Einfluss von Chemikalien auf Bauteilfestigkeit
Ziel und Hintergrund, Maximilian Wimmer, 14.06.2025
Für Bauteile in einer Kaffeemaschine ist die Beständigkeit gegenüber chemischen Reinigungs- und Entkalkungsmitteln von großer Bedeutung. In diesem Arbeitspaket wird untersucht, wie sich eine längere Exposition gegenüber solchen Chemikalien auf das Materialverhalten auswirkt. Die Proben werden dafür in eine geeignete Lösung eingetaucht, in diesem Fall ein Bleichbasiertes Reinigungsmittel. Im Datenblatt von GreenTEC Pro steht hierzu das der Kunststoff speziell anfällig gegenüber solcher Chemikalien ist, weshalb hier untersucht wird welche Auswirkungen eine Reinigung mit solch einem Mittel auf die Bauteilfestigkeit hat. Ziel ist es, potenzielle Materialschwächungen oder Beeinträchtigungen der Oberflächenstruktur zu identifizieren.
Versuchsaufbau und Versuchsablauf
Versuchsaufbau
Der Versuch von Chemische Einwirkung auf Bauteilfestigkeit läuft in vielen Aspekten ähnlich wie der von dem Einfluss von Wasser. Zur Untersuchung wurden ebenfalls neun Probekörper verwendet, aufgeteilt in drei Gruppen:
- 3 flach gedruckte Zugproben
- 3 hochkant gedruckte Zugproben
- 3 Schlagbiegeproben
Die Proben wurden vor dem Einlegen in die Chemische Lösung vermessen (Länge, Breite, Höhe) und gewogen, um potenzielle Veränderungen in Geometrie oder Masse im Nachgang identifizieren zu können.
Versuchsablauf
Die Bauteile wurden für 15 Minuten in eine Reinigungslösung eingelegt, um ein intensives bzw. wiederholtes Reinigen zu simulieren. Die Lösung bestand aus einem Mischungsverhältnis von 1:5 (Reinigungsmittel zu Wasser), konkret 200 ml Wasser und 40 ml eines stark alkalischen Reinigungsmittels. Dieses Verhältnis entspricht den Herstellerangaben für reguläre Reinigungsanwendungen. Nach Ablauf der Einwirkzeit wurden die Bauteile vorsichtig entnommen und mit klarem Wasser abgespült, um Rückstände des Reinigungsmittels zu entfernen und die Prüfteile für die anschließenden Untersuchungen vorzubereiten. Auch hier folgen die Schlagbiegeproben zeitlich versetzt, da ein Wechsel der Prüfaufbauten im Labor mit einem höheren organisatorischen Aufwand verbunden war. Um dennoch vergleichbare Ergebnisse zu erhalten, wurden die Schlagbiegeproben denselben Bedingungen unterzogen.
Dokumentation und Beobachtungen
Nach der chemischen Einwirkung zeigten die Prüfkörper keine sichtbaren Verformungen oder optischen Auffälligkeiten. Lediglich die Beschriftungen mit Permanentmarker hatten sich gelöst. Die gemessenen Abmessungen (Länge, Breite, Höhe) blieben bei allen Proben unverändert im Vergleich zu den Ausgangswerten. Beim Gewicht der Schlagbiegeproben wurde eine Veränderung von etwa 8 % festgestellt. Da jedoch einige dieser Proben leichte Druckfehler aufwiesen, lässt sich nicht mit Sicherheit sagen, ob die Abweichung ausschließlich durch den Chemikalieneinfluss verursacht wurde.
Insgesamt fiel das Ergebnis der chemischen Belastung deutlich besser aus als zunächst erwartet, insbesondere in Anbetracht der Tatsache, dass das verwendete Reinigungsmittel laut Herstellerdatenblatt als potenziell kritisch für Kunststoffe eingestuft wird.
Laborversuch
Zugversuch
Ähnlich wie bei der Untersuchung von Einfluss von Wasser, wurden hier auch nicht alle Z-Proben verwendet. Die Daten der Prüfungen finden sich in [Bild 1] sowie die Spannungs-Dehnungsdiagramme in [Bild 2] und [Bild 3].
Bild 1: Zugversuchdaten des ersten Laborversuchs, Einfluss Chemie
Bild 2: Spannungs-Dehnungsdiagramm der Flachgedruckten Zugstäbe
Bild 3: Spannungs-Dehnungsdiagramm der Hochkanntgedruckten Zugstäbe
Eine genauere Gegenüberstellung der Daten findet sich in [Tabelle 1]:
| Parameter | Ohne Einfluss | Nach Lösung | Veränderung |
|---|---|---|---|
| E-Modull Et (MPa) | ~3829 | ~2336 | ↓ ca. 39 % |
| Streckgrenze σy (MPa) | ~40,5 | ~32.6 | ↓ ca. 20 % |
| Streckdehnung εy (%) | ~2,02 | ~2,57 | ↑ ca. 27 % |
| Bruchspannung σb (MPa) | ~32 | ~21.6 | ↓ ca. 33 % |
| Technische Bruchdehnung εtb (%) | 3,3 | 6,4 | ↑ ca. +80 % |
Es zeigen sich bei den anschließenden Zugversuchen signifikante Veränderungen der Materialeigenschaften im Vergleich zur Referenzserie ohne Einfluss. Der Elastizitätsmodul sank stark, was eine deutlich geringere Steifigkeit des Materials nach der chemischen Belastung bedeutet. Auch die Streckspannung und Bruchspannung reduzierten sich um ca. 20 % bzw. 33 %, was auf eine generelle Abschwächung der mechanischen Festigkeit hinweist.
Auffällig ist jedoch, dass sich die Dehnungseigenschaften im Gegensatz dazu verbessert haben: Die Streckdehnung stieg um rund 27 %, und die Bruchdehnung konnte im Gegensatz zu den spröden Vergleichsproben ohne Einfluss überhaupt zuverlässig gemessen werden. Sie lag durchschnittlich bei 6,4 %, was auf ein deutlich duktileres (weniger sprödes) Verhalten der Proben nach chemischer Einwirkung schließen lässt.
Schlagbiegeversuch
Der Schlagbiegeversuch wurde, abgesehen einer zweiwöchigen Verzögerung, unter denselben Bedingungen durchgeführt wie der Zugversuch.
Fazit
Die Ergebnisse zeigen, dass die Reinigungslösung das Materialverhalten eindeutig veränderen. Die Proben werden weicher, weniger steif und zeigen verringerte Festigkeiten. Gleichzeitig verbessert sich das Verformungsverhalten, was auf molekulare Umstrukturierungen oder ein leichtes Anlösen von Polymerketten hindeuten könnte. Trotzdem ist zu sagen das im Datenblatt eine Lösung wie diese als sehr problematisch dargestellt wird. In Bezug darauf ist das Ergebnis besser als erwartet. Die Bauteile zeigen keine sichtbaren Schäden oder Verformungen und behalten maßlich ihre ursprüngliche Form bei. Insgesamt deuten die Daten darauf hin, dass kurzfristige oder vereinzelte Reinigungsvorgänge keine unmittelbare Gefahr für die strukturelle Integrität darstellen, bei häufiger oder längerer Belastung aber ein Festigkeitsverlust sehr Relevant werden. Aus diesem Grund sollte ein nicht-bleichbasiertes Reinigungsmittel verwendet werden.