Expertise Beoordeling van de invloed van kritische media op thermoplastische kunststoffen Expertise Nr. 41-04142014-020 Bewerker: Professie: Firma: Straat: Plaats: e-mail: Telefoon GSM:
Dr. Boris Gibbesch Dr. rer. nat., Dipl.-Phys, MBA Marketing NIKK B.V. Urmonderbaan 22 NL-6167 RD Geleen
[email protected] +31-46/763 04 05 +31-6/152 997 91
Opdrachtgever: Firma: Straat: Plaats: e-mail: Telefoon: GSM:
Ing. Olaf te Meij Profilplast B.V. Economiestraat 3 NL-6135 KV Sittard
[email protected] +31-6-54347357
Datum opdracht: Datum expertise: Pagina‘s: Foto‘s: Bijlagen:
4-04-2014 28-04-2014 9 0 0
Aantal kopieën:
3
Expertise Nr. 41-04142014-020 Inhoud 1
Doel/toepassing ........................................................................................................................1
2
Werkdocumenten ....................................................................................................................1
3
Beoordeling en advies .............................................................................................................1
4
3.1
Definitie van kritische media ....................................................................................... 1
3.2
Reactie van kritische media met thermoplastische kunststoffen ........................ 2
3.3
Beoordeling van de chemische resistentie door een “Mediengutachter” en bepalen van de eisen voor opslagtanks voor kritische media door een “Sachverständiger” .......................................................................................................... 5
3.3.1
Taak van een Mediengutachter (Materiaaldeskundige) .................................. 5
3.3.2
Taak van een Sachverständiger (Deskundige / Expert)................................... 5
3.3.3
Doel van de Mediengutacher of begeleiding door een Sachverständiger... 5
Literatuur...................................................................................................................................7
Expertise Nr. 41-04142014-020 1
Doel/toepassing
In de laatste vergadering van de Technische Commissie van de Polyplast (Branchevereniging kunststofbewerkers), waar Olaf te Meij als afgevaardigde van Profilplast deel van uitmaakt, is de toepassing van kritische media voor thermoplastische opslagtanks weer aan bod gekomen. De vraag is gerezen of een externe onafhankelijke deskundige de invloed van kritische media op thermoplastische kunststoffen kan uitleggen; zodoende is deze vraag bij het NIKK terecht gekomen. In het verleden zijn er veel tanks voor de opslag van kritische media gebouwd. Belangrijk is dat er veel positieve ervaringen met deze opslagtanks zijn mits de tankbouwer op een bepaalde manier de tank produceert. In dit advies worden de mogelijkheden en risico’s van thermoplastische kunststoffen voor kritische media belicht en toegelicht. De ervaringen uit Duitsland in combinatie met het DIBt en de inzet van een “Sachverständigen” (deskundige/expert gecertificeerd door DIBt) en een “Mediengutachten” (Materiaaldeskundige mbt chemisch advies) worden eveneens toegelicht. 2
Werkdocumenten a. DIBt Medienliste September 2011 b. SIMCHEM, SIMONA AG c. HT Troplast Chemische Beständigkeit d. DVS 2205-1 BB1 (DVS 2014)
3
Beoordeling en advies
3.1 Definitie van kritische media Kritische media zijn specifieke agressieve media met bijv. spanningsscheur verhogende eigenschappen t.o.v. het kunststof materiaal zoals deze bijv. in de medialijst van het DIBt aangegeven: Dit zijn onder andere: Chloorwater Cl2 met H2O Kaliumhypochloride KOCl (aandeel actief chloor 150 g/l) Natriumhypochloride NaOCl (aandeel actief chloor 150 g/l) Salpeterzuur HNO3 55 % Zwavelzuur H2SO4 > 78 % Pagina 1 van 7
Expertise Nr. 41-04142014-020 In de praktijk horen alle chemicaliën bij de kritische media die spanningsscheuren kunnen genereren. In dit geval spreken we dan van alle oxiderende chemicaliën en oppervlakte actieve media. Dit zijn onder andere: Detergenten Wasmiddelen FeCl3 KMnO5 Ozon Waterstofperoxide SO3 SO2 Chloor (atomair) Oplosmiddel Natronloog etc. 3.2 Reactie van kritische media op thermoplastische kunststoffen Er zijn twee reacties op de thermoplastische kunststoffen bekend. Type één is alleen een invloed van de chemicaliën op de oppervlakte van de kunststof zonder een chemische reactie. De reactie gebeurt alleen op basis van fysische interacties, bijv. door tensiden, afwasmiddelen Doormiddel van het directe contact van een chemische (vloei)stof ontstaat er een fysische interactie op moleculaire niveau tussen de chemie en de oppervlakte van de thermoplastische kunststof. De chemie heeft een bepaald elektrisch potentiaal (elektrische dipool momenten) die de binding van de elektronen in de kunststof wijzigt. Door de invloed van elektrische potentialen wordt de bindingsenergie in de kunststofketen verlaagd. Door een mechanische (spannings) belasting die op een bepaald punt aangrijpt kan een scheur ontstaan. Als de chemie niet meer aanwezig is of de spanning tot onder de kritische spanning verlaagd wordt dan is de drijvende kracht voor scheurvorming niet meer aanwezig. De langzame scheurvorming stopt op dit moment.
Pagina 2 van 7
Expertise Nr. 41-04142014-020 De scheurvorming is natuurlijk ook temperatuur afhankelijk omdat iedere reactie een arrhenius1 formule volgt. Het kan gebeuren dat de afhankelijkheid niet lineaire is. Type twee is een combinatie tussen een chemische aantasting en de elektromagnetische invloed van de dipool momenten van de chemie. In dit geval is het moeilijk de invloed van de chemische reactie en de fysische invloed te onderscheiden, bijv. door oxiderende media zoals H2O2, Cl2, etc. De thermoplastische kunststof wordt door de chemische (vloei-) stof chemisch gewijzigd en aanvullend worden de chemische bindingsenergieën van de keten verlaagd. Door het verlagen van de bindingsenergieën wordt de chemische resistentie van de kunststof verlaagd en de chemische reactie met het kritische medium kan beter plaatsvinden. Aanvullend wordt door een mechanische trekspanning een scheur gegenereerd. De scheur ontstaat altijd loodrecht op de spanning richting. Dat is ook een kenmerk van een spanningsscheur. Het scheurproces in stappen: 1. Vorming van kleine holle micro ruimten door middel van lokale spanningsconcentraties na het aanbrengen van een mechanische trekspanning. 2. Vorming en aansluitende groei tot macroscopische holle ruimten door middel van het afbreken van chemische intermoleculaire bindingen van de keten. Vorming van “crazes”(een aandeel of netwerk van microscheurtjes) 3. Vorming van microscheurtjes aangericht door de breuk van fibrillen (kleine draadvormige molecuul structuur) door de mechanische trekspanning en het contact met het kritische medium. 4. Uiteindelijk ontstaat een scheur aan de punt van de microscheurtjes. Deze scheur leidt tot een brosse breuk van de thermoplastische kunststof. Alleen door het verlagen van de spanning of door het verwijderen van het kritische medium wordt de groei van de scheur verminderd of helemaal gestopt.
1
* arrhenius formule: De vergelijking van Arrhenius voorspelt in dit geval de mate van chemische reactie, dat wil zeggen de reactiesnelheid, bij een bepaalde temperatuur, gezien de activeringsenergie en de kans van succesvolle botsing van moleculen
Pagina 3 van 7
Expertise Nr. 41-04142014-020 Het verlagen van de bindingsenergie van de keten is niet voor alle kritische media gelijk. Voor ieder chemisch medium bestaat er een bepaald minimaal spanningsniveau dat noodzakelijk is om een scheur te vormen. Vele kritische media werden door HT Troisdorf gemeten en in haar bestendigheidslijst gepubliceerd. Voor recentere bestendigheidslijsten van SIMONA AG, Georg Fischer AG of andere kunststofproducenten is alleen het risico van spanningsscheuren gemeten maar niet het minimaal benodigde spanningsniveau bepaald.
Pagina 4 van 7
Expertise Nr. 41-04142014-020 3.3
Beoordeling van de chemische resistentie door een “Mediengutachter” en bepalen van de eisen voor opslagtanks voor kritische media door een “Sachverständiger”
3.3.1 Taak van een Mediengutachter (Materiaaldeskundige) De “Mediengutachter” (materiaaldeskundige) geeft een advies m.b.t de chemische bestendigheid van een (kunststof) materiaal tegen het vermelde chemische medium afhankelijk van de temperatuur, temperatuur schommelingen en verwachte levensduur. 3.3.2 Taak van een Sachverständiger (Deskundige / Expert) De “Sachverständige” (expert) geeft advies m.b.t. de chemische bestendigheid van een materiaal tegen de vermelde chemicaliën en begeleid normaal gesproken het hele project. Onder de begeleiding wordt verstaan: de engineering, planning, uitvoering en montage. 3.3.3 Doel van de Mediengutacher of begeleiding door een Sachverständiger De medialijst van het DIBt geeft geen instructies/opmerkingen/beperkingen voor het bouwen of berekenen van tanks voor kritische media. Om aan de theoretisch berekende levensduur van een tank te voldoen moeten er tijdens de bouw en installatie een aantal zaken in acht worden genomen: In eerste instantie moeten alle omstandigheden van de tank bekend zijn, zoals: -
Chemie Temperatuur Druk Tankmateriaal Constructie Afmetingen Locatie Temperatuurwisselingen Constructie van de lasnaden Temper procedures (indien noodzakelijk)
Pas als al deze parameters bekend zijn kan beoordeeld worden of de constructie sterk genoeg is, of het juiste materiaal gekozen is en of verdere voorzieningen nodig zijn voor de optimale inzet van de tank.
Pagina 5 van 7
Expertise Nr. 41-04142014-020 Normaalgesproken zou een deskundige (Sachverständigen) voor iedere tank (omdat iedere tank anders is) een advies geven voor: -
Constructie Chemische bestendigheid van het tank materiaal Afminderingsfactoren Te verwachten levensduur Maximaal toelaatbare temperatuur Herkeuringen Montage van de tank
De deskundige (Sachverständiger) is eindverantwoordelijk voor de juiste constructie en montage van de tank volgens bestaande normen en goed vakmanschap. Hij coördineert de tankbouw tot en met de montage en ingebruikname. Het NIKK beschikt over “Mediengutachter” en “Sachverständigen” die bij vraagstukken op het gebied van kritische media kunnen worden ingezet.
Pagina 6 van 7
Expertise Nr. 41-04142014-020 4
Literatuur
DVS 2205 DIBt Medienliste September 2011 Bestendigheidslijst HT Troisdorf Technisches Handbuch Simona AG Georg Menges: Werkstoffkunde Kunststoffe, Hanser Verlag Saechtling: Kunststoff Taschenbuch, Hanser Verlag Gottfried Wilhelm Ehrenstein, Sonja Pongrat: Beständigkeit von Kunststoffen, Carl Hanser Verlag GmbH & Co. KG; Auflage: 1
Voor verdere vragen sta ik te allen tijde tot uw beschikking. Vertrouwende u hiermee voldoende mee van dienst te zijn geweest, verblijf ik, Met vriendelijke groet,
Pagina 7 van 7
