodur N3300 (Tri HDI). The urethane bonds in the networks prepared start to decompose near 140°C. The easier degradation of PU with aromatic urethane bonds is a disadvantage in comparison with aliphatic polyurethanes, whose decomposition starts at 200°C. The surfaces of polyurethane coatings prepared are smooth, displaying a roughness of ca. 20-25 nm, and relatively hydrophilic: the contact angle with water was found to be near 80°. The prepared networks are also relatively hard, possessing the Shore D hardness of 70.

Thermal-resistant coatings, based on polysilazane and polysiloxane polymers, were applied onto the glass fiber rovings with the dip-coating method. The coated glass fibers were characterized by performing different experiments to evaluate the effect of coatings on thermomechanical and topographical properties of glass fiber. The effect of temperature on the mechanical properties of the coated rovings were studied and compared with the uncoated rovings. Thermogravimetric analysis was carried out to investigate the thermal stability of coated samples. Scanning electron microscopy and energy-dispersive X-ray analyses were performed to evaluate the surface topographical characteristics of the glass fiber rovings. These analyses showed the changes in surface morphological properties due to modification of glass fiber by coating treatment. The results of tensile testing indicated that thermal-resistant coatings enhanced up to 60% tensile strength and 20% stiffness of uncoated glass fiber roving. Thermomechanical study up to 500°C revealed that polysiloxane coating on glass fiber showed better performance than polysilazane polymeric coating.

The scope of this work is to fathom different possibilities to create functional coatings with polymer brushes. The immobilization of nanoparticles and enzymes is investigated, as well as the affection of their properties by the stimuli-responsiveness of the brushes. Another aspect is the coating of 3D-nanostructures by polymer brushes and the investigation of the resulting functional properties of the hybrid material. The polymer brush coatings are characterized by a variety of microscopic and spectroscopic techniques, with a special emphasis on the establishment of the combinatorial quartz crystal microbalance/spectroscopic ellipsometry technique as a tool to characterize the functional properties of the polymer brush systems insitu. The pH-responsive swelling of the polyelectrolyte brushes poly(acrylic acid) and poly(2-vinylpyridine), as well as the thermoresponsive swelling of poly(N-isopropylacryl amide) is studied in detail by this technique. Poly(2-vinylpyridine) and binary poly(N-isopropylacryl amide)-poly (2-vinylpyridine) brushes are used as templates for the insitu-synthesis of palladium and platinum nanoparticles with catalytic activity. As an example for the use of polymer brushes to immobilize enzymes, the model enzyme glucose oxidase is physically adsorbed to poly (2-vinylpyridine) and poly (acrylic acid) brushes and also covalently bound to poly (acrylic acid) brushes. In the last part of this thesis, sculptured thin films are coated with poly (acrylic acid) and poly (N-isopropylacryl amide) brushes and the swelling characteristics as well as the adsorption behavior of the model protein bovine serum albumin are investigated.

The main goal of this work is design and synthesis of novel composite hydrogel-based core-shell microparticles and their application for fabrication of coatings, which provide the “inverse-switching” behaviour to the surface, namely, to become more hydrophobic in water environment. Since contact angle of heterogeneous surfaces is dependent on the nature and ratio of surface components, an increase of amount of more hydrophobic component on the surface will cause the reducing of surface wettability. It was suggested that core-shell particles having water-swellable hydrogel core and hydrophobic, but permeable for water shell when deposited on the hydrophilic substrate should increase the total amount of hydrophobic component on the surface when the cores of particles will swell in water. During the work different approaches to obtain freely dispersed and surface-immobilized core-shell particles with required structure were developed. Obtained particles were applied for preparation of coatings with ability to display “inverse-switching” behaviour. It was demonstrated that properly designed and properly prepared core-shell particles could be successfully used for creation of smart adaptive coatings having the ability to alter the surface properties upon changing of the environment.

Abstract des Vortrages: Die Wirkungstiefe einer Reibungsbeanspruchung von Werkstoffen reicht von wenigen Mikrometern bis zu etwa einem Millimeter. Die Randschicht der Werkstoffe sollte entsprechend angepasst sein. Durch Reibung beanspruchte Werkstoffe verschleißen in Abhängigkeit von den Systemeigenschaften des tribologischen Systems durch vier Elementarmechanismen, Adhäsion, Abrasion, Ermüdung und tribochemische Reaktionsschichtbildung. Das Gefüge in der Randschicht muss so eingestellt werden, dass Adhäsion, Ermüdung und tribochemische Reaktionsschichtbildung weitestgehend unterdrückt sind und der abrasive Mechanismus im Gleichgewichtszustand des Tribosystems eine minimale konstante Rate aufweist. Beschichtungen bestehen meist aus einer harten Schicht auf einem weicheren Untergrund, die bei stärkerer Beanspruchung zerstört wird. Bessere Eigenschaften sind zu erwarten, wenn in der Randschicht des Werkstoffes Veränderungen vorgenommen werden, die einen kontinuierlichen Übergang zum Grundwerkstoff bewirken. Von besonderem Interesse ist dabei das Umschmelzlegieren mit dem Elektronenstahl (EBUL). Damit lassen sich lokal Reibungskoeffizient, Verschleiß- und Korrosionswiderstand oder die thermische Leitfähigkeit durch Zulegieren von Elementen oder Dispergieren von Hartstoffpartikeln entsprechend der Beanspruchung verändern. In Studien wurde gezeigt, dass EBUL zu signifikant höheren Härten in der Randschicht führt, welche den Verschleißwiderstand erhöhen. Die Härtesteigerung kann durch den Volumenanteil der zulegierten Elemente eingestellt werden. Die Härte des umschmelzlegierten Gefüges steigt mit zunehmendem Anteil von Ausscheidungen und intermetallischen Phasen. Die Härte wird weiterhin durch die Größe und Verteilung der Ausscheidungen und Phasen bestimmt.