Worin besteht die Problematik?
Ein Getränkehersteller verwendet Aluminiumdosen, die innen mit einem Polymerlack beschichtet sind, um den Inhalt (ein kohlensäurehaltiges Getränk) vor dem Aluminium zu schützen und jegliche chemische Wechselwirkung oder einen metallischen Geschmack zu vermeiden.
Der Kunde wandte sich an FILAB, da er sich in einem Prozess der kontinuierlichen Verbesserung befindet und die Schichtdicke dieses Lacks optimieren möchte. Eine zu geringe Schicht führt nämlich zu Defekten (Poren, Unstetigkeiten) und zu Risiken einer vorzeitigen Korrosion. Umgekehrt stellt eine zu dicke Schicht eine kostspielige Verschwendung von Rohmaterial dar.
Um dieser Problematik zu begegnen, hat FILAB ein umfassendes Verfahren zur Prüfung der Verpackungsintegrität entwickelt, das chemische Zusammensetzung, physikalische Schichtdicke und elektrochemische Beständigkeit umfasst.
Problemstellung und ganzheitlicher analytischer Ansatz
Die ursprüngliche Anfrage des Kunden, sein Produkt zu optimieren, entwickelte sich rasch zu einer umfassenden Expertise zur Integrität der Verpackung, die chemische Zusammensetzung, physikalische Schichtdicke und elektrochemische Beständigkeit umfasst.
Unser Labor hat ein vollständiges Analyseprotokoll entwickelt, das Elektrochemie und Materialcharakterisierung kombiniert, um folgende Fragen zu beantworten:
- Welche Mindestdicke gewährleistet das Fehlen kritischer Defekte?
- Bringt der Kontakt mit der Öffnungslasche (aus einer anderen Aluminiumlegierung) ein Risiko einer galvanischen Kopplung mit sich?
- Wie verhalten sich Beschichtung und Metall nach einer beschleunigten Alterung?
Leistungen in den Bereichen Material- und Korrosionsanalyse
Unser Labor hat ein umfassendes Analyseprotokoll entwickelt, das Elektrochemie und Materialcharakterisierung kombiniert, um die Integrität der Verpackung sicherzustellen.
Zur Bewertung der Lackintegrität begann die Analyse mit der Elektrochemischen Impedanzspektroskopie (EIS). Diese zerstörungsfreie Technik ermöglichte es, die elektrische Impedanz der Beschichtung zu messen. Ein hochwertiger Lack verhält sich wie ein perfekter Kondensator mit sehr hoher Impedanz, während jeder Impedanzabfall mikroskopische Defekte und Poren aufzeigt und quantifiziert.
Um die physikalische Struktur der Beschichtung zu verstehen, führten wir eine Mikrographie und Metallographie durch, die eine präzise Messung der Dicke des Lacks sowie die Charakterisierung der metallischen Phasen der Dose ermöglichte. Die Korrosionsgeschwindigkeit (LSV) wurde gemessen, um die Kinetik des Abbaus des blanken Metalls zu bestimmen. Diese Daten wurden durch beschleunigte Alterungstests im Salzsprühnebel (BSN) ergänzt, die Lagerbedingungen simulieren, um die Lebensdauer des Produkts vorherzusagen.
Anschließend konzentrierte sich die Analyse auf die elektrochemischen Wechselwirkungen. Da die Aufreißlasche häufig aus einer anderen Legierung besteht als der Dosenkörper, untersuchten wir die galvanische Kopplung. Diese Messung ermöglichte es, den Korrosionsstrom zu quantifizieren, der entsteht, wenn diese beiden Metalle in Gegenwart des Getränks (des Elektrolyten) miteinander in Kontakt kommen – ein erhebliches Risiko für die Integrität des Behälters.
Schließlich wurden für die Oberflächencharakterisierung und chemische Analyse mehrere Techniken eingesetzt.
- ICP (induktiv gekoppeltes Plasma) diente der Überprüfung der genauen Zusammensetzung der Aluminiumlegierung.
- Das REM (Rasterelektronenmikroskop), gekoppelt mit XPS (Röntgenphotoelektronenspektroskopie), ermöglichte die Analyse der chemischen Natur der Oxide, die sich an der Oberfläche gebildet haben.
- Schließlich identifizierte die DRX (Röntgendiffraktion) die kristallographische Phase dieser Oxide und aller Korrosionsablagerungen und lieferte so ein vollständiges Bild der Abbauphänomene.
Fazit der Studie
Dank des ganzheitlichen Ansatzes, der Elektrochemie (EIS, galvanische Kopplung) und Materialcharakterisierung (Mikrographie, ICP, XRD) kombiniert, konnte das Labor die Integrität der Beschichtung und der Metallbaugruppe präzise kartieren.
Die Untersuchung mittels EIS war entscheidend; sie ermöglichte es, die Parameter des Lackierprozesses mit dem Vorhandensein von unsichtbaren Defekten (Poren) zu korrelieren und die optimalen Einstellungen zu identifizieren. Diese Optimierung führte zu erheblichen Einsparungen an Rohmaterial bei gleichzeitig dauerhaftem Schutz.
Noch wichtiger: Die Expertise bestätigte zwei grundlegende Punkte: das Fehlen kritischer Lackdefekte und die Beseitigung von Risiken chemischer Wechselwirkungen oder galvanischer Kopplung zwischen Dose und Öffnungslasche.
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Häufige Fragen
Wie lässt sich die Dicke eines Innenlacks in einer Dose optimieren, ohne seine Schutzfunktion zu beeinträchtigen?
Die Optimierung kombiniert die Dickenmessung mit einer Bewertung der Beschichtungsintegrität und der elektrochemischen Wechselwirkungen der Verpackung. FILAB hat diese Analysen miteinander verknüpft, um Defekte zu ermitteln und die Lackierbedingungen zu vergleichen. Ziel war es, eine unzureichende Beschichtung zu vermeiden und gleichzeitig den Materialüberschuss zu begrenzen – entsprechend den Anforderungen der untersuchten Dose.
Wozu dient die elektrochemische Impedanzspektroskopie bei der Untersuchung des Lacks einer Getränkedose?
Die elektrochemische Impedanzspektroskopie, kurz EIS, liefert Informationen über das elektrische Verhalten des Beschichtungs-/Metallsystems unter den Messbedingungen. In dieser Studie ermöglichte sie, die Parameter der Lackierung mit Fehlern wie Poren in Beziehung zu setzen. Ihre Interpretation wurde mit den Ergebnissen der übrigen Charakterisierungen der Verpackung abgeglichen.
Warum sollte die EIS durch eine Messung der Beschichtungsdicke ergänzt werden?
Die Dickenmessung liefert physikalische Informationen, die das elektrochemische Verhalten der Beschichtung ergänzen. FILAB nutzte mikroskopische Aufnahmen, um den Lack und die metallischen Phasen der Dose zu charakterisieren. Der Abgleich der Daten hilft dabei, zwischen einem Problem der Abscheidung, der Kontinuität oder des Verhaltens des Schutzsystems zu unterscheiden. Dickenmessungen entdecken.
Warum die galvanische Kopplung zwischen der Dose und ihrer Lasche untersuchen?
Der Dosenkörper und die Lasche können aus unterschiedlichen Metalllegierungen bestehen. Ihr elektrischer Kontakt in Gegenwart des Getränks kann daher eine Bewertung der elektrochemischen Wechselwirkungen erforderlich machen. FILAB hat diese Kopplung ergänzend zur Unversehrtheit des Lacküberzugs untersucht, um ein Risiko im Zusammenhang mit dem metallischen Zusammenbau der Verpackung zu prüfen.
Was hat die Kombination chemischer, oberflächenbezogener und korrosionsbezogener Analysen zu dieser Studie beigetragen?
Die ICP-Analyse trug dazu bei, die Zusammensetzung der Legierung zu überprüfen, während REM, XPS und XRD Informationen über die Oberflächen, Oxide und Ablagerungen lieferten. Diese Ergebnisse ergänzten die EIS- und Korrosionsprüfungen. Ihre gemeinsame Auswertung ermöglichte es, die Einstellungen für die Lackierung und die Bewertung der Integrität der untersuchten Verpackung gezielt auszurichten.