Kunstmatige veroudering

Kunstmatige veroudering
Voorspellingen over het materiaalgedrag
|1
Kunstmatige veroudering
Samenvatting
Een vliegtuig wordt gebouwd met uiteenlopende materialen die worden blootgesteld aan
verschillende belastingen. Het vliegtuig start bijvoorbeeld in hete, tropische lucht en vliegt op een
hoogte van 10 km bij temperaturen ver onder nul. Bij deze extreme klimatologische verschillen
komen nog verdere belastingen zoals trillingen die inwerken op het materiaal tijdens de vlucht.
Deze belastingen kunnen het materiaal doen verouderen zodat de eigenschappen veranderen.
Daarom worden reeds tijdens de ontwikkeling kunstmatige verouderingstests uitgevoerd om
materiaalfalen tijdens de vlucht te voorkomen. Vaak worden echter om redenen van kosten
en tijd versnelde tests uitgevoerd die voor een verhoging van het belastingniveau zorgen.
De daaropvolgende analyse en beoordeling geven uitsluitsel over de geschiktheid van het
materiaal voor het beoogde doel. Dit kan vervolgkosten op grond van continue vervanging van
het component aanzienlijk reduceren.
|2
Inhoudsopgave
2Samenvatting
4 Wat is veroudering?
7 Excursie: Svante Arrhenius
9Soorten veroudering
12Kunstmatige veroudering
Was is kunstmatige veroudering?
Versnelde veroudering
Analyse en beoordeling
15Colofon
|3
Kunstmatige veroudering
Wat is veroudering?
Allerlei materialen worden door mensen voor uiteenlopende doeleinden ingezet. Tijdens de
gebruiksduur van de materialen worden deze blootgesteld aan verschillende invloeden en
belastingen die de levensduur sterk kunnen beïnvloeden. Een voorbeeld hiervan is een vliegtuig
dat bij hete, tropische lucht start en op een hoogte van 10 km gedurende een langere tijd bij
temperaturen ver onder nul vliegt. Bij deze extreme klimatologische verschillen komen nog verdere
belastingen zoals trillingen die inwerken op het materiaal tijdens de vlucht. Deze verschillende
belastingen kunnen het materiaal zodanig beïnvloeden dat de eigenschappen onomkeerbaar
veranderen. In een dergelijk geval spreekt men van veroudering van het materiaal. Dit is volgens
DIN 50035 deel 1 als
‘Totaliteit van alle in de loop van de tijd in een materiaal onomkeerbaar plaatsvindende
chemisch en natuurkundige processen’1
gedefinieerd. In principe kan aan de hand van de effecten een onderscheid worden gemaakt
tussen een chemisch en natuurkundig proces. In de regel verlopen deze processen tegelijkertijd
en leiden daarom tot complexe effecten. In de volgende afbeelding ziet u een vereenvoudigde
weergave van een verouderingsproces.
Verouderingsprocessen
u
u
Chemische veroudering
Natuurkundige veroudering
u
Verandering van
Verhoging van de
de kristalstructuur
kristalliniteit
uu
u
u
u
Scheurvorming
Relaxaties
Spanningsconcentratie
1
Breuk
u
u
DIN 500035 deel 1, sectie 1 Veroudering, 03-1989
|4
Kunstmatige veroudering
Wat is veroudering?
Bij een veroudering vindt altijd een negatieve verandering van materiaaleigenschappenplaats of
zelfs een verlies van de eigenschappen. In de materiaalwetenschap of bij de kwaliteitsborging
spreekt men in dit verband eerst van een materiaalmoeheid en uiteindelijk van een materiaalfalen.
Het gaat echter niet om een verouderingsproces als door de thermische behandeling van een
component de oorspronkelijke eigenschappen weer kunnen worden hersteld.
Als oorzaak voor een veroudering worden uiteenlopende factoren genoemd, die kunnen
worden onderverdeeld in twee categorieën. Enerzijds zijn er de zogenaamde interne factoren
bijvoorbeeld spanningsafbouw, fase- en structuurveranderingen of veranderingen in de
chemische samenstelling kunnen zijn. In deze whitepaper wordt echter niet verder ingegaan op
deze interne factoren. Bij de factoren van de tweede categorie gaat het om de externe oorzaken
van veroudering zoals temperatuurveranderingen, luchtvochtigheid, zuurstofconcentratie,
zichtbare, ultraviolette of ioniserende straling en chemische invloeden.
Verouderd materiaal
De veroudering van materiaal kan op zeer verschillende wijzen tot uiting komen. Dit is niet
alleen afhankelijk van de eigenschappen en de samenstelling van het materiaal, maar ook van
het soort belasting. De externe factoren onderscheiden zich in zes verschillende hoofdsoorten
veroudering die ook in combinatie kunnen optreden. Bij het voorbeeld van een vliegtuig gaat
het niet alleen om de thermische, klimatologische en mechanische belastingen maar ook om
corrosieve of elektrische belastingen. Een ander soort veroudering die niet veronachtzaamd
mag worden is de door UV-stralen veroorzaakte materiaalverandering die vooral bij polymeren
bijvoorbeeld door vergelingen optisch zichtbaar is. Verdere details over de verschillende soorten
belastingen die veroudering veroorzaken worden in hoofdstuk 4 toegelicht.
|5
Kunstmatige veroudering
Wat is veroudering?
Op grond van de vele verschillende invloeden kan een materiaal op verschillende manieren
verouderen. Dit wordt via de eigenschapsverandering met betrekking tot het materiaal
beschreven. Hierbij speelt het weerstandsvermogen tegenover een bepaalde belasting een
beslissende rol. In principe kan een eigenschapsverandering met deze vereenvoudigde formule
worden weergegeven:
eigenschapsverandering = weerstandsvermogen x belasting
De gevoeligheid kan echter in de loop van de veroudering veranderen, zodat de
eigenschapsverandering sneller of langzamer wordt. Dit kan worden beïnvloed. Bijvoorbeeld
door aan polymeren speciale stabilisatoren toe te voegen. Daardoor verandert de gevoeligheid
van polymeer. In principe is iedere organische materie in lucht instabiel en toont na een bepaalde
periode verouderingsverschijnselen. Dit kan ook met stabilisatoren niet worden vermeden, maar
alleen verlangzaamd worden.
Bovendien speelt niet alleen de samenstelling van het materiaal een rol bij de veroudering
maar ook de voorgeschiedenis en de verwerking. Juist bij de kunstmatige veroudering
waarop in hoofdstuk 5 wordt ingegaan is dit een belangrijk criterium, omdat hierbij ook
versnelde verouderingen worden uitgevoerd. Een ander belangrijk criterium is de opslag en de
eigenschapsveranderingen die daarbij ontstaan want reeds hier kunnen verouderingsreacties
bijvoorbeeld door thermische belastingen in gang worden gezet.
|6
Kunstmatige veroudering
Excursie: Svante Arrhenius
Svante August Arrhenius werd 1859 in Zweden geboren. Hij was de zoon van een inspecteur
aan de universiteit in Uppsala waar hij later wiskunde, chemie en natuurkunde studeerde. Na zijn
studie werkte Arrhenius bij de universiteit van Stockholm en werkte aan zijn hoofdzakelijke
interesse, het galvanische geleidingsvermogen van elektrolyten. Hiervoor publiceerde hij in 1887
een ‘chemische theorie over elektrolyten’ die aantoont dat elektrolyten in water of waterige
oplossingen uiteenvallen. Op basis hiervan ontstonden de tot nog toe geldende definities voor
zuren en basen. Hierbij wordt ervan uitgegaan dat zuren stoffen zijn die in waterige oplossing de
ionen H+(aq) vormen. Basen daarentegen zijn stoffen die in waterige oplossing de ionen OH– (aq)
vormen. Deze ionen kunnen echter weer geneutraliseerd worden tot water.
H O
H+ (aq) + OH– (aq) 
2
Op grond van zijn werk over dit onderwerp ontving Arrhenius in 1903 de Nobelprijs voor chemie.
Arrhenius hield zich echter niet alleen bezig met het uiteenvallen van elektro maar ook de
temperatuurafhankelijkheid van de reactiesnelheid. Hij stelde hiervoor een formule op die de
reactiesnelheidsconstante afhankelijk van de activeringsenergie en de temperatuur bepaalt.
k = A × e–Ea / (R × T)
kreactiesnelheidsconstantie
A
voor de reactie karakteristieke constante
Eaactiveringsenergie
R
ideale gasconstante
Ttemperatuur
De formule geeft aan in welke afhankelijkheid de temperatuur en activeringsenergie ten opzichte
van elkaar staan. Daarbij is de factor e–Ea / (R × T) het deel dat aangeeft wanneer de activeringsbarrière
overschreden is. Bij stijgende temperatuur neemt de reactiesnelheidsconstantie exponentieel
toe. Dit betekent dat reeds een kleine verhoging van de temperatuur een aanzienlijke verandering
of verhoging van de reactiesnelheid kan veroorzaken.
|7
Kunstmatige veroudering
Excursie: Svante Arrhenius
Hier wordt ook het verband met de veroudering van materialen duidelijk. De Arrhenius-formule
legt dus uit waarom een thermische veroudering plaatsvindt en waarom men deze ook
kunstmatig kan versnellen. Er zijn echter verouderingsmechanismen die niet kunnen worden
berekend met de Arrhenius-formule.
Met zijn formule voor de berekening van de reactieconstanten heeft Arrhenius een benadering
gerealiseerd die in vele bereiken wordt toegepast. Deze vormt de basis voor verschillende
verouderingsmodellen die vandaag de dag voor verouderingsprognoses worden gebruikt.
|8
Kunstmatige veroudering
Soorten veroudering
Thermische belastingen
Men spreekt van thermische belastingen als het materiaal blootgesteld wordt aan verschillende
temperaturen. Hierbij kan de temperatuur constant gedurende een langere periode stabiel
blijven of continu veranderen. Daarbij heeft de temperatuur afhankelijk van de eigenschappen
en de samenstelling van het materiaal volledig verschillende invloeden. Daarom verouderen
verschillende materialen die samen ingebouwd zijn in een verschillend tempo.
Hogere temperaturen zijn echter de meest optredende oorzaak voor een veroudering van het
materiaal. Dit heeft ermee te maken dat door de temperatuurverhoging in de regel een versnelling
van de chemische reactie wordt veroorzaakt. Chemische reacties tussen het materiaal en de
zuurstof- of waterstofatomen in de lucht treden altijd op en kunnen niet worden voorkomen.
Klimatologische belastingen
Onder klimatologische belastingen verstaat men een samenspel van temperatuur en
luchtvochtigheid. Daarbij is de luchtvochtigheid afhankelijk van de temperatuur. Bij hogere
temperaturen kan meer water in het gasmengsel lucht worden opgenomen.
Klimatologische belastingen
De relatieve luchtvochtigheid geeft aan hoe hoog het aandeel is van het opgenomen water met
betrekking tot het maximale aandeel bij een bepaalde temperatuur. Als de temperatuur daalt en
er geen water wordt afgegeven, stijgt de relatieve luchtvochtigheid.
Dit samenspel van temperatuur en luchtvochtigheid moet voor de veroudering van materialen
in samenhang worden beschouwd. Daarbij is de luchtvochtigheid net als de temperatuur een
versnellingsfactor voor chemische reacties. De luchtvochtigheid versnelt de veroudering van
een materiaal net zoals de temperatuur.
Corrosieve belastingen en chemische veroudering
|9
Kunstmatige veroudering
Soorten veroudering
Corrosie vindt altijd aan de oppervlakte plaats en kan alleen bij binding van een reactiepartner
plaatsvinden. De chemische reactie die corrosie veroorzaakt kan echter niet plaatsvinden zolang
er onvoldoende activeringsenergie beschikbaar is.
Bij corrosieve belastingen, zoals bij iedere corrosie, verandert in de loop van de reactie steeds
meer oppervlak. Als men het verloop van de corrosie als functie wilt weergeven zou deze sterk
lijken op de logaritmefunctie.
Mechanische belastingen
Een ander soort belasting die veroudering veroorzaakt is de mechanische belasting. Deze
beschrijft het aantal buigbewegingen die een materiaal kan verdragen. Afhankelijk van de
buigradius of spanning waaronder het materiaal staat varieert het aantal buigbewegingen
zeer sterk.
Tot de effecten van mechanische belastingen behoort ook het kruipen van een materiaal. Dit is
een ‘plastische vervorming van een materiaal onder belasting’2. De effecten van de mechanische
belasting zijn echter niet alleen afhankelijk van het soort materiaal, maar variëren ook zeer sterk
op grond van de samenstelling.
Elektrische belastingen
Elektrische belastingen treden uitsluitend bij en elektrisch aangedreven bouwelementen op.
De veroudering bij dergelijke bouwelementen is afhankelijk van het elektrische veld, de spanning
en de inwerkduur.
UV-veroudering
Bij de UV-veroudering gaat het om effecten die in de regel ontstaan door zonnestralen en
in zelden voorkomende gevallen door kunstmatig opgewekt UV-licht. De zon veroorzaakt
bijvoorbeeld een verkleuring van het oppervlak of zelfs een veroudering op moleculair niveau bij
polymeren.
Er zijn vele processen die plaatsvinden bij de veroudering door zonnestralen. Deze worden
toegewezen aan drie reactie typen: de fotolyse, de foto-oxidatie en de fotokatalyse.
2
Rösler, Joachim/Harders, Harald/Bäker, Martin, Mechanisch gedrag van grondstoffen, B.G. Teubner Verlag, 2006, Wiesbaden
|10
Kunstmatige veroudering
Soorten veroudering
Bij de fotolyse wordt een foton geabsorbeerd en deze energie activeert een chemische reactie
die zonder deelname van zuurstof verloopt.
H H
C C
HCl n

+ hʋ
HH
C
HC = CH C
+m HCI
H mCl
Daarentegen is bij de foto-oxidatie naast de fotonenergie ook nog zuurstof uit de lucht nodig om
een verouderingsproces in gang te zetten.
RH



+ hʋ
R• + O2
R• + H•
RO2•
RO•2 + RH
ROOH + R•
De fotokatalyse kan slechts plaatsvinden als halfgeleidereigenschappen op het oppervlak
van het materiaal aanwezig zijn. Door de fotonenergie bij zonnestralen worden dan radicalen
gevormd zodat een oxidatie in het materiaal kan plaatsvinden.
u
u
Geleidingsbande–
Opwekking
Energiekloof
Recombinatie
u
u
Valentiebandh+
|11
Kunstmatige veroudering
Kunstmatige veroudering
Was is kunstmatige veroudering?
Men spreekt van kunstmatige veroudering als door kunstmatig opgewekte belastingen
wordt geprobeerd het verouderingsproces van een materiaal te simuleren. Hiervoor worden
bijvoorbeeld omgevingssimulatiekasten, weer- of trillingstestsystemen gebruikt.
De kunstmatige veroudering wordt in de regel bij de ontwikkeling van nieuwe producten of bij
onderzoek ingezet. Juist in de ontwikkeling is het belangrijk de eigenschapsveranderingen te
observeren en te documenteren. Hierbij moet natuurlijk een reproduceerbaar resultaat worden
bereikt. Op deze wijze kan de uitvalwaarschijnlijkheid worden beschouwd. Onder uitval wordt
hier ook verstaan de verkleuring of vergeling van een component bijvoorbeeld in het interieur
van een auto door zonnestralen.
Op grond van vele verschillende materialen die moeten worden blootgesteld aan een kunstmatige
veroudering zijn in de laatste jaren uiteenlopende normen en richtlijnen ontstaan. Deze regelen
de parameters en testsystemen om reproduceerbare resultaten te genereren. Op het gebied
van elektrische isolatiestoffen zijn vooral IEC 60216, ASTM D5423 en ASTM D5374 belangrijke
testnormen voor thermische belastingen. De tests voor de bepaling van de thermische
langetermijneigenschappen zoals ze in de bovengenoemde normen beschreven worden,
worden in speciale laboratoriumovens uitgevoerd zoals de BINDER FP 115-S.
|12
Kunstmatige veroudering
Kunstmatige veroudering
Versnelde veroudering
De versnelde veroudering wordt steeds belangrijker omdat de testresultaten sneller beschikbaar
zijn en daarmee kosten en tijd bespaard kunnen worden. De basis voor de versnelde veroudering
is dat de eigenschappen op grond van verschillende toegepaste methode gedurende de
tijd veranderen. Dergelijke methoden zijn bijvoorbeeld het verbergen van rusttijden, het
veronachtzamen van minder belastende secties of de verhoging van het belastingniveau.
Versnelde veroudering en worden bijvoorbeeld ook toegepast op lijmverbindingen die dagelijks
worden gebruikt. Een voorbeeld dat iedereen kent zijn de chips op creditcards. Deze worden
opgeplakt en moeten ook onder de meest uiteenlopende klimatologische en mechanische
belastingen bestand blijven. Daarbij wordt niet alleen de opslag bij hoge temperaturen, maar
ook klimaatwisseltests aan de lijmverbindingen doorgevoerd. Voor dergelijke tests worden
omgevingssimulatiekasten gebruikt die ook BINDER in zijn programma heeft.
Het probleem bij kunstmatige veroudering is dat in de tests van de componenten kunnen uitvallen
dan later in het veld. Dit komt door de hoogte van de activeringsenergie voor de chemische
reactie. Bij de thermisch versnelde veroudering wordt geprobeerd een tijds voor door een hogere
temperatuur te bereiken. Daarbij wordt voldoende om van dat activeringsenergie geleverd voor
reacties die in het veld zo niet voorkomen. De verificatie van een test op bouw is dus noodzakelijk.
Dit gebeurt bijvoorbeeld op het gebied van weersinvloeden. Hier wordt de testopbouw van
een weersysteem vaak aan de hand van vrije weersinvloeden getest. De testobjecten worden
parallel in het vrije veld blootgesteld aan de verschillende belastingen en daarna vergeleken met
de testobjecten in het weersysteem. Als oppervlakken voor de vrije weersinvloeden worden dan
bijvoorbeeld het dak van het laboratorium of het kantoorgebouw gebruikt.
Toch neemt de druk steeds toe om tests en methoden verder te versnellen en snellere resultaten
te verkrijgen. Daarbij komt het belastingniveau steeds hoger te liggen. Daarmee wil men vooral
tijd bij verouderingstest en daarmee ook kosten in de ontwikkeling besparen.
|13
Kunstmatige veroudering
Kunstmatige veroudering
Analyse en beoordeling
Na de uitgevoerde belastingtests moeten deze worden geëvalueerd. Hiervoor moet de
veroudering van materiaal kunnen worden gemeten.
Hiervoor bestaat enerzijds de mogelijkheid een beschouwing van de uitvalwaarschijnlijkheid aan
de hand van meerdere testobjecten uit te voeren. Bepalend daarbij is de tijd die vergaat totdat
een vastgelegd aantal testobjecten uitvalt.
Een andere mogelijkheid van de meting is de beschouwing van de eigenschapsveranderingen
gedurende een gedefinieerde periode. Daarbij moet er echter rekening mee worden gehouden
dat de verschillende eigenschappen verschillend snel kunnen veranderen.
De daaropvolgende analyse en beoordeling geven eerst uitsluitsel over de geschiktheid van
een component, een onderdeel of een materiaal voor het beoogde gebruik. Onder bepaalde
omstandigheden moet een nieuwe materiaalsamenstelling of een andere component worden
gezocht en moeten de tests opnieuw worden uitgevoerd. Dit betekent een nog langere
ontwikkelingstijd en nog meer kosten. Toch zijn deze kosten nog te overzien, vooral als men
deze vergelijkt met eventuele vervolgkosten.
|14
Kunstmatige veroudering
Colofon
|Auteur
Ina Kanngiesser werkt als Product Manager Environmental Simulation bij BINDER GmbH en is
daar verantwoordelijk voor de omgevingssimulatiekasten die in de wetenschap en in de industrie
worden ingezet.
| Bedrijfsprofiel
BINDER is de grootste specialist ter wereld voor simulatiekasten voor wetenschappelijke
en industriële laboratoria. Met de technische oplossingen levert de onderneming een
belangrijke bijdrage aan de verbetering van de gezondheid en veiligheid van de mensheid.
Het productprogramma is zowel geschikt voor routinetoepassingen als voor uiterst specifieke
werkzaamheden in onderzoek en ontwikkeling, productie en kwaliteitsborging. Met momenteel
ca. 400 medewerkers wereldwijd en een exportpercentage van 80 % behaalde BINDER in 2014
een omzet van meer dan 60 mln. euro.
| Contact
BINDER GmbH
Im Mittleren Ösch 5
78532 Tuttlingen
Tel.: +49(0)74 62-20 05-0
[email protected]
www.binder-word.com
|15
Kunstmatige veroudering
Colofon
| Bronnen
http://kunststoffreport.de/materialalterung
http://www.bam.de/de/kompetenzen/fachabteilungen/abteilung_5/fg51/fg51_ag3a.htm
http://www.chemie.de
www.binder-world.com
http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/1903/arrhenius-bio.html
http://www.seilnacht.com/chemiker/chearr.html
Mortimer, Charles E./ Müller, Ulrich, Chemie – Das Basiswissen der Chemie,
8., Compleet bewerkte uitgave, Georg Thieme Verlag, 2003, Stuttgart
Rösler, Joachim/ Harders, Harald/ Bäker, Martin, Mechanisch gedrag van grondstoffen,
B.G. Teubner Verlag, 2006, Wiesbaden
Ehrenstein, Gottfried W./ Pongratz, Sonja, Bestendigheid van kunststoffen – Band 1,
1e uitgave, Carl Hanser Verlag, 2007
|16