Kunstmatige veroudering. Voorspellingen over het materiaalgedrag

Transcriptie

1 Voorspellingen over het materiaalgedrag 1

2 Samenvatting Een vliegtig wordt gebowd met iteenlopende materialen die worden blootgesteld aan verschillende belastingen. Het vliegtig start bijvoorbeeld in hete, tropische lcht en vliegt op een hoogte van 10 km bij temperatren ver onder nl. Bij deze extreme klimatologische verschillen komen nog verdere belastingen zoals trillingen die inwerken op het materiaal tijdens de vlcht. Deze belastingen knnen het materiaal doen veroderen zodat de eigenschappen veranderen. Daarom worden reeds tijdens de ontwikkeling knstmatige veroderingstests itgevoerd om materiaalfalen tijdens de vlcht te voorkomen. Vaak worden echter om redenen van kosten en tijd versnelde tests itgevoerd die voor een verhoging van het belastingnivea zorgen. De daaropvolgende analyse en beoordeling geven itslitsel over de geschiktheid van het materiaal voor het beoogde doel. Dit kan vervolgkosten op grond van contine vervanging van het component aanzienlijk redceren. 2

3 Inhodsopgave 2 Samenvatting 4 Wat is verodering? 7 Excrsie: Svante Arrhenis 9 Soorten verodering 12 Knstmatige verodering Was is knstmatige verodering? Versnelde verodering Analyse en beoordeling 15 Colofon 3

4 Wat is verodering? Allerlei materialen worden door mensen voor iteenlopende doeleinden ingezet. Tijdens de gebriksdr van de materialen worden deze blootgesteld aan verschillende invloeden en belastingen die de levensdr sterk knnen beïnvloeden. Een voorbeeld hiervan is een vliegtig dat bij hete, tropische lcht start en op een hoogte van 10 km gedrende een langere tijd bij temperatren ver onder nl vliegt. Bij deze extreme klimatologische verschillen komen nog verdere belastingen zoals trillingen die inwerken op het materiaal tijdens de vlcht. Deze verschillende belastingen knnen het materiaal zodanig beïnvloeden dat de eigenschappen onomkeerbaar veranderen. In een dergelijk geval spreekt men van verodering van het materiaal. Dit is volgens DIN deel 1 als Totaliteit van alle in de loop van de tijd in een materiaal onomkeerbaar plaatsvindende chemisch en natrkndige processen 1 gedefinieerd. In principe kan aan de hand van de effecten een onderscheid worden gemaakt tssen een chemisch en natrkndig proces. In de regel verlopen deze processen tegelijkertijd en leiden daarom tot complexe effecten. In de volgende afbeelding ziet een vereenvodigde weergave van een veroderingsproces. Veroderingsprocessen Chemische verodering Natrkndige verodering Schervorming Verandering van de kristalstrctr Verhoging van de kristalliniteit Relaxaties Spanningsconcentratie Brek 1 DIN deel 1, sectie 1 Verodering,

5 Wat is verodering? Bij een verodering vindt altijd een negatieve verandering van materiaaleigenschappenplaats of zelfs een verlies van de eigenschappen. In de materiaalwetenschap of bij de kwaliteitsborging spreekt men in dit verband eerst van een materiaalmoeheid en iteindelijk van een materiaalfalen. Het gaat echter niet om een veroderingsproces als door de thermische behandeling van een component de oorspronkelijke eigenschappen weer knnen worden hersteld. Als oorzaak voor een verodering worden iteenlopende factoren genoemd, die knnen worden onderverdeeld in twee categorieën. Enerzijds zijn er de zogenaamde interne factoren bijvoorbeeld spanningsafbow, fase- en strctrveranderingen of veranderingen in de chemische samenstelling knnen zijn. In deze whitepaper wordt echter niet verder ingegaan op deze interne factoren. Bij de factoren van de tweede categorie gaat het om de externe oorzaken van verodering zoals temperatrveranderingen, lchtvochtigheid, zrstofconcentratie, zichtbare, ltraviolette of ioniserende straling en chemische invloeden. Veroderd materiaal De verodering van materiaal kan op zeer verschillende wijzen tot iting komen. Dit is niet alleen afhankelijk van de eigenschappen en de samenstelling van het materiaal, maar ook van het soort belasting. De externe factoren onderscheiden zich in zes verschillende hoofdsoorten verodering die ook in combinatie knnen optreden. Bij het voorbeeld van een vliegtig gaat het niet alleen om de thermische, klimatologische en mechanische belastingen maar ook om corrosieve of elektrische belastingen. Een ander soort verodering die niet veronachtzaamd mag worden is de door UV-stralen veroorzaakte materiaalverandering die vooral bij polymeren bijvoorbeeld door vergelingen optisch zichtbaar is. Verdere details over de verschillende soorten belastingen die verodering veroorzaken worden in hoofdstk 4 toegelicht. 5

6 Wat is verodering? Op grond van de vele verschillende invloeden kan een materiaal op verschillende manieren veroderen. Dit wordt via de eigenschapsverandering met betrekking tot het materiaal beschreven. Hierbij speelt het weerstandsvermogen tegenover een bepaalde belasting een beslissende rol. In principe kan een eigenschapsverandering met deze vereenvodigde formle worden weergegeven: eigenschapsverandering = weerstandsvermogen x belasting De gevoeligheid kan echter in de loop van de verodering veranderen, zodat de eigenschapsverandering sneller of langzamer wordt. Dit kan worden beïnvloed. Bijvoorbeeld door aan polymeren speciale stabilisatoren toe te voegen. Daardoor verandert de gevoeligheid van polymeer. In principe is iedere organische materie in lcht instabiel en toont na een bepaalde periode veroderingsverschijnselen. Dit kan ook met stabilisatoren niet worden vermeden, maar alleen verlangzaamd worden. Bovendien speelt niet alleen de samenstelling van het materiaal een rol bij de verodering maar ook de voorgeschiedenis en de verwerking. Jist bij de knstmatige verodering waarop in hoofdstk 5 wordt ingegaan is dit een belangrijk criterim, omdat hierbij ook versnelde veroderingen worden itgevoerd. Een ander belangrijk criterim is de opslag en de eigenschapsveranderingen die daarbij ontstaan want reeds hier knnen veroderingsreacties bijvoorbeeld door thermische belastingen in gang worden gezet. 6

7 Excrsie: Svante Arrhenis Svante Agst Arrhenis werd 1859 in Zweden geboren. Hij was de zoon van een inspecter aan de niversiteit in Uppsala waar hij later wisknde, chemie en natrknde stdeerde. Na zijn stdie werkte Arrhenis bij de niversiteit van Stockholm en werkte aan zijn hoofdzakelijke interesse, het galvanische geleidingsvermogen van elektrolyten. Hiervoor pbliceerde hij in 1887 een chemische theorie over elektrolyten die aantoont dat elektrolyten in water of waterige oplossingen iteenvallen. Op basis hiervan ontstonden de tot nog toe geldende definities voor zren en basen. Hierbij wordt ervan itgegaan dat zren stoffen zijn die in waterige oplossing de ionen H + (aq) vormen. Basen daarentegen zijn stoffen die in waterige oplossing de ionen OH (aq) vormen. Deze ionen knnen echter weer genetraliseerd worden tot water. H + (aq) + OH (aq) H 2 O Op grond van zijn werk over dit onderwerp ontving Arrhenis in 1903 de Nobelprijs voor chemie. Arrhenis hield zich echter niet alleen bezig met het iteenvallen van elektro maar ook de temperatrafhankelijkheid van de reactiesnelheid. Hij stelde hiervoor een formle op die de reactiesnelheidsconstante afhankelijk van de activeringsenergie en de temperatr bepaalt. k = A e E a / (R T) k A E a R T reactiesnelheidsconstantie voor de reactie karakteristieke constante activeringsenergie ideale gasconstante temperatr De formle geeft aan in welke afhankelijkheid de temperatr en activeringsenergie ten opzichte van elkaar staan. Daarbij is de factor e E a / (R T) het deel dat aangeeft wanneer de activeringsbarrière overschreden is. Bij stijgende temperatr neemt de reactiesnelheidsconstantie exponentieel toe. Dit betekent dat reeds een kleine verhoging van de temperatr een aanzienlijke verandering of verhoging van de reactiesnelheid kan veroorzaken. 7

8 Excrsie: Svante Arrhenis Hier wordt ook het verband met de verodering van materialen didelijk. De Arrhenis-formle legt ds it waarom een thermische verodering plaatsvindt en waarom men deze ook knstmatig kan versnellen. Er zijn echter veroderingsmechanismen die niet knnen worden berekend met de Arrhenis-formle. Met zijn formle voor de berekening van de reactieconstanten heeft Arrhenis een benadering gerealiseerd die in vele bereiken wordt toegepast. Deze vormt de basis voor verschillende veroderingsmodellen die vandaag de dag voor veroderingsprognoses worden gebrikt. 8

9 Soorten verodering Thermische belastingen Men spreekt van thermische belastingen als het materiaal blootgesteld wordt aan verschillende temperatren. Hierbij kan de temperatr constant gedrende een langere periode stabiel blijven of contin veranderen. Daarbij heeft de temperatr afhankelijk van de eigenschappen en de samenstelling van het materiaal volledig verschillende invloeden. Daarom veroderen verschillende materialen die samen ingebowd zijn in een verschillend tempo. Hogere temperatren zijn echter de meest optredende oorzaak voor een verodering van het materiaal. Dit heeft ermee te maken dat door de temperatrverhoging in de regel een versnelling van de chemische reactie wordt veroorzaakt. Chemische reacties tssen het materiaal en de zrstof- of waterstofatomen in de lcht treden altijd op en knnen niet worden voorkomen. Klimatologische belastingen Onder klimatologische belastingen verstaat men een samenspel van temperatr en lchtvochtigheid. Daarbij is de lchtvochtigheid afhankelijk van de temperatr. Bij hogere temperatren kan meer water in het gasmengsel lcht worden opgenomen. Klimatologische belastingen De relatieve lchtvochtigheid geeft aan hoe hoog het aandeel is van het opgenomen water met betrekking tot het maximale aandeel bij een bepaalde temperatr. Als de temperatr daalt en er geen water wordt afgegeven, stijgt de relatieve lchtvochtigheid. Dit samenspel van temperatr en lchtvochtigheid moet voor de verodering van materialen in samenhang worden beschowd. Daarbij is de lchtvochtigheid net als de temperatr een versnellingsfactor voor chemische reacties. De lchtvochtigheid versnelt de verodering van een materiaal net zoals de temperatr. Corrosieve belastingen en chemische verodering 9

10 Soorten verodering Corrosie vindt altijd aan de oppervlakte plaats en kan alleen bij binding van een reactiepartner plaatsvinden. De chemische reactie die corrosie veroorzaakt kan echter niet plaatsvinden zolang er onvoldoende activeringsenergie beschikbaar is. Bij corrosieve belastingen, zoals bij iedere corrosie, verandert in de loop van de reactie steeds meer oppervlak. Als men het verloop van de corrosie als fnctie wilt weergeven zo deze sterk lijken op de logaritmefnctie. Mechanische belastingen Een ander soort belasting die verodering veroorzaakt is de mechanische belasting. Deze beschrijft het aantal bigbewegingen die een materiaal kan verdragen. Afhankelijk van de bigradis of spanning waaronder het materiaal staat varieert het aantal bigbewegingen zeer sterk. Tot de effecten van mechanische belastingen behoort ook het kripen van een materiaal. Dit is een plastische vervorming van een materiaal onder belasting 2. De effecten van de mechanische belasting zijn echter niet alleen afhankelijk van het soort materiaal, maar variëren ook zeer sterk op grond van de samenstelling. Elektrische belastingen Elektrische belastingen treden itslitend bij en elektrisch aangedreven bowelementen op. De verodering bij dergelijke bowelementen is afhankelijk van het elektrische veld, de spanning en de inwerkdr. UV-verodering Bij de UV-verodering gaat het om effecten die in de regel ontstaan door zonnestralen en in zelden voorkomende gevallen door knstmatig opgewekt UV-licht. De zon veroorzaakt bijvoorbeeld een verklering van het oppervlak of zelfs een verodering op moleclair nivea bij polymeren. Er zijn vele processen die plaatsvinden bij de verodering door zonnestralen. Deze worden toegewezen aan drie reactie typen: de fotolyse, de foto-oxidatie en de fotokatalyse. 2 Rösler, Joachim/Harders, Harald/Bäker, Martin, Mechanisch gedrag van grondstoffen, B.G. Tebner Verlag, 2006, Wiesbaden 10

11 Soorten verodering Bij de fotolyse wordt een foton geabsorbeerd en deze energie activeert een chemische reactie die zonder deelname van zrstof verloopt. H H H H + hʋ C C C HC = CH C +m HCI H Cl n H Cl m Daarentegen is bij de foto-oxidatie naast de fotonenergie ook nog zrstof it de lcht nodig om een veroderingsproces in gang te zetten. RH + hʋ R + H R + O 2 RO 2 RO 2 + RH ROOH + R De fotokatalyse kan slechts plaatsvinden als halfgeleidereigenschappen op het oppervlak van het materiaal aanwezig zijn. Door de fotonenergie bij zonnestralen worden dan radicalen gevormd zodat een oxidatie in het materiaal kan plaatsvinden. Geleidingsband e Opwekking Recombinatie Energiekloof Valentieband h + 11

12 Knstmatige verodering Was is knstmatige verodering? Men spreekt van knstmatige verodering als door knstmatig opgewekte belastingen wordt geprobeerd het veroderingsproces van een materiaal te simleren. Hiervoor worden bijvoorbeeld omgevingssimlatiekasten, weer- of trillingstestsystemen gebrikt. De knstmatige verodering wordt in de regel bij de ontwikkeling van niewe prodcten of bij onderzoek ingezet. Jist in de ontwikkeling is het belangrijk de eigenschapsveranderingen te observeren en te docmenteren. Hierbij moet natrlijk een reprodceerbaar resltaat worden bereikt. Op deze wijze kan de itvalwaarschijnlijkheid worden beschowd. Onder itval wordt hier ook verstaan de verklering of vergeling van een component bijvoorbeeld in het interier van een ato door zonnestralen. Op grond van vele verschillende materialen die moeten worden blootgesteld aan een knstmatige verodering zijn in de laatste jaren iteenlopende normen en richtlijnen ontstaan. Deze regelen de parameters en testsystemen om reprodceerbare resltaten te genereren. Op het gebied van elektrische isolatiestoffen zijn vooral IEC 60216, ASTM D5423 en ASTM D5374 belangrijke testnormen voor thermische belastingen. De tests voor de bepaling van de thermische langetermijneigenschappen zoals ze in de bovengenoemde normen beschreven worden, worden in speciale laboratorimovens itgevoerd zoals de BINDER FP 115-S. 12

13 Knstmatige verodering Versnelde verodering De versnelde verodering wordt steeds belangrijker omdat de testresltaten sneller beschikbaar zijn en daarmee kosten en tijd bespaard knnen worden. De basis voor de versnelde verodering is dat de eigenschappen op grond van verschillende toegepaste methode gedrende de tijd veranderen. Dergelijke methoden zijn bijvoorbeeld het verbergen van rsttijden, het veronachtzamen van minder belastende secties of de verhoging van het belastingnivea. Versnelde verodering en worden bijvoorbeeld ook toegepast op lijmverbindingen die dagelijks worden gebrikt. Een voorbeeld dat iedereen kent zijn de chips op creditcards. Deze worden opgeplakt en moeten ook onder de meest iteenlopende klimatologische en mechanische belastingen bestand blijven. Daarbij wordt niet alleen de opslag bij hoge temperatren, maar ook klimaatwisseltests aan de lijmverbindingen doorgevoerd. Voor dergelijke tests worden omgevingssimlatiekasten gebrikt die ook BINDER in zijn programma heeft. Het probleem bij knstmatige verodering is dat in de tests van de componenten knnen itvallen dan later in het veld. Dit komt door de hoogte van de activeringsenergie voor de chemische reactie. Bij de thermisch versnelde verodering wordt geprobeerd een tijds voor door een hogere temperatr te bereiken. Daarbij wordt voldoende om van dat activeringsenergie geleverd voor reacties die in het veld zo niet voorkomen. De verificatie van een test op bow is ds noodzakelijk. Dit gebert bijvoorbeeld op het gebied van weersinvloeden. Hier wordt de testopbow van een weersysteem vaak aan de hand van vrije weersinvloeden getest. De testobjecten worden parallel in het vrije veld blootgesteld aan de verschillende belastingen en daarna vergeleken met de testobjecten in het weersysteem. Als oppervlakken voor de vrije weersinvloeden worden dan bijvoorbeeld het dak van het laboratorim of het kantoorgebow gebrikt. Toch neemt de drk steeds toe om tests en methoden verder te versnellen en snellere resltaten te verkrijgen. Daarbij komt het belastingnivea steeds hoger te liggen. Daarmee wil men vooral tijd bij veroderingstest en daarmee ook kosten in de ontwikkeling besparen. 13

14 Knstmatige verodering Analyse en beoordeling Na de itgevoerde belastingtests moeten deze worden geëvaleerd. Hiervoor moet de verodering van materiaal knnen worden gemeten. Hiervoor bestaat enerzijds de mogelijkheid een beschowing van de itvalwaarschijnlijkheid aan de hand van meerdere testobjecten it te voeren. Bepalend daarbij is de tijd die vergaat totdat een vastgelegd aantal testobjecten itvalt. Een andere mogelijkheid van de meting is de beschowing van de eigenschapsveranderingen gedrende een gedefinieerde periode. Daarbij moet er echter rekening mee worden gehoden dat de verschillende eigenschappen verschillend snel knnen veranderen. De daaropvolgende analyse en beoordeling geven eerst itslitsel over de geschiktheid van een component, een onderdeel of een materiaal voor het beoogde gebrik. Onder bepaalde omstandigheden moet een niewe materiaalsamenstelling of een andere component worden gezocht en moeten de tests opniew worden itgevoerd. Dit betekent een nog langere ontwikkelingstijd en nog meer kosten. Toch zijn deze kosten nog te overzien, vooral als men deze vergelijkt met eventele vervolgkosten. 14

15 Colofon Ater Ina Kanngiesser werkt als Prodct Manager Environmental Simlation bij BINDER GmbH en is daar verantwoordelijk voor de omgevingssimlatiekasten die in de wetenschap en in de indstrie worden ingezet. Bedrijfsprofiel BINDER is de grootste specialist ter wereld voor simlatiekasten voor wetenschappelijke en indstriële laboratoria. Met de technische oplossingen levert de onderneming een belangrijke bijdrage aan de verbetering van de gezondheid en veiligheid van de mensheid. Het prodctprogramma is zowel geschikt voor rotinetoepassingen als voor iterst specifieke werkzaamheden in onderzoek en ontwikkeling, prodctie en kwaliteitsborging. Met momenteel ca. 400 medewerkers wereldwijd en een exportpercentage van 80 % behaalde BINDER in 2014 een omzet van meer dan 60 mln. ero. Contact BINDER GmbH Im Mittleren Ösch Tttlingen Tel.: +49(0) info@binder-world.com 15

16 Colofon Bronnen Mortimer, Charles E./ Müller, Ulrich, Chemie Das Basiswissen der Chemie, 8., Compleet bewerkte itgave, Georg Thieme Verlag, 2003, Stttgart Rösler, Joachim/ Harders, Harald/ Bäker, Martin, Mechanisch gedrag van grondstoffen, B.G. Tebner Verlag, 2006, Wiesbaden Ehrenstein, Gottfried W./ Pongratz, Sonja, Bestendigheid van knststoffen Band 1, 1e itgave, Carl Hanser Verlag,