Anwendungsbeispiel

Materialanalysen von PFAS und Polysiloxane

Präzise Materialprüfung von polymerbasierten Schmierstoffen

Die heutige Materialanalytik ermöglicht die präzise Analyse vieler Substanzen. Infolgedessen können auch komplexe Verbindungen, wie polymerbasierte Schmierstoffe analysiert werden. Besser bekannt sind polymerbasierte Substanzen als per- und polyfluorierte Alkylsubstanzen (PFAS) sowie Polydimethylsiloxane (PDMS). Polymerbasierten Verbindungen sind in der Industrie weit verbreitet – und für einige Industrien sogar unverzichtbar. Häufig finden sie Verwendung als Kontaktschutzöl. Die Gründe dafür sind ihre einzigartigen physikalischen und chemischen Eigenschaften. Perfluorierte Polyether (PFPE), Substanzen aus der PFAS-Gruppe, sind chemisch beständig, weisen eine geringe Oberflächenspannung auf und sind thermostabil. PDMS findet Verwendung aufgrund thermostabiler Eigenschaften, geringem Reibwert und geringer Oberflächenenergie, weshalb sie auch gerne als Trennmittel Verwendung finden.

Beispielbranchen

Elektronikindustrie
Automobilindustrie
Medizin
Lebensmittelindustrie
Luft- und Raumfahrttechnik
Prozessindustrie
Glasindustrie (Optik)

Typisches Verwendung

Kontaktschutzöl auf Relais, Steckkontakten,
Elektromotoren und Schleifringen
Schutz vor Feuchtigkeit, Oxidation (Korrosion) und Staub
Kontaktschutzöl an Sensoriken und Steckkontakten
Schutz vor Feuchtigkeit und Oxidation (Korrosion)
Schmiermittel (Schutzfilm) von Prothesen und Implantaten
Reduzierung der Reibung
Trennmittel bei Pflastern
Antihaftbeschichtungen
Beschichtungen, Schmierstoffe, Schutzöle
Stabilität gegenüber extremen Zustandsgrößen (Temperaturen, Drücken, …)
Dichtungs- und Schmierstoffe in Reaktoren
Chemische Stabilität gegenüber korrosiven Umgebungen
Schutzfilm (Antikratzbeschichtung)
Hydrophobe Beschichtung (Lotus-Effekt)

Im Zuge der aktuellen Diskussionen über das Verbot von PFAS, sowie den nachhaltigen und umweltfreundlichen Einsatz von Chemikalien steigt das Bedürfnis über detaillierte Informationen dieser Kontaktschutzöle. Aber auch für die Ursachenforschung bei Schadensfällen werden detailliierte Informationen über die chemische Zusammensetzung der polymerbasierten Kontaktschutzöle benötigt, um die Ursache für den Ausfall zu bestimmen. Die TOF-SIMS Technologie, eine hochempfindliche Massenspektrometrie, bietet eine effektive und schnelle Möglichkeit der Materialanalyse.

Materialanalysen zur Strukturaufklärung von PFPE und Polysiloxane mit dem TOF-SIMS Verfahren

Im Bereich von technischen Bauteilen wie Schleifringen oder Elektromotoren werden oftmals PFAS – konkret perfluorierte Polyether (PFPE) – als Kontaktschutzmittel eingesetzt. PFPE bezeichnet hierbei aber lediglich die Substanzgruppe. Innerhalb dieser Gruppe existieren eine Vielzahl von Kontaktschutzölen. Sie unterscheiden sich zum einen in ihrer Additivierung (zur Charakterisierung von Additiven siehe Anwendungsbeispiel „Materialanalysen an Schmierstoffen: Anwendungsbeispiele – Nachweis und exakte Identifizierung von Schmierstoffbelägen mittels TOF-SIMS“) aber auch in ihrer molekularen Struktur. Wie bei anderen Polymeren können sie mit unterschiedlichen Repetiereinheiten (Wiederholeinheiten) und unterschiedlichen Molekulargewichtsverteilungen vorliegen. Diese Faktoren haben einen großen Einfluss auf die physikalisch-chemischen Eigenschaften des Kontaktschutzöls. In den Sicherheitsdatenblättern werden bezüglich der chemischen Zusammensetzung meist nur Angaben zur Substanzgruppe, wie beispielsweise perfluorierte Polyether (PFPE) gemacht. Details zur spezifischen Chemie werden aufgrund von Firmengeheimnissen selten veröffentlicht.

Mithilfe des TOF-SIMS Verfahrens und spezieller Probenpräparation können sowohl die Chemie, die Wiederholeinheiten und die Molekulargewichtsverteilung der polymeren Grundöle charakterisiert werden.

Ergebnisse: TOF-SIMS-Analyse an polymerbasierten Schmierstoffen

Die Analyse von Schmierstoffen mit dem TOF-SIMS Verfahren liefert detaillierte Informationen über ihre chemische Zusammensetzung. Darüber hinaus können Verunreinigungen, Fremdkontaminationen aber auch chemisch-physikalische Veränderung durch Degradation identifiziert werden.

Fallbeispiel 1: Charakterisierung der Wiederholeinheit und des Molekulargewichts eines PFPEs

Das vorliegende Beispiel behandelt die Materialanalyse eines PFPE-Öls. Nach spezieller Probenpräparation kann das PFPE direkt analysiert werden.

Die Peak-Pattern (R) im Ausschnitt des massenspektrometrischen Spektrums der negativen Sekundärionen weisen auf einen perfluorierten Polyether mit einer Wiederholeinheit von 166 u hin. Das Kontaktschutzöl kann eindeutig einem PFPE-Öl der Krytox®-Familie zugewiesen werden.

Im Ausschnitt des TOF-SIMS Spektrums der positiven Sekundärionen wird die Molekulargewichtsverteilung des Kontaktschutzöls gezeigt.

Mithilfe der durch die Materialanalysen gewonnen Informationen über die chemische Zusammensetzung der polymerbasierten Schutzöle wie PDMS und PFAS (wie beispielsweise PFPE) können diese eindeutig identifiziert werden.

Fallbeispiel 2: vergleichende Materialanalysen von PFPE - Kontaktschutzölen

Wir als Dienstleister in der Material- und Schadensanalytik stellen oftmals fest, dass die Nutzung vermeintlich identischer Kontaktschutzöle zu erheblichen Schäden führen kann. Unterschiede in den End- und Seitengruppen sowie in der Molekulargewichtsverteilung beeinflussen die chemisch-physikalischen Eigenschaften des Kontaktschutzöls. Daher werden in der Praxis oftmals die Öle betroffener Bauteile mit Produktreferenzen (beispielsweise dem vom Hersteller empfohlenen Kontaktschutzöl) verglichen.

Die obere Darstellung zeigt Ergebnisse der Analysen eines Schadensfalls. Hintergrund der Untersuchung war der Ausfall von technischen Bauteilen (Elektromotoren und Schleifbahnen). Im ersten Beispiel konnte bei beiden PFPE die identische Wiederholeinheit identifiziert werden. Unterschiede wurden im Molekulargewicht der Kontaktschutzöle deutlich. Während man bei der Referenz ein mittleres Molekulargewicht von 3400 u feststellen konnte, lag das Molekulargewicht der Probe des Bauteils bei 2300 u. Da das Molekulargewicht stark mit der Viskosität des Schmierstoffes zusammenhängt, liegt es nahe, dass das falsch verwendete PFPE (niedrigere Viskosität) für den Ausfall verantwortlich ist.

Im weiteren Beispiel ergab der Vergleich den Einsatz eines falschen PFPE-Typus. Während die Referenz und das erste Bauteil ein PFPE gleichen Typus Fomblin® als auch eine sehr ähnliche Molekulargewichtsverteilung (2500 u) aufweisen, ergab die Materialanalyse an den weiteren Bauteilen ein ganz anderes PFPE. Hier ergab die Analyse, dass es sich um den PFPE-Typ Demnum® mit einem mittleren Molekulargewicht von etwa 3900 u handelt. Die Folge sind erhöhter Verschleiß durch unzureichende Schmierleistung.

Fallbeispiel 3: Materialanalyse von medizinischen Beschichtungen auf Polysiloxan-Basis

Im letzten Fallbeispiel wird die Untersuchung einer Polysiloxan-Beschichtung (PDMS) von medizinischen Spritzen behandelt. Hintergrund der Untersuchung war die genaue Bestimmung der PDMS-Beschichtung der Nadeln. Denn die gewonnenen Informationen sich wichtig für die Beurteilung im Kontext der Funktionalität und Patientensicherheit. Medizinische Unternehmen müssen gewährleisten, dass die verwendeten Materialien (hier PDMS) biokompatibel sind. Zudem dürfen die Substanzen keine toxikologische Eigenschaften haben, wodurch gesundheitliche Probleme hervorgerufen werden können. Zusätzlich hängt die Gleiteigenschaft stark von dem mittleren Molekulargewicht des verwendeten PDMS ab.

Die Materialanalyse mittels TOF-SIMS ermöglichte die genaue Charakterisierung der PDMS-Beschichtung. Die Ergebnisse zeigen, dass es sich um ein niedermolekulares CH₃-terminiertes PDMS mit einem mittleren Molekulargewicht von 2000 u handelt. Durch die CH₃-Endgruppen ist gewährleistet, dass es zu keinen Reaktionen im Körper kommt (beispielsweise der Reaktion mit Wasser). Es ist dementsprechend ungiftig für den menschlichen Organismus.

Zusammenfassung: Schadens- und Materialanalyse an PFAS/PFPE und Polysiloxane

Die Analyse von polymerbasierten Schmierstoffen wie PFPE und Polysiloxane (PDMS) haben für die Industrie und Medizin eine hohe Relevanz. Aufgrund Ihrer chemisch physikalischen Eigenschaften wie chemische Beständigkeit, geringe Reibung und Temperaturstabilität, werden sie überall verwendet. Jedoch unterscheiden sich ihre Eigenschaften stark nach molekularer Struktur, Molekulargewichtsverteilung und Additivierung. Erfahrungen aus der Praxis zeigen, dass vermeintlich gleiche PFPE und Polysiloxane (PDMS) Schmierstoffe Unterschiede in ihrer chemischen Zusammensetzung und Struktur aufweisen. Der Gebrauch falscher Schmierstoffe kann beispielweise zu erhöhtem Verschleiß, Belägen auf elektrischen Kontakten und benachbarten Bauteilen führen, was schließlich zu Funktionsausfällen und kostenintensiven Reparaturen führen kann. Die TOF-SIMS Technologie bietet eine effiziente Methode zur Material- und Schadensanalytik von polymerbasierten Schmierstoffen wie PFPE oder PDMS. Die hohe Empfindlichkeit ermöglicht:

Exakte Materialanalyse: präzise Charkateriserung von Grundölen, Additiven, Wiederholeinheiten und Molukulargewichtsverteilungen poylmerbasierter Schmierstoffe
Flexible Probennahme: Probennahme zerstörungsfrei, auch vor Ort umsetzbar

Kontaktieren Sie uns, um mehr über unsere Material- und Schadenanalysen im Bereich polymerbasierter Schmierstoffe zu erfahren. Wir unterstützen Sie gerne bei Fragen aus der Industrie und Medizin.

Veröffentlichungen

¹Kontaktschutzöl auf Schleifringüberträgern (Teil 2).
H.Feld, N. Oberender, J. Hellwig: Oberflächen Polysurfaces, 4 (2022) 18 – 20.

²Secondary Ion Emission from Perfluorinated Polyethers under MeV- and keV-Ion Bombardment.
H. Feld, A. Leute, D. Rading, and A. Benninghoven; M. P. Chiarelli and D. M. Hercules: Analytical Chemistry, 65 (1993) 1947 – 1953.
DOI: https://doi.org/10.1021/ac00063a005