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Polymeranalytik

TGA-FTIR zur Schadensaufklärung an Polymeren

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Partikelablösung von Nitrilkautschukdichtungen

Elastomere enthalten neben der Polymerbasis vor allem weichmachende Komponenten und Füllstoffe wie z.B. Ruß. Diese drei Komponenten lassen sich im TGA-Experiment anhand des Massenverlustes quantifizieren. Während Weichmacher typischerweise bis etwa 250 °C entweichen, zersetzt sich die Elastomerbasis erst bei höheren Temperaturen. Führt man die Aufheizung oberhalb 500 °C in Luft- statt Stickstoffatmosphäre durch, kann zusätzlich der Rußgehalt neben anderen Füllstoffen wie Siliziumdioxid ermittelt werden.

Beim untersuchten Schadensfall fanden sich im Einsatz bei erhöhten Betriebstemperaturen Abriebpartikel einer Dichtung aus Nitrilkautschuk in der mineralölbasierten Dämpferflüssigkeit. Nitrilkautschuke (Nitrile-Butadiene-Rubber, NBR) weisen je nach Acrylnitrilgehalt im Copolymer der Elastomerbasis unterschiedliche Verträglichkeiten mit Betriebsstoffen auf. Während ein hoher Acrylnitrilanteil eine gute Verträglichkeit mit unpolaren Mineralölen bewirkt, sind NBR-Dichtungen mit niedrigem Acrylnitrilanteil vergleichsweise unbeständig.

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Die Bestimmung des Acrylnitrilgehaltes im Copolymer kann anhand der Bildung von Cyanwasserstoff (HCN) in der Gasphase ermittelt werden. Dazu wurden im Vorfeld NBR-Materialien mit unterschiedlichen Acrylnitrilgehalten untersucht. Um die Menge an freigesetztem HCN zu ermitteln, wird eine Kalibration mithilfe eines Prüfgases mit bekannter HCN-Konzentration durchgeführt.

Variiert man die Zusammensetzung der Gasphase anhand unterschiedlicher Flüsse der einzelnen Massenflussregler der Thermowaage z.B. durch eine zunehmende Verdünnung des Prüfgases, kann sehr einfach eine Mehrpunkteichung durchgeführt werden. Es ist darauf zu achten, dass die Gasflüsse für Kalibration und Messung gleich sind. Anhand des Masseverlustes, der für die Zersetzung der NBR-Elastomerbasis verantwortlich ist, und der ermittelten gesamten Menge an gebildetem HCN in der Gasphase kann der Acrylnitrilanteil im Copolymer mit einer Genauigkeit von ±2 % ermittelt werden. Im vorliegenden Schadensfall wurde ein vergleichsweise niedriger Acrylnitrilgehalt im NBR festgestellt, der für die Unverträglichkeit und den erhöhten Abrieb verantwortlich zu machen ist. Die Unverträglichkeit wird zusätzlich durch vergleichsweise hohe Konzentrationen der Mineralölkomponente dokumentiert, die die Dichtung aufgenommen hat, und die im TGA-IR-Experiment nachgewiesen werden können.

Vor- und Nachteile, Grenzen der Methode

Die TGA-IR-Kopplung kann ihre Stärken vor allem in Form der parallelen Quantifizierung anhand des Massenverlustes und der qualitativen Identifikation freiwerdender Stoffe mittels Infrarotspektroskopie ausspielen. Die Identifizierung von Substanzen in geringer Konzentration kann allerdings erschwert werden.

Grundsätzlich kann man sagen, dass kleinere Gasmoleküle, die z.B. in Form einer oxidativen Zersetzung des Kunststoffmaterials freigesetzt werden, leichter identifizierbare Infrarotspektren liefern als größere, unspezifische Molekülfragmente. Für diese ungünstigen Fälle kann die Kopplung der TGA mit einem Massenspektrometer bzw. einem Gaschromatographen mit Massenspektrometer (GC/MS) einen sehr tiefen Einblick in die Zusammensetzung der Probe liefern.

* *Prof. Dr. S. Eibl: Wehrwissenschaftliches Institut für Werk- und Betriebsstoffe, 85435 Erding

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