Thermostabilität PVC

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Thermostabilität PVC

Allgemeines

Kunststoffe sind bei ihrer Anwendung meistens Wärme, Strahlung und Sauerstoff ausgesetzt, wodurch Prozesse der Alterung gestartet werden können. Diese Prozesse wirken sich auf die chemischen und physikalischen Eigenschaften des Werkstoffs aus.

Die Scherung während der Verarbeitung, thermische Energie, energiereiche Strahlung oder der Einfluss von Metallionen, z. B. aus Katalysatorrückständen können eine autokatalytische Oxidation (Reaktion des Polymers mit Sauerstoff) im Polyvinylchlorid (Kurzzeichen: PVC) Werkstoff starten. Die Folge der ablaufenden Kettenreaktion ist eine Änderung des Molekulargewichts, eine rasche Aufnahme von Sauerstoff und die Bildung von Hydroxyperoxid (ROOH), was die Kettenreaktion weiter beschleunigt und schlussendlich zum technische Versagen des Werkstoffs führen kann. Durch die Zugabe von Stabilisatoren wird versucht den Alterungsprozess zu verlangsamen.

Bestimmung der Stabilitätszeit

Nach DIN EN ISO 182-3 [1] kann die thermische Stabilitätszeit von PVC-Werkstoffen ermittelt werden. Hohe Stabilitätszeiten können mit einer längeren Lebensdauer gleichgesetzt werden. Bei dem Leitfähigkeitsverfahren wird der PVC-Werkstoff auf eine Temperatur von z. B. 200 °C gebracht und gehalten. Durch diesen Vorgang wird mit der Zeit Chlorwasserstoff, und andere Zersetzungsprodukte freigesetzt, welche in einer Messzelle mit entmineralisiertem Wasser überführt und absorbiert werden. Das führt zu einer Veränderung der elektrischen Leitfähigkeit des Wassers. Die Stabilitätszeit wird bei einer Leitfähigkeitsänderung von 50 &mikro;S/cm ermittelt. Die Angabe der Stabilitätszeit erfolgt in Industrieminuten. Eine Umrechnung in SI-Einheiten ist für eine bessere Händelbarkeit sinnvoll.

Die Induktionszeit gibt an, nach welcher Zeit die Änderung der elektrischen Leitfähigkeit einsetzt. Ermittelt wird diese im Schnittpunkt von zwei Tangenten, die an die Leitfähigkeitskurve angelegt werden.

Bild 1:

Stabilitätszeit (grüne Linie) und Induktionszeit (rote Linie) ermittelt bei 200 °C für einen PVC-Werkstoff

Einflussfaktoren auf die Stabilitätszeit

Die ermittelte Stabilitätszeit ist von verschiedenen Faktoren abhängig, wie:

• verwendete Temperatur,
• Probenmasse,
• Korngrößendurchmesser und
• Korndicke.

Bild 2 zeigt den Einfluss der Temperatur und der Probenbeschaffenheit auf die Thermostabilität von PVC-Fensterprofilwerkstoffen. Infolge der Erhöhung der Versuchstemperatur (vgl. Bild 2 a) wird der Alterungsprozess des Werkstoffs beschleunigt, was sich in einer Abnahme der Stabilitätszeit äußert. Wird dagegen die Probenmasse (vgl. Bild 2 b) erhöht, führt dies zu einer Erniedrigung der Stabilitätszeit. Steht mehr Material zur Verfügung dann erhöht sich auch der Anteil an verfügbaren Chlorwasserstoff, was die Änderung der Leitfähigkeit des Wassers in der Messzelle schneller herbeiführt.

Entsprechend der Norm DIN EN ISO 182-3 soll der Korndurchmesser (Probendurchmesser) ≤ 2,0 mm betragen. Wie sich dieser auf die Stabilitätszeit auf PVC-Fensterprofilwerkstoffen auswirkt, zeigt Bild 2 c. Eine Reduktion und eine Erhöhung um diesen Wert führt zu einem Anstieg der Stabilitätszeit. In beiden Fällen steht mehr PVC und damit verbunden mehr gelöstes Chlorwasserstoff zur Verfügung. Der gleiche Effekt kann beobachtet werden, wenn die Korndicken (Probendicken) variieren aber der Durchmesser des Korns auf 2 mm konstant gehalten wird. Je dicker das Korn ist, desto höher ist die Stabilitätszeit (vgl. Bild 2 c).

Bild 2:

Einfluss der Temperatur (a), der Probenmasse (b), des Korndurchmessers (c) und der Korndicke (d) auf die Thermostabilität von PVC Fensterprofilen [2]

Literaturhinweise

[1]	DIN EN ISO 182-3 (2022-07): Kunststoffe – Bestimmung der Neigung von Formmassen und Erzeugnissen auf der Basis von Vinylchlorid-Homopolymeren und -Copolymeren, bei erhöhten Temperaturen Chlorwasserstoff und andere saure Produkte abzugeben – Teil 3: Leitfähigkeitsverfahren (Entwurf)
[2]	Oßwald, K.: eigene Untersuchungen, Polymer Service GmbH Merseburg, (2023)