Bewertung der Korrosionswirkung von Elastomeren auf Kupfer

Kupfer wird aufgrund seiner hervorragenden elektrischen und thermischen Leitfähigkeit, seiner Duktilität und seiner im Vergleich zu vielen anderen Metallen wie Eisen hohen Korrosionsbeständigkeit geschätzt. Dennoch korrodiert es. Dabei handelt es sich um eine chemische oder elektrochemische Reaktion mit der Umgebung, die Aussehen, Leistung und mitunter auch die strukturelle Integrität beeinträchtigt. Normalerweise bildet sich bei Kupferkorrosion eine Schutzschicht, unter bestimmten Bedingungen kann sie jedoch Probleme verursachen.

Kupfer oxidiert bei Kontakt mit Luft und Feuchtigkeit zunächst und bildet eine dünne, rotbraune Kupferoxidschicht. Mit der Zeit, insbesondere im Freien oder in feuchter Umgebung, wandelt sich diese durch Reaktionen mit Kohlendioxid, Schwefelverbindungen, Sauerstoff und anderen atmosphärischen Bestandteilen in eine komplexere, stabilere Schicht um, die sogenannte Patina. Diese Patina ist äußerst vorteilhaft: Sie wirkt als Barriere, verlangsamt die weitere Korrosion deutlich und schützt das darunterliegende Metall. Unter den meisten atmosphärischen Bedingungen bleibt die Korrosionsrate sehr gering, und die Patina erhöht die Haltbarkeit des Materials, anstatt es zu beeinträchtigen.

Obwohl Patina in vielen Fällen eine Schutzwirkung hat, kann Korrosion unter bestimmten Bedingungen schädliche Auswirkungen haben:

• Materialverlust und strukturelle Schwächung: In aggressiven Umgebungen (z. B. sauren Gewässern, chloridreichen Böden oder verschmutzter Luft) kann Korrosion lokal begrenzt statt homogen auftreten. Beispiele hierfür sind:
• Lochfraßkorrosion: Tiefe, lokal begrenzte Löcher in Rohren, die zu winzigen Leckagen führen können.
• Erosionskorrosion: Beschleunigt durch turbulente Wasserströmungen bei hoher Geschwindigkeit, entfernt sie Schutzschichten und verdünnt die Rohrwände.
• Galvanische Korrosion: Wenn Kupfer mit unedleren Metallen in Kontakt kommt (zum Beispiel in gemischten Rohrleitungssystemen), wirkt es als Kathode und beschleunigt die Korrosion des anderen Metalls, das Kupfer selbst wird jedoch weniger stark beschädigt.
• Verschlechterung der Eigenschaften: Starke Korrosion verringert die mechanische Festigkeit, erhöht in manchen Fällen die Sprödigkeit und beeinträchtigt die Leitfähigkeit bei Bildung dicker Isolierschichten. In elektrischen oder thermischen Anwendungen können selbst geringfügige Oberflächenveränderungen die Leistung beeinträchtigen.
• Freisetzung von Kupfer in Wasser (Rohrleitungssysteme): Korrosives Wasser (niedriger pH-Wert, weiches Wasser, hoher Chlorid-/Sulfatgehalt, Stagnation) löst Kupfer aus den Rohren und führt zu:
• Blaugrüne Verfärbung an den Armaturen.
• Ein metallischer oder bitterer Geschmack im Trinkwasser.
• Hohe Kupferwerte, die die gesundheitsbezogenen Richtwerte überschreiten können.
• Untergrund-/Bodenkorrosion: In manchen Böden (hoher Sulfat-/Chloridgehalt, schlechte Drainage, Feuchtigkeit) verschlechtern sich die Schutzschichten, was zu einer beschleunigten Erosion führt.
• Weitere spezifische Auswirkungen: In Biokraftstoffen oder Ölen deutet Kupferkorrosion (gemessen mittels Kupferstreifentests) auf eine Kraftstoffzersetzung hin. In Endlagern für radioaktive Abfälle oder in marinen Umgebungen können Chloridionen die Korrosionsraten selbst bei niedrigen Sauerstoffkonzentrationen erhöhen.

Kupferkorrosion ist im Allgemeinen selbstlimitierend und schützt das Material, was Kupfer zu einem der widerstandsfähigsten Metalle für Dach-, Sanitär- und Elektroinstallationen macht. Probleme treten hauptsächlich unter aggressiven oder stehenden Bedingungen auf; in diesen Fällen sind vorbeugende Maßnahmen erforderlich (z. B. Wasseraufbereitung, Beschichtungen oder die Wahl einer geeigneten Legierung).

Zur Beurteilung der korrosiven Wirkung von Elastomeren – gummiartigen Polymeren, die häufig in Dichtungen, Dichtungsmaterialien oder Beschichtungen verwendet werden – auf Kupfer werden verschiedene Methoden eingesetzt.

Elastomere können durch die Auslaugung von Verbindungen wie Schwefel, Säuren, Aminen oder Halogenen korrosionsanfällig sein. Diese Verbindungen reagieren mit Kupfer und bilden Oxide, Sulfide oder andere korrosive Nebenprodukte. Dies ist besonders relevant in Anwendungen, bei denen Elastomere mit Kupferkomponenten in Kontakt kommen, beispielsweise in der Automobil-, Elektro- oder Sanitärtechnik. Die Beurteilung umfasst typischerweise kontrollierte Expositionsversuche mit anschließender quantitativer oder qualitativer Auswertung.

Die grundlegenden Vorgehensweisen sind folgende:

• Kontaktkorrosionsprüfungen in kontrollierten Umgebungen: Diese Prüfungen beschleunigen die Korrosion und liefern schnellere Ergebnisse, indem sie reale Bedingungen simulieren, unter denen Elastomere in direktem Kontakt mit Kupfer stehen. Für beschleunigte Prüfungen werden korrosive Umgebungen wie eine Salzsprühkammer (ASTM B117-Standard) oder eine 3-5%ige Natriumchloridlösung verwendet, um maritime oder industrielle Umgebungen nachzubilden.

Die Auswertung erfolgt wie folgt:

• Visuelle Inspektion: Es wird eine 5-Punkte-Skala verwendet (0 keine Korrosion, 1 sehr geringe, z. B. leichte Verfärbung), 2 leichte Lochfraßkorrosion, 3 mäßige, sichtbare Patina oder Ablagerungen, 4 starke, tiefe Lochfraßkorrosion, 5 extreme, strukturelle Schäden).
• Gravimetrische Messung (Gewichtsverlust): Kupferproben werden vor und nach der Korrosion gewogen. Die Korrosionsprodukte werden mit einer milden Säure entfernt, getrocknet und der Massenverlust berechnet. Ein hoher Gewichtsverlust deutet auf einen hohen Korrosionsgrad hin.
• Dimensionsänderungen: Die Dicke des Elastomers wird vor und nach der Behandlung gemessen, um ein Aufquellen oder eine Verformung festzustellen. Dies kann mit dem Eindringen aggressiver Substanzen zusammenhängen.
• Elektrochemische Methoden: Diese liefern quantitative Daten zur Korrosionskinetik und eignen sich für präzise Laboruntersuchungen.
• Elektrochemische Impedanzspektroskopie: Kupfer-Elastomer-Verbundwerkstoffe werden in einen Elektrolyten eingetaucht. Es wird eine Drei-Elektroden-Anordnung verwendet: Kupfer als Arbeitselektrode, Platin als Gegenelektrode und Silber/Silberchlorid als Referenzelektrode. Vor und nach der Exposition wird eine kleine Wechselspannung im relevanten Frequenzbereich angelegt. Ein niedrigerer Polarisationswiderstand deutet auf eine höhere Korrosionsrate aufgrund des Elastomereffekts hin.
• Potentialdynamische Polarisation: Hierbei handelt es sich um einen Versuchsaufbau ähnlich der elektrochemischen Impedanzspektroskopie. Die Messung wird mit und ohne Elastomerkontakt durchgeführt. Eine höhere Stromdichte führt zu einer schnelleren Korrosion des Elastomers. Für Kupferlegierungen wird die Norm ASTM G61 angewendet.
• Raster-Kelvin-Sonde: Mithilfe einer mikroelektrochemischen Messstation wird die Kupferoberfläche vor und nach der Elastomerexposition abgetastet. Die Volta-Potenzialdifferenzen werden gemessen, um Korrosionszonen zu kartieren.
• Die standardisierten Prüfverfahren speziell für Elastomere auf Kupfer lauten wie folgt:
• VW PV 3976 Verschleißfestigkeit von glänzenden Oberflächen im Fahrzeuginnenraum.
• ASTM E478 Standardprüfverfahren für die chemische Analyse von Kupferlegierungen.
• ASTM G38 Standardverfahren für die Herstellung und Verwendung von C-Ring-Spannungskorrosionsprüfkörpern

Seit vielen Jahren versteht unser Unternehmen mit seinen kompetenten und erfahrenen Mitarbeitern die Bedürfnisse seiner Kunden, bietet ihnen die benötigten fortschrittlichen Prüfdienstleistungen und unterstützt sie beim Aufbau, der Implementierung und der Optimierung von Managementsystemen. In diesem Rahmen bieten wir Unternehmen auch Dienstleistungen zur Bewertung der korrosiven Wirkung von Elastomeren auf Kupfer an.