Sorption, Diffusion und Permeation

Bereits geringe Mengen an Wasser oder organischen Substanzen können als „Weichmacher“ im Kunststoff wirken und das Materialgefüge nachhaltig verändern. Um Feuchteaufnahme und Sorption von organischen Substanzen zu erfassen, stehen Sorptions- und Permeationsmessplätze zur Verfügung. Sorptionsisothermen, Permeationsraten und Diffusionskoeffizienten können bei verschiedenen Luftfeuchten und Temperaturen sowie in Dämpfen organischer Lösungsmittel und Flüssigkeiten bestimmt werden.

Die Kenntnis von Sorptionseigenschaften und der Permeation als Materialeigenschaft hilft bei der Entwicklung unterschiedlicher Produkte:

  • Kunststoffteile im Fahrzeugbau (z. B. bei Einwirkung von Kraftstoffen oder Ölen)
  • Kompositmaterialien im Leichtbau
  • Lacke, Beschichtungen und Klebstoffe
  • Kunststoffe im Bau (z. B. Folien, Geotextilien)
  • Materialien für Solarzellen oder Brennstoffzellen
  • Lebensmittel- und Pharmaverpackungen

Unter anderem sind Prüfungen nach folgenden Normen möglich:

  • DIN EN ISO 7783
  • ASTM E96

 

Die Sorptionswaagen des Typs VTI-SA+ (TA Instruments) erlauben die Bestimmung von Diffusions- und Sorptionskoeffizienten von Wasser und Dämpfen organischer Flüssigkeiten (z. B. Kraftstoffe, CKWs, Lösungsmittel).

Die Berechnung von Diffusionskoeffizienten erfolgt in der Regel auf Basis von Gleichungen, welche die Transportprozesse von Lösungsmitteln im Polymer beschreiben. Eine normgerechte Bestimmung nach ISO 62 oder ASTM D570 ist ebenfalls möglich.

Der Temperatureinsatzbereich bei Wasserdampfsorption liegt zwischen 5°C und 140°C. Die relative Luftfeuchtigkeit (rF) kann bis zu einer Temperatur von 55°C zwischen 0% rF und 98% rF eingestellt werden.

Zur Bestimmung von Permeationsraten stehen neben automatisierten Sorptionswaagen Permeationsmesszellen zur Verfügung. Die Bestimmung der Massenänderung erfolgt durch gravimetrische Messungen.

Als Permeat können vielerlei Dämpfe und Flüssigkeiten dienen:

  • Wasser
  • Wasserdampf
  • Organische Lösungsmittel (Ethanol, Benzol etc.)
  • Dämpfe organischer Lösungsmittel
  • Öle, Fette, Benetzungsmittel uvm.

Permeationsexperiment

Unter Permeation versteht man den Transport einer Substanz durch einen Festkörper. Aus Permeationsmessungen erhält man die Permeationsrate. Diese gibt an, wie viel Substanz pro Zeit durch einen Festkörper hindurchwandert. Permeation in defektfreien Materialien erfolgt über molekulare Mechanismen und ist durch die Sorptions- und Diffusionskoeffizienten charakterisiert. Da bereits geringe Mengen an Wasser oder organischen Substanzen das Materialgefüge verändern, entscheiden die Permeationseigenschaften über den Einsatzbereich und die Lebensdauer von Kunststoffen unter Medieneinwirkung. Für die Produktentwicklung, die Materialauswahl und eine zuverlässige Lebensdauervorhersage von Kunststoffen unter Medieneinwirkung benötigt man deshalb aussagefähige Materialdaten und muss die Wirkmechanismen verstehen.

Mit speziell an die jeweiligen Probenanforderungen angepassten Permeationsmesszellen wird der Stofftransport durch dünne Polymerproben gravimetrisch verfolgt. Dies ist auch für Kunststoffe mit i.d.R. geringen Diffusionskoeffizienten, wie beispielsweise Epoxidharz,  möglich (siehe Abbildung). Neben der Durchführung der Permeationsuntersuchungen unterstützen wie Sie auch bei der Probenherstellung und Präparation.

Sorptionsexperiment

Sorptionsexperimente dienen zu Bestimmung der Aufnahmefähigkeit eines Materials z.B. gegenüber Lösungsmittel- oder Wasserdampf (oberes Bild). Aus der Zeitabhängigkeit der Massenänderung lässt sich der Diffusionskoeffizient bestimmen.

Sorptionsisothermen beschreiben die partialdruck- bzw. luftfeuchtigkeitshängige Löslichkeit (unteres Bild). Aus der Form der Isothemen lassen sich Rückschlüsse auf den Typ der molekularen Ad- bzw. Absorptionsmechanismen ziehen.

Diese Materialdaten können für verschiedene Temperaturen und Luftfeuchtigkeiten bestimmt werden, sodass die spezifischen Einsatzbedingungen eines Kunststoffproduktes berücksichtigt werden.

Veröffentlichung:
Ingo Alig, Harald Oehler, Maike Bargmann und Daniel Kunkel, Sorptionsmessungen und dynamisch-mechanische Analyse zur Vorhersage der Wirkung von Feuchte und organischen
Substanzen auf die Kunststoffalterung
, in Würzburger Tage 2014 (Tagungsband, ISBN 878-3-940184-11-5), Wolfgang Kunze (Hrsg.), Seite 49-160.