Analyse von Kontaminationen auf Polymeroberflächen

Kunststoffe sind herausragende Materialien, die sowohl in ihrer Form als auch in ihrer Funktion sehr vielfältig an die jeweiligen Anforderungen angepasst werden können. Grundmaterialien von Kunststoffen sind organische Makromoleküle (Polymere), die sich aus wiederholenden Einheiten zusammensetzen. Die Eigenschaften von Polymeren wie mechanische Festigkeit und Härte, Stabilität bei erhöhten Temperaturen, chemische Beständigkeit, Licht- und UV-Beständigkeit, Benetzbarkeit, Gleitverhalten, Farbe usw. können in vielfältiger Weise verändert und optimiert werden. Hierzu werden Polymeren bei der Herstellung von Kunststoffprodukten üblicherweise Additive zugesetzt. Zudem können die Eigenschaften von Kunststoffen im Bereich der Oberfläche durch das Aufbringen funktioneller Gruppen (Funktionalisierung) passgenau eingestellt werden. Funktionalisierungen spielen vor allem in der Veredelung von Kunststoffen eine große Rolle, da ein dauerhaft haltbarer Oberflächenaufbau oft erst durch eine gezielte Modifikation der Oberflächenchemie möglich wird.

In unserem Labor setzen wir verschiedene Methoden der Oberflächenanalytik ein, um Kunststoffoberflächen zu analysieren. Anlass für eine Analytik können Ausblühungen sein, Probleme bei der Weiterverarbeitung, Haftprobleme, Fragen zum Vernetzungsgrad des Polymers, Rückstände aus vorhergehenden Prozessen oder Fremdkontaminationen der Oberfläche und viele andere mehr.

Kontaminationen auf Polymeroberflächen können sowohl den Erfolg von Funktionalisierungen und nachfolgender Beschichtungsprozesse als auch die angestrebte Funktion eines Kunstsstoffprodukts stören. Das folgende Beispiel zeigt dies am Beispiel einer polymerbasierten Membran, die in einer Polymerelektrolytbrennstoffzelle (PEM bzw. Solid Polymer Fuel Cell (SPFC)) zum Einsatz kam. Durch im Labor der Tascon durchgeführte XPS Analysen einer schadhaften Membranoberfläche konnte die Ursache für die unzureichende Funktionalität beim Übergang von der Laborerprobung zur Kleinserie gefunden werden.

Fuel Cell - Brennstoffzelle

Ausfall einer Elektrolytmembran
Ursachenforschung mit der XPS Analytik

Bei Versuchsreihen zur Optimierung von SPFCs wurde ein sulfoniertes Polyetherketon (sPEEK) als besonders geeignete Membran identifiziert. Bei der Umstellung der Produktion von der Labor- auf die Kleinserienfertigung erwiesen sich die elektrolytischen Eigenschaften der verwendeten sPEEK Membran allerdings als unzureichend. Mit Hilfe von XPS Analysen im Labor der Tascon sollte der Grund für die mangelnde Leitfähigkeit der in der Kleinserie erfolgreich verwendeten Elektrolytmembran ermittelt werden. Hierzu wurden vergleichende XPS Analysen der funktionalen Membranen der Laborfertigung (Referenz) mit Ausfallteilen der Kleinserienfertigung durchgeführt.

Die XPS Analyse des C 1s Signals einer sPEEK Referenz und der Kleinserien-Membran zeigte deutliche Unterschiede in den Peakformen, die auf eine Fremdkontamination der Oberflächen hindeutete. Weitere XPS Analysen ergaben, dass es sich bei dieser Kontamination um Polyethylenterephthalat (PET) handelte. Die Abbildung zeigt C 1s Signale einer sPEEK (oben) und einer PET-Referenz (Mitte). Die Daten verdeutlichen, dass PET anhand des COO-Signals (C5) eindeutig von sPEEK unterschieden werden kann. Aus der nachfolgend durchgeführten quantitativen Analyse der XPS-Daten der Membran (Abbildung unten) ließ sich eine PET Belegung der Oberfläche von ca. 10 % ableiten. Als Ursprung der PET-Kontamination wurde eine bei der Membranherstellung verwendete PET-Trägerfolie identifiziert. Durch einen Wechsel des Materials der Trägerfolie konnte das Kontaminationsproblem schließlich gelöst werden.

Tascon – Ihr Partner für die Analyse von Brennstoffzellen

Die Tascon ist Ihr starker Partner bei der Analyse von Kontaminationen auf Polymeren und Kunststoffen. Neben einer Vielzahl oberflächenanalytischer Techniken und jahrelanger Erfahrung bieten wir Ihnen zusätzlich Beratung rund um den Analyseauftrag von der Analyseplanung über die Durchführung der Oberflächenanalytik bis hin zur Erörterung der Ergebnisse und deren mögliche Auswirkungen auf Ihre Verarbeitungsprozesse. Kontaktieren Sie uns und lassen Sie sich unverbindlich beraten.

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