Laut chemischer Definition handelt es sich bei der Korrosion um eine Chemiereaktion eines Werkstoffs mit Stoffen der Umgebung, die zu einer Veränderung des Werkstoffes führen. Näheres bezüglich der Korrosion ist in der DIN EN ISO 8044 nachzulesen. Meistens wird die Anforderung „Hohe Korrosionsbeständigkeit“ mit Metallen in Verbindung gebracht. Jedoch gilt die erstmals 1975 formulierte Norm für alle Werkstoffe, so auch für Kunststoffe. Die Korrosionsprozesse gestalten sich zwar anders als bei den Komponenten aus Metall, sie rufen aber ebenso Beschädigungen hervor, die zum „Versagen“ von Bauteilen führen können. Daher muss es Ziel sein, bei den in vielen Bereichen vorkommenden technischen Kunststoffen per Beschichtung oder Rezeptur eine dauerhafte Beständigkeit herzustellen.
Schadensbilder bei Kunststoffen
Kunststoffe sind analog zu metallischen Werkstoffen korrosiven Einflüssen ausgesetzt sind und reagieren infolgedessen gleichermaßen. Veränderungen oder Beeinträchtigungen der Produkte, Bauteile oder Komponenten sind zu erwarten. Folgende Veränderungen können bei permanentem Kontakt von Polymeren mit anderen flüssigen, pastösen oder festen Stoffen oder unter bestimmten Umgebungstemperaturen bzw. -bedingungen auftreten:
- Aufquellen,
- Rissbildung (Mikrorisse, Spannungsrisse etc.),
- Verfärben, Vergilben,
- Verspröden,
- Veränderung von Gewicht bzw. Volumen,
- Bildung von Blasen,
- Veränderung durch UV-Strahlen (z.B. Vernetzen oder Aufbrechen von chemischen Verbindungen),
- Alterung, Ermüdung, Ausschwitzen,
- thermische und chemische Zersetzung.
Je nach den Eigenschaften und der chemischen Zusammensetzung des Kunststoffes können unterschiedliche Auswirkungen durch Umgebungseffekte auftreten. Während Duroplaste durch ihre Vernetzung meist hohe mechanische Spannungen und Druck aushalten, kann sich bei Thermoplasten, die nicht so gut wie Duroplaste vernetzt sind, unter mechanischer Belastung ein Kaltfließen entwickeln.
Der Begriff „Degradation“ – ob chemisch, physikalisch oder durch Mikroorganismen – steht für den Abbau und Zerfall von Kunststoffen, der die o. g. Erscheinungen voraussichtlich nach sich ziehen wird. Abgesehen von biologisch abbaubaren Polymeren ist die Degradation ein Vorgang, der nicht erwünscht ist.
Da es in vielen Einsatzbereichen von großer Wichtigkeit ist, dass Teile und Komponenten über einen langen Zeitraum zuverlässig funktionieren, stehen den Herstellern verschiedene Instrumente zur Verfügung, um eine hohe Korrosionsbeständigkeit zu erzielen. Zum Beispiel vermindern Beschichtungen mit Lacken oder mit Stoffen, die UV-Strahlen absorbieren, die Anfälligkeit für Korrosion. Spezielle Kunststoff-Additive ermöglichen es, erwünschte bzw. unverzichtbare Materialeigenschaften zu erzielen.
Hohe Korrosionsbeständigkeit als zentrale Eigenschaft
Je nach Verarbeitungsverfahren und späterer Anwendung werden verschiedene Arten von Kunststoffen – Thermoplaste, Duroplaste, Elastomere – mit ihren jeweils charakteristischen Eigenschaften eingesetzt oder verbaut. Dank gezielt gewählter Hilfsstoffe können die Kunststoffmerkmale nutzungsbezogen ausgelegt werden. Nanoskalige Additive oder Masterbatches verhelfen einem Ausgangsmaterial sozusagen zur „Idealform“.
Zudem kann die Verwendung von Nanopartikeln einen wirtschaftlicheren Materialeinsatz und weniger störungsanfällige Verfahrensabläufe mit sich bringen. Zu den bedeutenden Produkteigenschaften, die per Nanotechnologie erzielt werden können, gehören:
- große Härte, Festigkeit,
- Schlagzähigkeit, Kratzfestigkeit,
- gute UV-Stabilität,
- hohe Korrosionsbeständigkeit,
- sicherer Strahlenschutz,
- reguliertes Brandverhalten,
- elektrische Leitfähigkeit,
- Wärmeleitfähigkeit u. v. m.
Es kann geschlussfolgert werden, dass die hohe Korrosionsbeständigkeit eines Werkstoffs die Abwehr von negativen Auswirkungen durch verschiedene äußere Einflüsse erheblich unterstützt.
Musterbeispiele für Kunststoffoptimierung
Wegweisende Materialentwicklungen basieren auf einem klug abgestimmten Zusammenwirken von Materialien, Hilfsstoffen, Bedingungen und Verfahren. Die Perfektionierung dieser Herangehensweise hat zahlreiche Produkte hervorgebracht, die zunächst innovativ waren, und wir heute als selbstverständlich wahrnehmen. Ein Beispiel: die Scheinwerferabdeckungen beim Pkw. Der Weg dorthin: Kunststoffbeschichtungen mit nanoskaligen Strukturen, die mechanische und chemische Attribute so weit optimieren, dass der Einsatz von Bauteilen aus Glas in bestimmten Segmenten gar nicht mehr erforderlich ist.
Ormocere des Fraunhofer-Instituts
Zur Marke haben es die sogenannten Ormocere als vom Fraunhofer-Institut unter dem Namen „ORMOCER®“ patentierte Produktklasse geschafft. Es handelt sich hierbei um polymere Hybridsysteme aus anorganischen und organischen Anteilen, deren Eigenschaften je nach Zusammensetzung der Strukturelemente variiert werden können. Anwendung findet die multifunktionale Lösung u. a. als:
- Schutzschicht auf verschiedenen Materialien, als Kleber, Folien
- in der Medizintechnik und als dentaler Werkstoff,
- Ausstattung für hohe Korrosionsbeständigkeit,
- kratzfeste und brillante Farbschichten
Masterbatches von GS Bavaria
Schlussendlich sind es immer die Fakten und Zahlen, die über den Erfolg einer Innovation oder die Weiterentwicklung eines Produkts entscheiden:
- 30 % höhere Festigkeit und
- 16 % höhere thermische Beständigkeit
- unter Zugabe von nur 1 % eines Additivs in den bestehenden Herstellungsprozess.
Diese Werte stellen die individuell zugeschnittene Lösung dar, die wir selbst für ein Industrieunternehmen entwickelt haben, das seinerseits faserverstärkte Kunststoffprofile herstellt. In zwei Testreihen wurden die Masterbatches der Serie NaPoly*300 in das Pultrusionsverfahren eingebracht. Das Ergebnis überzeugte den Kunden und trägt dazu bei, Kunststoffprodukte mit gesteigerten mechanischen Eigenschaften und thermischen Werten anbieten zu können.
Die Ertüchtigung eines Werkstoffs oder eines Materials wirkt einem späteren Verlust der Gebrauchstauglichkeit effektiv entgegen. Folglich ist für die Produkte aus Kunststoff eine anhaltend hohe Korrosionsbeständigkeit gewährleistet. Dies ist ein Faktor, der bei anspruchsvollen Anwendungen mit starken Einwirkungen von essenzieller Bedeutung ist.
„Schwache“ Werkstoffe sind nicht gefragt
Selbstverständlich gibt es in dem riesigen Einsatzspektrum der Kunststoffe zahlreiche Branchen und Bereiche, in denen ein Bauteil über einen langen Zeitraum hinweg zuverlässig, stabil und sicher zu funktionieren hat. Darin liegt wieder eine Parallele zum Werkstoff Metall, wie bereits in der Beitragseinleitung angeführt.
In ähnlicher Weise werden Kunststoffe einwandfrei und beständig benötigt als:
- tragende Elemente, selbsttragende Konstruktionen,
- sicherheitsrelevante Bauteile,
- Geräte, Gehäuse, Verkleidungen etc.,
- Komponenten, die unter Spannung stehen oder mechanischen Belastungen ausgesetzt sind,
- Teile eines flüssigkeitsführenden Systems
Unter Einsatz von Additiven ist es möglich, chemieresistente Kunststoffe herzustellen, die sich trotz dauerhaftem Kontakt mit Säuren oder Laugen nicht anlösen lassen. Weitere oft nachgefragte Stärken sind ebenfalls zu erzielen: z. B. die Beständigkeit gegen extreme Temperaturen, hohe Korrosionsbeständigkeit und die Standhaftigkeit bei dauerhafter Beeinflussung durch UV-Licht oder Strahlung.
Im Grundsatz geht es darum, mithilfe der Nanotechnologie die Stabilisierung der Werkstoffe zu erreichen, und spätere Abbaureaktionen abzuwenden. Darüber hinaus fügt sich das Bestreben ein, bestehende Fertigungsprozesse positiv zu beeinflussen. Dieser Anspruch ist dann von großer Bedeutung, wenn bestimmte Kunststoffe schon bei ihrer Verarbeitung intensiven thermischen und mechanischen Impulsen unterliegen. Die Umgebungseinflüsse im fertigen und eingebauten Zustand kommen „on top“.
Hohe Korrosionsbeständigkeit eruieren und sicherstellen
Die langfristige und zuverlässige Beständigkeit von Kunststoffen gegen Korrosion und deren Folgen ist unabdingbar. Fachverbände und Arbeitsgruppen, z. B. die GfKORR – Gesellschaft für Korrosionsschutz e. V. oder Forschungsgesellschaft Kunststoffe e. V. befassen sich mit dem Thema seit Jahren. Blieb die Kunststoffkorrosion zunächst etwas im Hintergrund, gehen Studien und Forschungen den Umständen nun intensiv auf den Grund. Das erklärte Ziel: hohe Korrosionsbeständigkeit für alle Produkte der Fertigungsindustrie.
Untersuchungen der mikrobiell beeinflussten Korrosion bei Kunststoffrohren haben ergeben, dass praktisch kein Kunststoff gegen einen Befall durch Mikroorganismen immun ist. Je nach Sorte und Anwendung kann es zu unerwünschten Eigenschaftsveränderungen kommen. Dem entgegenzusetzen sind:
- einerseits die Auswahl geeigneter Werkstoffe im Rahmen des Verfügbaren
- sowie die gezielte Modifikation einzelner Kunststoffgruppen, um diese widerstandsfähig gegenüber äußeren Einflüssen auszustatten und für die Belastungen, die bereits im Produktionsprozess auftreten können, zu konditionieren.
Funktionale Additive sind wichtige Bausteine dieser Lösung.
Fazit: Korrosion bleibt ein spannendes Thema
Hohe Korrosionsbeständigkeit ist und bleibt eine Eigenschaft, welche branchenübergreifend von Werkstoffen gefordert wird. Längst gibt es Methoden, um genau das zu ermöglichen. Doch gerade das Beispiel der mikrobiell beeinflussten Korrosion zeigt, dass es noch Luft nach oben gibt. Das Thema Korrosionsbeständigkeit ist damit noch längst nicht abgeschlossen – und bleibt nach wie vor spannend.
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