Worin besteht eine Materialbilanz im Labor?
Eine Materialbilanz ist ein wesentlicher Prozess in der Werkstoffwissenschaft, der Chemie, der Physik und in verschiedenen Industriezweigen. Sie umfasst die Analyse und das Verständnis der Eigenschaften und des Verhaltens von Materialien. Diese Charakterisierung kann eine breite Palette von Werkstoffen betreffen, von Metallen und Polymeren bis hin zu Keramiken und Biomaterialien.
Sie ist entscheidend für die Entwicklung und Optimierung neuer Werkstoffe, für die Qualitätskontrolle in der Produktion und für die Grundlagenforschung in der Werkstoffwissenschaft. Sie ermöglicht es Wissenschaftlern und Ingenieuren, Werkstoffe tiefgehend zu verstehen, ihr Verhalten unter verschiedenen Bedingungen vorherzusagen und Produkte für spezifische Anwendungen zu entwickeln.
Vorstellung von zwei Kundenfällen
So haben zwei Industrieunternehmen aus unterschiedlichen Branchen das Labor kürzlich im Rahmen folgender Aufgaben kontaktiert:
- Kunde 1: Werkstoffidentifikation an einem Runddichtring
- Kunde 2: Untersuchung zur Erstellung einer Materialbilanz einer Stahlrohrleitung zur Bewertung ihres Degradationszustands
Warum eine Materialbilanz durchführen?
Eine Materialbilanz ist entscheidend, um Produktionsprozesse zu optimieren, die Rentabilität zu verbessern, die Einhaltung gesetzlicher Vorgaben sicherzustellen, eine verantwortungsvolle Umweltbewirtschaftung zu fördern, die Produktqualität zu gewährleisten und Innovationen voranzutreiben. Dieses Instrument ermöglicht es Unternehmen, den Einsatz ihrer Ressourcen besser zu verstehen und zu steuern, wodurch Abfälle reduziert und die Gesamteffizienz gesteigert werden.
Kunde 1: Werkstoffidentifikation an einem Runddichtring
Kontext
Der Kunde hat das FILAB-Labor im Rahmen eines Bedarfs an Werkstoffcharakterisierung an einem Dichtungsring beauftragt. Er möchte bestätigen, dass seine Dichtung aus NBR besteht (auch Nitrilkautschuk genannt).
Welche Analysetechnik zur Charakterisierung hat das Labor in diesem Gutachten eingesetzt, um den Werkstoff der Dichtung zu überprüfen?
Strukturanalyse mittels Pyrolyse-GC-MS
Die Probe wird in ein Quarzrohr gegeben, anschließend in die Kammer des Pyrolysators eingeführt und gemäß dem untenstehenden Programm erhitzt:
- Dadurch kommt es unmittelbar zur Fragmentierung bestimmter Makromoleküle (Polymere) und zur einfachen Verflüchtigung organischer Moleküle (Additive, Lösungsmittel, Restmonomere, Verunreinigungen usw.), die in der Probe vorhanden sind.
- Alle diese pyrolytischen Fragmente und alle verdampften Moleküle werden durch die chromatographische Säule getrennt und anschließend vom MS-Detektor (Massenspektrometrie) identifiziert.
- Die Erkennung von „Marker“-Pyrolysefragmenten und der Vergleich mit denen bekannter Matrizes ermöglicht die eindeutige Identifizierung der polymeren Matrix bzw. Matrizen der Probe.
In diesem Fall wurde sie eingesetzt, um Peakprofile zu suchen und die in einer Probe enthaltenen Matrizes zu identifizieren.
Die erzielten Ergebnisse ...
Die eingehenden Analysen von FILAB ermöglichten es, mit Präzision festzustellen, dass es sich bei der untersuchten Dichtung tatsächlich um eine NBR-Dichtung handelte. Diese Informationen waren entscheidend, um das Verhalten der Dichtung in ihrem Einsatzkontext zu verstehen.
Kunde 2: Materialbilanz einer Stahlrohrleitung
Kontext
In diesem Fall besteht das Ziel der Studie darin, eine Materialbilanz an Stahlrohrleitungsabschnitten durchzuführen, um deren Degradationszustand zu bewerten.
Eingesetzte Analysen
Um diese Studie erfolgreich durchzuführen, werden folgende Techniken eingesetzt:
- Die Stereolupe zur makroskopischen Beobachtung;
- Die Feldemissions-Rasterelektronenmikroskopie in Kombination mit einer EDX-Mikrosonde (REM-EDX) zur Durchführung von Beobachtungen und semiquantitativen lokalen chemischen Analysen;
- Die Lichtmikroskopie zur Durchführung von Beobachtungen vor und nach chemischer Ätzung.
Für jede Probe wird eine Auswertung der Außen-, Innen- und Kernzone vorgenommen. Dabei wird Folgendes beobachtet:
Die erzielten Ergebnisse ...
- Bei Probe 1: außen scheinen die Bereiche ohne Beschichtung stärker betroffen zu sein. Innen ist die Korrosion flächig. Im Kern ist keine Korrosion zu beobachten. Im Kern ist keine Korrosion zu beobachten
- Bei Probe 2: außen scheinen die Bereiche ohne Beschichtung stärker betroffen zu sein. Innen flächige Korrosion mit stärker betroffenen Bereichen, möglicherweise aufgrund eines Erosionsphänomens. Im Kern ist keine Korrosion zu beobachten. Im Kern ist keine Korrosion zu beobachten
- Bei Probe 3: außen scheinen die Bereiche ohne Beschichtung stärker betroffen zu sein. Innen ist die Korrosion flächig. Im Kern ist keine Korrosion zu beobachten
Die eingehenden Analysen von FILAB ermöglichten es in diesem Fall, eine detaillierte Bilanz des Fortschritts der Rohrkorrosion zu erstellen.
Fazit der Studie
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Häufige Fragen
Was bedeutet eine Stoffbilanz in den von FILAB vorgestellten Studien?
In diesem Artikel bezeichnet die Stoffbilanz eine Charakterisierung des Materials oder seines Abbauzustands. FILAB stellt zwei unterschiedliche Anforderungen vor: die Bestätigung der polymeren Beschaffenheit einer Dichtung und die Untersuchung der Korrosion von Stahlrohrleitungen. Die Analysen werden entsprechend der industriellen Fragestellung ausgewählt und entsprechen hier nicht einer Bilanz der Zu- und Abströme eines Prozesses.
Wie lässt sich überprüfen, ob eine Dichtung aus NBR-Kautschuk besteht?
Mittels Pyrolyse-GC-MS lassen sich charakteristische Fragmente der Polymermatrix einer Dichtung nachweisen. Die Probe wird erhitzt; anschließend werden die gebildeten Produkte chromatografisch getrennt und mittels Massenspektrometrie identifiziert. In der vorgestellten Studie bestätigte der Vergleich des erhaltenen Profils mit bekannten Matrizes das Vorhandensein von NBR.
Welche Techniken ermöglichen die Bewertung der Korrosion einer Stahlrohrleitung?
FILAB kombinierte die Untersuchung mit dem Stereomikroskop, dem Rasterelektronenmikroskop mit EDX-Analyse und der optischen Mikroskopie an präparierten Querschnitten. Mit diesen Techniken lassen sich das Erscheinungsbild der Oberflächen, die lokale Zusammensetzung der veränderten Bereiche und der Zustand der Mikrostruktur untersuchen. In dieser Studie erstreckten sich die Beobachtungen auf die Außen- und Innenflächen sowie den Kern der Rohrabschnitte.
Warum sollten sowohl die Oberflächen als auch das Innere einer Rohrleitung untersucht werden?
Die Untersuchung mehrerer Bereiche ermöglicht es, die Schädigung zu lokalisieren und ihre Verteilung in der Probe zu beurteilen. In den untersuchten Rohrabschnitten war Korrosion an der Innenoberfläche und in bestimmten Außenbereichen sichtbar, während in den untersuchten Querschnitten im Inneren keine Korrosion festgestellt wurde. Diese Unterscheidung trägt dazu bei, den Materialzustand präziser zu bestimmen.
Wie hilft eine Stoffbilanz bei einer industriellen Entscheidung?
Eine Stoffbilanz liefert Daten zur Bestätigung eines Werkstoffs, zur Untersuchung einer Nichtkonformität oder zur Planung einer Wartung. In den beiden vorgestellten Fällen bestätigte FILAB das NBR eines Dichtungsrings und beschrieb den Fortschritt der Korrosion an Rohren. Die Entscheidungen hängen anschließend von den technischen Anforderungen, den Nutzungsbedingungen und der Repräsentativität der Proben ab.