Chemikalienbeständigkeiten
Einleitung
Normalerweise wird der Begriff „chemische Beständigkeit“ verwendet, obwohl eine absolute Beständigkeit nie gegeben ist.
Die chemische Beständigkeit beschreibt, wie die Beständigkeitseigenschaften von Polymeren mit den chemischen Medien (z.B. Luft, Gas, Wasser, Fett) zusammenspielen.
Das bedeutet, dass die Substanzen die Polymere beeinflussen, gleichzeitig aber auch die Polymere die chemischen Agenzien beeinflussen. Einige Polymere beeinflussen z.B. die Fettkonsistenz, so dass das Fett die Polymere negativ beeinflusst.
Einwirkung auf den Kunststoff
Chemische Wirkstoffe reagieren mit den primären Valenzbindungen und verändern die Eigenschaften der Polymere unumkehrbar. In diesem Fall reißt die Kette, verkürzt sich also und führt zu einer Versprödung der Polymere. Die Polymere reagieren mit Erweichung und quellen bis zu ihrer Auflösung im Mittel. Schon ein kleiner chemischer Angriff kann zu starken Eigenschaftsänderungen führen.
Physikalische Wechselwirkungsagenzien reagieren nicht mit den Polymeren, aber sie reduzieren deren physikalische Bindungskräfte. Das Mittel dringt in die leeren Bereiche der Ketten ein, breitet sie aus und vergrößert den Raum zwischen den Ketten, wodurch es eine Verringerung der sekundären Valenzbindungskräfte bewirkt. Diese Reaktion erfolgt bis zum Erreichen eines Gleichgewichtszustandes. Die Polymere reagieren mit Erweichung und Quellung. Wenn das Mittel aus den Polymeren extrahiert wird, stellen sie die ursprünglichen Eigenschaften nahezu wieder her.
Angewendet wird diese physikalische Beeinflussung, z.B. bei der Konditionierung von Polyamid. Durch die Aufnahme von Wasser (Medium) erweicht das Polyamid vom harten und spröden Zustand in einen zäh-elastischen Zustand.
Einflussparameter
Die Einwirkungsintensität der chemischen Agenzien hängt von folgenden Parametern ab:
Temperatur
Mit steigender Temperatur steigt auch die Brownsche Molekularbewegung. Die relevanten Prozesse laufen je 10°C Temperaturerhöhung 3 bis 4 mal schneller ab.
Steigt die Temperatur über die Glasübergangstemperatur, tritt eine sprunghafte Reduktion der Beständigkeit auf.
Einwirkzeit
Mit steigender Einwirkzeit nimmt die Beständigkeit ab.
Konzentration
Bei wässrigen Lösungen nimmt die Beständigkeit mit steigender Konzentration ab.
Kristallisationsgrad
Ein größerer Anteil von kristallinem Gefüge erhöht die Beständigkeit, da das kristalline Gefüge dichter gepackt ist und ein Eindringen des Mediums erschwert wird.
Füllstoffe
Füllstoffe wie z.B. Fasern reduzieren die Beständigkeit. Fasern wirken wie Kapillare und ermöglichen dem Medium schneller in das Innere des Kunststoffes einzudringen. Im Gegensatz dazu führen Fasern zu einer Reduktion der Gefügedeformation durch
Spannungen und somit zu einer Verbesserung der Beständigkeit gegen Spannungsrisse.
Inneres Spannungsniveau des Kunststoffs
Durch innere Spannungen wird das Gefüge deformiert und es entstehen Freiräume, die es dem Medium erleichtern einzudringen. Die Beständigkeit wird somit reduziert. Die durch Spannungen erzeugten Freiräume sind bei amorphem Gefüge um ein Vielfaches größer als bei einem kristallinen Gefüge, woraus eine größere Spannungsrissempfindlichkeit bei amorphen Kunststoffen resultiert.
Spannungsrissempfindlichkeit
Werden amorphe Kunststoffe mit Spannungen beaufschlagt – dies können auch innere Spannungen, hervorgerufen durch die Verarbeitung sein – deformiert sich die Gefügestruktur.
Es entstehen Freiräume, die es bestimmten spannungsrissauslösenden Medien ermöglichen, leicht und tief in den amorphen Kunststoff einzudringen.
An diesen Stellen entstehen tiefe Risse (crazes), die zum Versagen führen können. Nur mechanische Spannungen oder nur einwirkende Medien verursachen derartige Beschädigungen nicht. Bei amorphen Kunststoffen wie z.B. ZX-410 und ZX-410V7T muss deswegen auch die Spannungsrissempfindlichkeit vor dem Einsatz in Chemikalien überprüft werden.
In diesem Fall bitten wir Sie uns zu kontaktieren.
Chemikalienbeständigkeit der ZEDEX® Hochleistungskunststoffe
Um festzustellen, ob ein ZEDEX® Hochleistungskunststoff gegen eine bestimmte chemische Substanz beständig ist, stehen folgende fünf Möglichkeiten zur Verfügung:
1. Relative Beständigkeit
Die Tabelle dient zum relativen Vergleich der Beständigkeit von ZEDEX® Hochleistungskunststoffen gegenüber Chemikalien
2. Chemikalienliste
In der Chemikalienliste sind die Beständigkeiten von ZEDEX® Werkstoffen gegenüber Chemikalien in Abhängigkeit von Temperatur und Konzentration alphabetisch aufgeführt.
3. Synonymliste
Oft kommt es vor, dass Chemikalien auch unter mehreren Namen bekannt sind. In der Synonymliste sind solche Chemikalien den entsprechenden Stoffen aus der Chemikalienliste zugeordnet.
4. Chemikaliengruppenliste
Mit Hilfe der chemischen Formel können Chemikalien in chemische Gruppen eingeteilt werden.
| Chemische Gruppe | Typische Vertreter |
|---|---|
| Aldehyde / Ketone | Acetaldehyd |
| Aceton | |
| Methylethylketon | |
| Alkohole / Glykole | Diethylenglykol |
| Ethanol | |
| Glycerin | |
| Isopropanol | |
| Methanol | |
| Trichlorethanol | |
| Aliphatische Kohlenwasserstoffe | Acetylen |
| Methan | |
| Octan | |
| Amide | Acetamid |
| Dimethylacetamid | |
| Dimethylformamid | |
| Formamid | |
| Amine | Anilin |
| Dimethylamin | |
| Ethylendiamin | |
| Triethylamin | |
| Aromatische Kohlenwasserstoffe | Benzol |
| Toluol | |
| Halogenierte Kohlenwasserstoffe | Tetrachlorkohlenstoff |
| Fluor-Chlor-Kohlenwasserstoff (FCK) | |
| Tetrachlorethylen | |
| Trichlorethan (1,1,1-) | |
| Trichlorethylen | |
| Ester | Amylacetat |
| Ethylacetat | |
| Ether | Ether |
| Isopropylether | |
| Halogene | Chlor (flüssig) |
| Chlorgas (trocken) | |
| Anorganische Säuren | Salzsäure |
| Phosphorsäure | |
| Schwefelsäure | |
| Anorganische Alkalien | Ammoniumhydroxid |
| Natronlauge | |
| Nitrile | Acetonitril |
| Acrylnitril | |
| Organische Säuren | Essigsäure |
| Ameisensäure | |
| Oleinsäure | |
| Phenole | Phenol |
| Anorganische Salze | Kaliumcarbonat |
| Kaliumchlorat | |
| Kaliumchlorid | |
| Kaliumsulfat |
5. pH-Grenzwertliste
Mit Hilfe der pH-Grenzwertliste kann die chemische Beständigkeit von Kunststoffen gegenüber anorganischen Säuren, Alkalien und Salze ermittelt werden. Hierzu sind in der linken Tabelle die pH-Werte einiger Substanzen als typische Bespiele aufgeführt. Zusätzlich sind in der rechten Tabelle die Grenzwerte für ZEDEX® Werkstoffe zu finden. Wenn sich der pH-Wert der eingesetzten Chemikalie zwischen den beiden Grenzwerten befindet, ist der Werkstoff mit hoher Wahrscheinlichkeit gegen die Chemikalie beständig.
| Substanz | pH-Wert | Art |
|---|---|---|
| Batteriesäure | < 0 | sauer |
| Magensäure (nüchterner Magen) | 1,0 - 1,5 | |
| Zitronensaft | 2,4 | |
| Cola | 2,0 - 3,0 | |
| Essig | 2,5 | |
| Fruchtsaft der Schattenmorelle | 2,7 | |
| Orangen- und Apfelsaft | 3,5 | |
| Wein | 4 | |
| Saure Milch | 4,5 | |
| Bier | 4,5 - 5,0 | |
| Saurer Regen | < 5,0 | |
| Kaffee | 5 | |
| Tee | 5,5 | |
| Regen (natürlicher Niederschlag) | 5,6 | |
| Mineralwasser | 6 | |
| Milch | 6,5 | |
| Wasser (je nach Härte) | 6,0 - 8,5 | sauer bis alkalisch |
| Menschlicher Speichel | 6,5 - 7,4 | |
| Blut | 7,4 | alkalisch |
| Meerwasser | 7,5 - 8,4 | |
| Pankreassaft (Darmsaft) | 8,3 | |
| Seife | 9,0 - 10,0 | |
| Haushalts-Ammoniak | 11,5 | |
| Bleichmittel | 12,5 | |
| Beton | 12,6 | |
| Natronlauge | 13,5 - 14,0 |
| Werkstoff | ph-Wert Untergrenze | ph-Wert Obergrenze |
|---|---|---|
| ZX-100K | 1 | 9 |
| ZX-100EL55 | 1 | 9 |
| ZX-100EL63 | 1 | 9 |
| ZX-100MT | 1 | 9 |
| ZX-324 | 1 | 14 |
| ZX-324V1T | 1 | 10 |
| ZX-324V2T | 1 | 14 |
| ZX-324V3T | 1 | 14 |
| ZX-324V11T | 1 | 10 |
| ZX-324VMT | 1 | 14 |
| ZX-410 | 1 | 9 |
| ZX-410V7T | 1 | 9 |
| ZX-410VMT | 1 | 9 |
| ZX-530 | 1 | 14 |
| ZX-530CD3 | 1 | 14 |
| ZX-530EL3 | 1 | 14 |
| ZX-530EL3AG2 | 1 | 14 |
| ZX-530KF15 | 1 | 14 |
| ZX-550 | 1 | 14 |
| ZX-550PV | 1 | 14 |
| ZX-750V5T | 1 | 9 |
| ZX-750V5KF | 1 | 9 |
Sterilisation
Das Wort Sterilisation beschreibt das Verfahren zur Beseitigung von Mikroorganismen aus Materialien und Gegenständen.
Nach diesem Verfahren werden die Materialien und Gegenstände mit dem Begriff „steril“ bezeichnet. Durch die Sterilisation der Gegenstände würden theoretisch alle Mikroorganismen, die zu den Gegenständen gehören oder an ihnen hängen, vernichtet und somit die Sporenformen, Viren, Prionen (proteinhaltige infektiöse Partikel), Plasmide und andere DNA-Fragmente abgetötet.
In der Praxis ist eine vollständige Sterilisation mit einer Zuverlässigkeit von 100 % nicht zu erreichen. Daher kann man je nach gewünschter Anwendung von einer Reduktion der Mikroorganismenzahl eines bestimmten Faktors (in Zehnerpotenzen) oder von einer Möglichkeit der Vollsterilisation sprechen.
So kann z.B. verlangt werden, dass der Restgehalt der Mikroorganismen eines Sterilisiergutes maximal 10-6 c.f.u. (koloniebildende Einheiten) beträgt. Das bedeutet, dass die Möglichkeit einen Mikroorganismus zu finden, maximal eins zu einer Million beträgt. Betrachtet man die technische Definition der Desinfektion, kann man feststellen, dass die Sterilisation im Allgemeinen eine größere Wahrscheinlichkeit (hoch 10) für eine vollständige Sterilisation.
Die Sterilisation kann durch physikalische (Wärme, Strahlung) oder chemische Verfahren erreicht werden.
Chemische Sterilisation
Mit dem Ausdruck „chemische Sterilisation“ bezeichnet man eine Sterilisation mit bestimmten chemischen Stoffen, wie z.B. Formaldehyd oder Peressigsäure.
Die chemische Sterilisation wird in der Regel bei thermolabilen Materialien angewandt.
Bei thermostabilen Materialien ist immer eine Dampfsterilisation einer chemischen Sterilisation vorzuziehen.
Nassantiseptik
Die Abtötung der Mikroorganismen erfolgt durch Chemikalien, welche in flüssiger Form auf die zu sterilisierenden Gegenstände aufgebracht werden.
Zum Beispiel wird in der Getränketechnik mit Wasserstoffperoxid, gelöstem Ozon oder Peressigsäure sterilisiert. Ein kritischer Parameter bei allen nassantiseptischen Verfahren ist die Temperatur der sterilisierenden Lösung.
Um die hemikalien vom sterilisierten Objekt zu entfernen, wird typischerweise anschließend mit sterilem Wasser gewaschen.
Trockenantiseptik
Mit „Trockenantiseptik“ bezeichnet man eine nicht scharf definierte Gruppe von Sterilisationsverfahren.
Die Abtötung erfolgt mit Gasen die auf die trockenen, zu sterilisierenden Gegenstände einwirken. Gassterilisation erfolgt beispielsweise mit Formaldehyd, Ethylenoxid, Ozon oder Wasserstoffperoxid.
Sie kommt vielfach in der altantiseptischen Abfüllung von Lebensmitteln, insbesondere Getränken, zur Anwendung: Die zu sterilisierenden Objekte, meist Kunststoffflaschen aus PET oder HDPE, werden vor ihrer Befüllung zunächst mit abtötenden Chemikalien, wie insbesondere Peressigsäureprodukten, ausgewaschen (Nassantiseptik) und dann erfolgt eine
weitere Abtötung von Mikroorganismen mit Gasen, vorzugsweise mittels gasförmig zugeführtem Wasserstoffperoxid*.
[*] https://de-academic.com/dic.nsf/dewiki/1330984‘Chemische_Sterilisation
Dampfsterilisation
Die Dampfsterilisation (Erhitzen im Autoklaven) ist das Standardverfahren. Die Luft im Inneren des Autoklaven wird dabei vollständig durch Wasserdampf ersetzt. Die tatsächliche Dauer und erforderliche Temperatur eines Sterilisationsvorganges hängt von der Ausführung der Autoklaven und von der Resistenz der Krankheitserreger ab.
Das Sterilisiergut wird 20 Minuten auf 121 °C bei zwei bar Druck in Wasserdampf erhitzt oder 5 Minuten auf 134 °C bei 3 bar. Zur Zerstörung von Prionen wird 18 Minuten auf 134 °C bei 3 bar erhitzt. [*]
* https://de-academic.com/dic.nsf/dewiki/1330984‘Chemische_Sterilisation
Heißluftsterilisation
- Das Ausglühen von metallischen Gegenständen durch Rotglut, etwa 500 °C, ist gebräuchlich bei mikrobiologischen Laborarbeiten.
- Das Abflammen (Flambieren) ist ein kurzes Ziehen des Gegenstandes durch eine Flamme.
- Heißluftsterilisation für Glas, Metalle, Porzellan („backen“), bei
180 °C mindestens 30 min
170 °C mindestens 60 min
160 °C mindestens 120 min.
Strahlensterilisation
Sterilisation mit ionisierender Strahlung: entweder mit UV-, Röntgen-, Gammastrahlung (hauptsächlich radioaktive 60Co-Quellen) oder Elektronenbeschuss (Elektronenstrahlsterilisation; Strahlenergie zwischen 3 und 12 MeV, typische Dosis 25 kGy).
Bei der industriellen Auftragssterilisation (z. B. von medizinischen Einwegartikeln) werden Gamma oder Elektronenbestrahlung in größerem Umfang eingesetzt. [*]
* https://de.wikipedia.org/wiki/Sterilisation#Strahlensterilisation
Reaktion des Kunststoffes
Je nach Polymertyp bestehen die Reaktionsmechanismen auf die Einwirkung von energiereicher Strahlung aus Kettenspaltung, Kettenverzweigung oder Vernetzung.
Als Folge dieser Reaktionen können auch Wochen nach dem Bestrahlungsvorgang folgende Veränderungen auftreten:
- Verfärbung
- Gasseparation
- Geruchsbildung
- Vernetzung; Versprödung
- Verfestigung; Weichmachung
- Abbau (Spaltung der Molekülketten)
- Molmassenveränderung
- Verbesserung oder Verschlechterung der mechanischen und chemischen Eigenschaften
- Veränderung der Schmelz- und
Glasübergangstemperatur - Toxikologische Veränderung
Energiereiche Strahlung
Die Energiedosis versteht man als die pro Masseeinheit wirkende Strahlungsenergie [Si].
Die Einheit ist [J / kg] oder [Gy]; die alte Einheit ist [Rad].
Die Umrechnung erfolgt nach 1 J / kg = 1 Gy = 100 rad. Die
Dosisleistung [Gy / s] gibt an, wie schnell die Energie absorbiert wird .
Zwischen Elektronen, Röntgen- und Gammastrahlung besteht hinsichtlich der Strahlenwirkung, bei gleicher Dosis und Dosisleistung, kein direkter Unterschied im Bezug auf die Veränderung der Kunststoffeigenschaften. Jedoch ergibt sich ein „indirekter” Unterschied zwischen der Elektronen- und Gammabestrahlung. Bei der Bestrahlung findet ein oxidativer Abbau statt.
Dieser ist bei gleicher Dosis und Dosisleistung bei der Elektronenbestrahlung vielfach höher als bei Gammabestrahlung.
Relative Beständigkeit gegen energiereiche Strahlung
Die folgende Abbildung fasst die reine Strahlungsbeständigkeit von Kunststoffen zusammen. Als Eigenschaftsgrenzwert ist der Abfall der Bruchdehnung um –25 % vom Ausgangswert verwendet worden.
Erkennbar sind die allgemeinen Zusammenhänge, dass Duroplaste beständiger sind als Thermoplaste und aromatische Kunststoffe beständiger als aliphatische Kunststoffe. Kunststoffe mit geringerer Dichte weisen eine höhere Beständigkeit auf.
Beurteilung der Strahlenbeständigkeit
der ZEDEX® Kunststoffe
ZX-410 weist eine hohe Beständigkeit gegenüber Gamma- und Betastrahlung auf. Nach Bestrahlung mit 15000 kGy (Elektronenstrahl 2 MeV; 5 kGy/s) besitzt ZX-410 noch 90 % seiner Zugfestigkeit.
ZX-324V1T ist gegenüber Alpha-, Beta- und Gammastrahlen sehr beständig. Eine Gammastrahlendosis von 10000 kGy bewirkt nahezu keine Schädigung.
