Chemische Beständigkeit

Durch die chemische Beständigkeit wird allgemein die Widerstandsfähigkeit von Materialien bzw. Werkstoffen gegen die Einwirkung von Chemikalien beschrieben. Im Gegensatz zur Korrosion findet dabei kein Materialabtrag statt, was insbesondere für Kunststoffe und Elastomere typisch ist.

Einteilung

Die Unterteilung erfolgt meist in drei einfache Kategorien:

  • chemisch beständig: Der Werkstoff behält seine charakteristischen mechanischen (z. B. Festigkeit), physikalischen (z. B. Färbung) und chemischen (z. B Zusammensetzung) Eigenschaften trotz beliebig langen Kontaktes mit der zu testenden chemischen Substanz unverändert bei. Da dieser Idealzustand praktisch nie vorkommt, gilt in der Technik ein Werkstoff durchaus noch als „beständig“, der nur sehr langsam angegriffen wird.
  • bedingt chemisch beständig: Der Werkstoff behält seine charakteristischen Eigenschaften (s. o.) für eine begrenzte, für den Einsatzzweck akzeptable Zeitspanne oder innerhalb spezieller Grenzen der Einsatzbedingungen bei.
  • chemisch unbeständig: Der Werkstoff verliert seine charakteristischen Eigenschaften (s. o.) innerhalb sehr kurzer Zeit - bzw. schneller als der Einsatzzweck es erlaubt. Beispielsweise wird bei manchen Klebstoffen die chemische Unbeständigkeit von Kunststoffen gegenüber einem Lösungsmittel ausgenutzt, indem das Material im Bereich der Klebestelle angelöst wird (Verlust der mechanischen Festigkeit), wodurch eine Vermischung des Materials der beiden Klebeteile ermöglicht wird. Nachdem das Lösungsmittel verdampft ist, härtet die Klebestelle wieder aus und es bleibt eine feste Verbindung. Der Kunststoff wäre für den Bau eines Behälters für das betreffende Lösungsmittel dagegen vollkommen ungeeignet.

Phänomenologie bei Kunststoffen

In den meisten Fällen äußert sich eine unzureichende Chemische Beständigkeit in einer Quellung oder Erweichung, die zum Verlust der Gebrauchstauglichkeit führen kann. Die Moleküle des Mediums diffundieren in den Raum zwischen die Polymerketten ein und schieben sie auseinander. Da Diffusionsprozesse temperaturabhängig sind, gelten Angaben zur chemischen Beständigkeit stets nur für die angegebene Temperatur. Dies ist von besonderer Wichtigkeit, wenn tabellierte Daten zur chemischen Beständigkeit nur für Raumtemperatur vorliegen, der Kunststoff aber bei höheren Temperaturen eingesetzt werden soll.

Häufiger kommt es zur auch von Metallen bekannten Spannungsrissbildung. Dabei bilden sich zunächst Mikrorisse (verstreckte Zonen, auch Crazes genannt), die bei mechanischer Beanspruchung zu großen Rissnetzwerken wachsen können. Nur in wenigen Fällen kommt es auch zu einem Kettenabbau (siehe Oxidativer Abbau).

Im Gegensatz zur Korrosion von Metallen gibt es bei Kunststoffen nur selten chemisch bedingten Materialabtrag.

Ermittlung

Die chemische Beständigkeit wird zumeist im Immersionsversuch bestimmt. Methoden zur Ermittlung der Spanungsrissbeständigkeit sind der ESC-Versuch (Environmental Stress Cracking) und der Zeitstandzugversuch in Medien. Dieser und andere Tests aus dem Gebiet der Umweltsimulation erlauben die Auswahl eines geeigneten Werkstoffes.

Der Nachweis der Chemischen Beständigkeit eines Materials oder einer Oberfläche kann auch in Anlehnung an ISO 2812-1[1] (Eintauchverfahren) oder ISO 2812-4[2] (Tropf-/Fleckverfahren) bestimmt werden. Dabei wird das Material oder die Oberfläche über einen längeren definierten Zeitraum mit den entsprechenden Chemikalien belastet und die belastete Stelle anschließend mikroskopisch begutachtet. Veränderungen die festgestellt werden können sein:

  • Verfärbungen
  • Veränderung des Glanzgrades
  • Erweichung
  • Quellungen
  • Ablösung von Beschichtungen
  • Blasenbildung

Nach der zeitlich definierten Belastung wird die Materialoberfläche von Prüfflüssigkeitsresten befreit und auf sichtbare Veränderungen nach DIN EN ISO 4628-1 bis -5[3][4][5][6][7] überprüft und ausgewertet. Zum Ermitteln einer eventuellen Regenerationszeit wird die Beurteilung direkt im Anschluss und nach einer Stunde nach dem Entfernen der Prüfflüssigkeit durchgeführt. Nach DIN EN ISO 4628-1 werden folgende Kriterien in die Klassen 0 bis 5 eingeteilt: Menge der Schäden (N), Größe der Schäden (N) und Intensität der Veränderungen (I). Andere beobachtete Unregelmäßigkeiten werden ebenfalls genannt.
Die Auswertung erfolgt nach folgendem Schema:
„Blasenbildung, N2-S2“ oder „Verfärbung, I1“
Eine mögliche Aufkonzentrierung einer Prüfflüssigkeit auf einer Oberfläche durch Eintrocknen in der realen Reinraumumgebung muss berücksichtigt werden. Durch diese Prüfprozedur kann nachgewiesen werden ob ein Material oder eine Oberfläche über einen bestimmten Zeitraum, gegenüber einer bestimmten Chemikalie „beständig“, „bedingt beständig“ oder „nicht beständig“ ist.

Referenzen

  1. ISO 2812 Beschichtungsstoffe - Bestimmung der Beständigkeit gegen Flüssigkeiten – Teil 1: Eintauchen in Flüssigkeiten außer Wasser (ISO 2812-1:2007); Deutsche Fassung EN ISO 2812-1:2007
  2. ISO 2812 Beschichtungsstoffe - Bestimmung der Beständigkeit gegen Flüssigkeiten Teil 4: Tropf-/Fleckverfahren (ISO 2812-4:2007); Deutsche Fassung EN ISO 2812-4:2007
  3. ISO 4628-1 Beschichtungsstoffe-Beurteilung von Beschichtungsschäden - Bewertung der Menge und der Größe von Schäden und der Intensität von gleichmäßigen Veränderungen im Aussehen - Teil 1: Allgemeine Einführung und Bewertungssystem (ISO 4628-1:2003); Deutsche Fassung EN ISO 4628-1:2003
  4. ISO 4628-2 Beschichtungsstoffe-Beurteilung von Beschichtungsschäden - Be-wertung der Menge und der Größe von Schäden und der Intensität von gleichmäßigen Veränderungen im Aussehen - Teil 2: Bewertung des Blasengrades (ISO 46282:2003); Deutsche Fassung EN ISO 46282:2003
  5. ISO 4628-3 Beschichtungsstoffe-Beurteilung von Beschichtungsschäden - Bewertung der Menge und der Größe von Schäden und der Intensität von gleichmäßigen Veränderungen im Aussehen – Teil 3: Bewertung des Rostgrades (ISO 4628-3:2003); Deutsche Fassung EN ISO 4628-3:2003
  6. ISO 4628-4 Beschichtungsstoffe-Beurteilung von Beschichtungsschäden - Bewertung der Menge und der Größe von Schäden und der Intensität von gleichmäßigen Veränderungen im Aussehen - Teil 4: Bewertung des Rissgrades (ISO 46284:2003); Deutsche Fassung EN ISO 46284:2003
  7. ISO 4628-5 Beschichtungsstoffe-Beurteilung von Beschichtungsschäden - Bewertung der Menge und der Größe von Schäden und der Intensität von gleichmäßigen Veränderungen im Aussehen - Teil 5: Bewertung des Abblätterungsgrades (ISO 46285:2003); Deutsche Fassung EN ISO 46285:2003

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