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Kunststoffanalyse Detektiv für Kunststoffthemen

Autor / Redakteur: Irene Fenners-Wermbter* / Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Das Currenta-Labor für Oberflächenanalytik liegt weder an der Baker-Street noch in London. Jedoch erinnert das Vorgehen der Analytiker im Chempark Leverkusen bei den vielfältigen möglichen Kunststoffanalysen schon sehr an Detektivarbeit.

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(Bild: Currenta)

Mit so wenig Analyseschritten, Aufwand und somit Kosten für den Kunden wie möglich geht es dem Labordienstleister Currenta darum, zum Beispiel die Ursache für Fehler an der Oberfläche, Strukturdefizite oder den chemischen Aufbau eines Kunststoffs zu entschlüsseln.

Die Langlebigkeit und Beständigkeit von Kunststoff-Formteilen, -Halbzeugen oder -Folien gegenüber mechanischen Belastungen oder Sonneneinstrahlung hängt vor allem von der korrekten Verarbeitung und Zusammensetzung ab.

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Wie bei einem guten Whisky bestimmt die Balance der verwendeten Material-Komponenten (Blend) das Gesamtergebnis. Da Kunststoffverarbeiter die Ingredienzen für ihren Werkstoff-Blend, zum Beispiel Polystyrol, Polyethylen und Füllstoffe wie TiO2, im zunehmenden Maße rund um den Globus von unterschiedlichen Lieferanten beziehen, spielt die Qualitätskontrolle schon beim Einkauf eine immer größere Rolle.

Materialversagen bei nicht geänderter Produktionsweise

Manchmal passiert es aber auch, dass Materialfehler erst beim fertigen Produkt oder einer bestimmten Charge entdeckt werden. Dann zahlt sich das Fachwissen eines auf Kunststoffe spezialisierten Labors wie das der Currenta Analytik in Leverkusen aus. Ein Hersteller von Koffern hatte sich an das 15-köpfige Team der Oberflächen- und Festkörperanalytik rund um Dr. Alexander Karbach gewendet, da eine Serie nicht über die gewohnte Stabilität verfügte. In enger Absprache mit dem Kunden und ergebnisoffen ausgerichtet, begannen die Untersuchungen, die klären sollten, wie es zu dieser Reklamation trotz gleichbleibender Zusammensetzung und unverändertem Herstellungsverfahren kommen konnte.

Eine korrekte Probenahme und -vorbereitung sind entscheidende Grundlagen für exakte Analyseergebnisse und die richtigen Schlussfolgerungen. Zunächst spannten die Leverkusener Analyseexperten Kofferproben in der laboreigenen Zugmaschine ein, um die Elastizität festzustellen. Schon hier zeigte sich, dass das Material wohl zu weich ist und sich zu stark verformt. Nun galt es, zu klären, in welcher Komponente des Polymerblends innerhalb der Kofferwand die Ursache dafür zu finden ist. Dazu schnitten die Oberflächenanalytiker einen Querschnitt aus dem Behälter, um mit einem Rasterkraftmikroskop die Kofferwand zwischen Innen- und Außenseite abzutasten. Innerhalb kurzer Zeit gelang es damit, den zu elastischen Bereich auf Bruchteile von Mikrometern punktgenau einzugrenzen.

Der nächste Analyseschritt, die IR-Mikroskopie, identifizierte den Stoff, der dort für die mechanischen Defizite verantwortlich gemacht werden kann. Somit konnte bereits nach drei Analysen, die insgesamt nur wenige Stunden dauerten, die Ursache gefunden werden – eine falsch gewählte Polyethylen-Spezies.

Wissen spart Geld und verbessert Prozesse

Auf Grundlage einer Analyse lassen sich mitunter weitreichende, kostspielige Reklamationen von Kundenseite verhindern sowie rechtliche und finanzielle Ansprüche gegenüber Lieferanten geltend machen. Mit diesem Wissen können aber vor allem Produktionsschritte weiter optimiert, Fehlerquellen eliminiert und langfristig die Qualität gesteigert werden.

„Dank unserer vielfältig einsetzbaren und modernen Geräte können wir natürlich die verschiedensten Produkte, bei denen Kunststoffe Verwendung finden, untersuchen“, erklärt Karbach. Es komme aber vor allem darauf an, den Kunden zu beraten und mit ihm gemeinsam die richtige Lösung zu finden, mit so wenig Aufwand und Kosten wie gerade erforderlich. „So haben wir zum Beispiel die häufig wiederkehrende Anfrage zur Fehlstellen- und Strukturanalyse inklusive organischer Bestandteile soweit optimiert, dass wir sie zu einem sehr attraktiven Preis-/Leistungsverhältnis anbieten können“, erläutert der Leiter der Oberflächen- und Festkörperanalytik.

Genaue Untersuchung durch Rasterelektronenmikroskopie

Das verwendete Magellan-Rasterelektronenmikroskop vereint ein Durchlichtmikroskop, bei dem die Probe durchstrahlt wird, mit einem Auflichtmikroskop, das die Oberfläche einer Probe beleuchtet. Mit dem eingebauten Röntgendetektor lassen sich die gefundenen Elemente darüber hinaus in einem Arbeitsschritt nanometergenau analysieren. Die Kombination in einem Gerät vereinfacht die Einstellungen und sorgt für schnellere und exaktere Ergebnisse. Das Mikroskop eignet sich besonders für temperaturempfindliche Proben, wie Zellen, Viren oder auch Kunststoffe, da der heiße Elektronenstrahl im Gegensatz zu anderen Rasterelektronenmikroskopen vor dem Auftreffen auf die Probe abgekühlt wird. Mit ihm können auch größere Materialstücke oder bis zu sechs Proben in einem Schritt analysiert werden.

Es ist aber auch Detektivarbeit möglich. So suchte ein Currenta-Kunde nach der exakten chemischen Zusammensetzung eines Klebers. Im Zusammenspiel mikroskopischer und diverser spektroskopischer Techniken fanden die Currenta-Analytiker auch auf diese Frage eine Antwort.

Ihr Know-how und die technische Ausstattung rund um das Thema Kleber waren auch für eine weitere Kundenanfrage von Vorteil: Denn bei Sitzen im öffentlichen Nahverkehr kam es schon nach kurzer Zeit zu Rissen an der Oberfläche und Ablösungen von Sitzflächen. Da die Möbel mit vielen Schichten und Folien komplex bezogen, aber vor allem verklebt waren, wurde rasch die Vermutung geäußert, dass sich die Ursache auf eine mangelhafte Verklebung zurückführen lässt.

Jedoch stellte sich die Frage, wie kann ich den Fehler in einer hauchdünnen Schicht finden und nachweisen. Die Antwort lieferte das Härte-Messverfahren Nano-Indenter. Mit dieser Technologie, die mit einem Diamanten Materialhärte und Elastizitätsmodul selbst in einer wenige Mikrometer dünnen Kleberschicht misst, konnten die fehlerhaften Verklebungen im komplex aufgebauten Sitz exakt lokalisiert werden.

Weitreichendes Wissen und gute Vernetzung

Für einige Kunden ist gerade auch das chemische Know-how der Oberflächenanalytiker von großer Bedeutung, wenn es zum Beispiel um grundlegende Fragen geht, welche Reinigungsflüssigkeit oder Chemikalie das Zwischen- und Endprodukt angreifen und beschädigen können. „Neben dem meist über Jahrzehnte gewachsenen Know-how hat der Rückgriff auf unsere Datenbanken mit Vergleichsproben sowie der alltägliche Umgang mit Formularen, zum Beispiel Sicherheitsdatenblätter, dazu beigetragen“, weiß Karbach zu berichten.

Darüber hinaus kann das Team bei Bedarf auf die Kompetenzen und Verfahren anderer Analytikfachbereiche der Currenta zurückgreifen. Im Zusammenspiel mit weiteren Geschäftsfeldern bietet sich dem Kunden somit eine große Flexibilität für vielfältige Analyseaufgaben und in dringenden Fällen liegen sehr schnell Ergebnisse vor.

* *I. Fenners-Wermbter: Currenta GmbH & Co. OHG, 51368 Leverkusen

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