Die DSC hilft, wenn es ums Dichthalten geht

Kirsten Hacker arbeitet seit 2008 als Chemielaborantin im Team Engineering der KLINGER Kempchen GmbH (früher „Kempchen Dichtungstechnik GmbH“) und verfügt nunmehr über 36 Jahre Berufserfahrung im Labor. Ihr Aufgabenbereich erstreckt sich von Routineanalysen und Laborversuchen bis hin zu Materialcharakterisierungen und der Bestimmung von Materialverträglichkeiten und –beständigkeiten. Sie verrät uns im folgenden Bericht, wie die thermische Analyse bei Undichtheiten unterstützt.

Die DSC hilft, wenn es ums Dichthalten geht

Undichte Stellen und damit verbundener unerwünschter Medienaustritt führt bei Industrieanlagen oft zu vorübergehendem Produktionsstillstand, welche mit hohen wirtschaftlichen Kosten verbunden sind. Mögliche Gründe können Materialversagen oder Materialverwechselungen sein. Solche Vorfälle gilt es rechtzeitig zu erkennen oder besser noch im Vorfeld zu vermeiden. Die Firma KLINGER Kempchen ist auf statische Dichtungen, Packungen und Kompensatoren spezialisiert, die in der Prozessindustrie, wo kritische Medien auch unter hohen Drücken befördert werden, besonders zuverlässig funktionieren müssen.

Wie kann die Thermische Analyse bei Undichtheiten helfen?

Die Dynamische Differenzkalorimetrie (DSC) der Thermischen Analyse wird eingesetzt, um Material durch Einfluss von Temperatur (Wärme / Kälte) auf vorhandene Phasenübergängen oder chemische Reaktionen zu prüfen. So können Materialien mit unerwünschten Eigenschaften bereits im Vorfeld eliminiert werden.

Bei der DSC Methode wird die Probe einem definierten Temperaturprogramm ausgesetzt, d.h. die Temperatur an der Probe wird entweder erhöht oder gesenkt. Die abgegebene (ExothermEin Phasenübergang oder eine Reaktion ist exotherm, wenn von der Probe Wärme freigesetzt wirdexotherm) oder aufgenommene (EndothermEin Phasenübergang oder eine Reaktion ist endotherm, wenn für die Umwandlung Wärme benötigt wird.endotherm) Wärme wird anhand eines Wärmestroms gemessen. Dies lässt Rückschlüsse auf chemische oder physikalische Prozesse zu, wie z. B. Phasenübergänge, KristallisationAls Kristallisation bezeichnet man den physikalischen Vorgang der Verhärtung bei der Bildung und beim Wachstum von Kristallen. Bei diesem Prozess wird Kristallisationswärme frei.Kristallisation oder Zersetzungsreaktionen. Durch die Aufzeichnung der endo- und exothermen Effekte entsteht das Profil eines Materials, das so individuell wie ein Fingerabdruck ist. Anhand dessen lassen sich Rein- und Mischmaterialien qualitativ vergleichen und Materialeigenschaften vorhersagen

Warum ist die Dichtung nicht dicht?

Natürlich kommt es auch in der industriellen Produktion im Bereich einer Dichtverbindung immer wieder mal zu Schadensfällen, deren Ursachen schnellstens geklärt werden müssen. Wie z.B. im folgenden Fall:

Ein KLINGER Kempchen Kunde erhielt von einem Anlagenbauunternehmen eine Dichtung, welche aus dem Werkstoff Chloropren-Kautschuk (CR) bestehen sollte, wie für diese Anwendung definiert. Eine Dichtung aus CR war aufgrund ihrer chemischen Beständigkeit gegenüber dem benutzten Medium für die Kundenapplikation eine Voraussetzung. Die Dichtung versagte jedoch während ihres Einsatzes.

Der Kunde wendete sich zur Aufklärung des Problems an die Engineering-Abteilung der KLINGER Kempchen GmbH. Die „angebliche“ CR Dichtung (hier als unbekannte Dichtung bezeichnet) wurde mittels DSC Analyse mit einem KLINGER Kempchen CR Referenzmaterial verglichen. Gemessen wurde mit einer NETZSCH DSC 200 Maja, einer Einwaage von ca. 10 mg und zwei Aufheizungen mit 20 K/min im Temperaturbereich zwischen -100°C und 100°C.

Der Vergleich der DSC Messungen zeigt einen signifikanten Unterschied in den Glasübergangstemperaturen (unbekannte Dichtung -55°C; KLINGER Kempchen CR Referenz -36°C). Die unbekannte Dichtung zeigt einen zusätzlichen endothermen Effekt bei ca. 60°C.

Aus den DSC Ergebnissen konnte geschlossen werden, dass die Spezifikation der Dichtung nicht den Qualitätsvorgaben entsprach und dies der Grund für das Materialversagen war. Eine anschließende FT-IR-Analyse bestätige das Ergebnis.

Einsatz neuer Werkstoffe

Eine weitere wichtige Rolle spielt die DSC- Methode bei der Optimierung und Weiterentwicklung von Werkstoffen. Hat man ein geeignetes Ersatzmaterial gefunden, muss es erst einmal auf seine Tauglichkeit getestet werden. Im folgenden Fall sollte aus Gründen der Sicherheit und des Gesundheitsschutzes für einen bereits im Einsatz befindlichen Werkstoff ein Ersatzmaterial gefunden werden. Geplant war, den Werkstoff A (Aluminiumsilikatwolle) durch den Werkstoff B (biolösliche Steinwolle) zu ersetzen.

Laut Datenblatt enthalten beide Materialien Steinwolle, Zellulose, silikatische Füllstoffe und organische Bindemittel. Der Werkstoff A enthält zusätzlich noch Quarz. Bei Material B wird die Steinwolle als „biolöslich“ bezeichnet.

Diesmal kommt eine NETZSCH STA 449 F3 zum Einsatz, ein Gerät zur kombinierten Wärmestrom-/Masseverlustmessung. Von beiden Werkstoffen wurden Proben von jeweils ca. 25 mg unter Luft mit einer Heizrate von 5 K/min von Raumtemperatur auf 1200°C erhitzt. Das kombinierte TG/DSC Signal wurde ausgewertet.

Beide Werkstofftypen zeigen über den gesamten Temperaturbereich einen in seiner Gesamtheit ähnlichen Verlauf (mehrstufige Masseverlustkurven), wobei es starke Unterschiede in der Höhe der einzelnen Zersetzungsstufen gibt.

In der DSC Kurve zeigt sich die exotherme Zersetzung des organischen Bindemittels und der Zellulose bis ca. 400°C. Es folgt die endotherme Freisetzung von Wasser aus den silikatischen Füllmaterialien.

Das Vorliegen von quarzhaltigen Komponenten kann durch einen DSC Effekt bei 572°C bei Material B bestätigt werden.

In der TG-Kurve sind Unterschiede in der ermittelten Restmasse bei 1100°C zu erkennen (Material A 88,5%, Material B 81,3%). Weitere Untersuchungen im Bereich der mechanischen Stabilität müssen sicherstellen, dass die biolösliche Steinwolle hier die entsprechenden Anforderungen z.B. an die mechanisch-technischen Eigenschaften und das Dichtungsverhalten, erfüllt.

Anschließende Messungen z.B. der Leckageraten ergaben, dass das Material die entsprechenden Anforderungen dennoch erfüllt.

Dieser spannende Beitrag hat unsere Neugier noch mehr geweckt. Wir haben Frau Hacker ergänzende Fragen gestellt:

NETZSCH: Frau Hacker, Sie arbeiten im Labor von KLINGER Kempchen. Ihr Aufgabengebiet ist sehr vielfältig. Kunden treten an die Abteilung KLINGER Engineering heran und bitten Sie um Unterstützung bei Fragen wie z.B. Werkstoffanforderungen und -beständigkeiten rund um das Thema statische Dichtungen oder wenn es zu einem Schadensfall gekommen ist. Was sind die häufigsten Fragen, mit denen Kunden auf Sie zukommen und wie können (Thermische) Analysemethoden helfen, Probleme zu lösen?

Kirsten Hacker: Wir erstellen von all unseren polymeren Materialien mit Hilfe der Thermischen Analyse wie DSC und STA Fingerprints. Diese Fingerprints unserer polymeren Werkstoffe helfen, bei routinemäßigen Vergleichsuntersuchungen (Chargenprüfung) die Qualität der Produktion zu überwachen. Des Weiteren unterstützen wir unsere Kunden bei der Charakterisierung unbekannter Dichtungswerkstoffe. Es kann z.B. vorkommen, dass beim Kunden eine Dichtung zum Einsatz kam, deren Spezifikation nicht mehr bekannt ist. Bei dieser Bestimmung / Typisierung hilft die Thermische Analyse sehr, da z.B. mit Hilfe der DSC gewisse Werkstoffe durch Bestimmung der thermischen Eigenschaften ermittelt werden können. Hier geben u.a. GlasübergangstemperaturDer Glasübergang gilt als eine der wichtigsten Eigenschaften amorpher und teilkristalliner Materialien, wie z.B. anorganische Gläser, amorphe Metalle, Polymere, Pharmazeutika und Lebensmittel, usw., und bezeichnet den Temperaturbereich, in dem sich die mechanischen Eigenschaften des Material von einem harten und spröden Zustand in einen weicheren, verformbaren oder gummiartigen Zustand ändern.Glasübergangstemperatur oder Schmelztemperaturen und SchmelzenthalpienDie Schmelzenthalpie einer Substanz, auch bekannt als latente Wärme, stellt ein Maß der Energiezufuhr dar, typischerweise Wärme, welche notwendig ist, um eine Substanz vom festen in den flüssigen Zustand zu überführen. Der Schmelzpunkt einer Substanz ist die Temperatur, bei der die Substanz von einem festen (kristallinen) in den flüssigen Zustand (isotrope Schmelze) übergeht.Schmelztemperatur Aufschluss darüber, um welchen Werkstofftypen es sich handelt. Zusätzlich kann außerdem mit Hilfe der STA die Zusammensetzung des Compounds oder des Elastomers bestimmt werden. Bei Schadensfällen kann mit Hilfe der Thermischen Analyse eine Materialverwechselung ausgeschlossen werden. Aber auch eine Materialveränderung durch den Einsatz und durch eine eventuelle Überlastung des Polymers lässt sich hiermit oft darstellen.

NETZSCH: Die dynamische Differenzkalorimetrie ist eine der am weitesten verbreiteten Thermischen Analysemethoden. Worin sehen Sie die Stärke der DSC in Ihren Anwendungsfällen?

Kirsten Hacker: In der Routineanalytik, d.h. im Bereich der Qualitätssicherung stellt die DSC ein sehr schnelles und zuverlässiges Werkzeug dar. Chargenprüfungen im Labor zeigen sofort und unkompliziert eine Abweichung in der Herstellung von Elastomermischungen und Thermoplasten und deren Compounds. Zusätzlich werden mit der STA die Zusammensetzungen d.h. die jeweiligen Anteile bestimmbar, so dass die Einhaltung der Rezepturen nachverfolgt ist.
Durch die Bestimmung von Schmelztemperaturen und SchmelzenthalpienDie Schmelzenthalpie einer Substanz, auch bekannt als latente Wärme, stellt ein Maß der Energiezufuhr dar, typischerweise Wärme, welche notwendig ist, um eine Substanz vom festen in den flüssigen Zustand zu überführen. Der Schmelzpunkt einer Substanz ist die Temperatur, bei der die Substanz von einem festen (kristallinen) in den flüssigen Zustand (isotrope Schmelze) übergeht.Schmelztemperaturen, Glasübergangstemperaturen und thermischer Zersetzungen der Dichtungsmaterialien können Einsatzbereiche / -grenzen der Werkstoffe unterstützend definiert werden. Aber auch neue Werkstoffe oder auch ein anderer Zulieferer der Rohstoffe kann unterstützend mit Hilfe der DSC schon im Vorfeld auf „Herz und Nieren“ geprüft werden.“

NETZSCH: Frau Hacker, vielen Dank für Ihre Ausführungen und den interessanten Einblick in die Dichtungstechnik. Wir freuen uns auf eine weitere so gute Zusammenarbeit.