Bestimmung der Oxidations-Induktionszeit oder -temperatur: OIT und OOT

Äußere Einflüsse wie UV-Strahlung (Licht), Temperatur, Luftsauerstoff, atmosphärische Belastungen (z.B. Verunreinigungen) oder chemische/biologische Medien lassen organische Materialien vorzeitig altern, was deren Gebrauchseigenschaften erheblich beeinflussen oder sogar zum Versagen der Bauteile führen kann, in denen sie als Komponente eingesetzt werden. Die häufigste Ursache für die chemische Alterung (z.B. Kettenabbau) ist Oxidation, was die Oxidationsbeständigkeit zu einem wichtigen Kriterium für Anwendungen von Fetten, Schmierstoffen, Kraftstoffen oder Kunststoffen macht. Die Oxidationsbeständigkeit kann über die Oxidations-Induktions-Temperatur / Oxidations-Induktions-Zeit (OIT) mittels  dynamischer Differenz-Kalorimetrie DSC) in standardisierten Verfahren bestimmt werden.

In der Praxis kommen zwei unterschiedliche Verfahren zur Anwendung: dynamische und isotherme OIT-Tests. Beim dynamischen Verfahren wird die Probe unter oxidierenden Bedingungen mit einer definierten konstanten Heizrate aufgeheizt, bis die Reaktion einsetzt. Die Oxidations-Induktions-Temperatur OIT (auch Oxidations-Onset-Temperatur OOT genannt) entspricht dabei der extrapolierten Onsettemperatur des auftretenden exothermen DSC-Effekts. Bei isothermen OIT-Tests werden die zu untersuchenden Materialien zunächst unter Schutzgas aufgeheizt, dann zur Gleichgewichtseinstellung einige Minuten auf konstanter Temperatur gehalten und anschließend einer Sauerstoff- oder Luftatmosphäre ausgesetzt. Die Zeitspanne vom ersten Kontakt mit Sauerstoff bis zum Beginn der Oxidation wird als Oxidations-Induktions-Zeit OIT bezeichnet.

Die Vorgehensweise bei der Vorbereitung, Umsetzung und Auswertung der Messungen ist in nationalen und internationalen Normen wie ASTM D3895 (Polyethylen), DIN EN 728 (Kunststoffrohrleitungen) oder ISO 11357-6 (Kunststoffe) detailliert beschrieben. Im Allgemeinen werden entweder offene Tiegel oder Tiegel mit mehreren Löchern in den Deckeln verwendet. Bei Polyolefinen wie PE oder PP lässt eine längere OIT-Zeit auf eine bessere Oxidationsstabilität und eine längere Lebensdauer schließen.

 

Bestimmung der Oxidationsbeständig-keit von Fetten und Ölen

Oxidationtests an Schmierölen und –fetten werden üblicherweise in einer Hochdruck-DSC durchgeführt. Durch Aufbau eines Gegendrucks von in der Regel 35 bar wird versucht, ein Verdampfen der Proben zu verhindern. Bei Oxidationsreaktionen dient der Sauerstoff jedoch nicht nur zur Erzeugung eines Drucks, sondern auch als Reaktionspartner. Aus diesem Grund muss die Regelung des Drucks sowie des Gasflusses besonders präzise erfolgen.

Die Bestimmung der Oxidationsbeständigkeit ist „oberflächensensitiv“. Das bedeutet, für eine hohe Reproduzierbarkeit der Messergebnisse ist eine gleichmäßig und gleichförmige Oberfläche des zu untersuchenden Öl- bzw. Fettfilms ideal. Für derartige Untersuchungen eignen sich SFI-Tiegel (SFI steht für Solid Fat Index; siehe Diagramm unten), wie sie in ASTM D 5483 für Schmierfette und in ASTM D 6186 für Schmieröle vorgeschlagen werden, sehr gut.

Diagramm eines SFI-Tiegels mit Probe (grün)

Ein Beispiel hierfür sind pfannenförmige Aluminiumtiegel mit einem äußeren Durchmesser von 6,7 mm und einem Volumen von 85 μl, die mit einem Presswerkzeug (eingebaut in eine Standard-Tiegelpresse – siehe unten) in Form gebracht werden.

 

In Tiegeln mit flachem Boden kriechen Öle und Fette bei höheren Temperaturen oft in die Randzonen. Die effektive Oberfläche der Probe, die mit der umgebenden Atmosphäre wechselwirken kann, wird dadurch kleiner. Dies hat Auswirkungen auf das OIT-Ergebnis (siehe Abbildung unten). Wird die Analyse in einem offenen Standard-Aluminiumtiegel durchgeführt (blaue Kurve), beläuft sich die OIT-Zeit (extrapolierter Onset) auf 64,6 min. Im Vergleich dazu verkürzt sich die OIT-Zeit in einem SFI-Tiegel (grüne Kurve) (mit 46,4 min) aufgrund der größeren effektiven Oberfläche deutlich.