Bestimmung der Oxidationsstabilität von Fetten und Ölen

Äußere Einflüsse wie UV-Strahlung (Licht), Temperatur, Luftsauerstoff, mechanische Belastung oder chemische/biologische Medien lassen Materialien altern, was eine Änderung ihrer chemischen und physikalischen Eigenschaften zur Folge hat. Geeignete Alterungsschutzmittel (Stabilisatoren) sollen den Alterungsprozess verzögern und die Induktionsperiode, d.h. die Zeitspanne bis zum Beginn der thermooxidativen Zersetzung (Kettenabbau, technisches Versagen), verlängern. Ein wichtiger Indikator für die Oxidationsstabilität von Ölen, Fetten, Schmierstoffen, Treibstoffen oder Kunststoffen ist die Oxidation Induction Temperature oder Oxidation Induction Time (O.I.T.), die mittels DSC in genormten Verfahren ermittelt werden kann.

In der Praxis kommen zwei unterschiedliche Varianten zur Anwendung: dynamische und isotherme OIT-Tests. Im Falle des dynamischen Verfahrens wird die Probe unter oxidierenden Bedingungen mit einer defi nierten konstanten Heizrate aufgeheizt bis die Reaktion einsetzt. Die Oxidation Induction Temperature entspricht dabei der extrapolierten Onset-Temperatur des auftretenden exothermen DSC-Effektes.

Bei isothermen OIT-Tests werden die zu untersuchenden Materialien zunächst unter Schutzgas aufgeheizt, anschließend zur Gleichgewichtseinstellung einige Minuten bei konstanter Temperatur unter Schutzgas gehalten und anschließend einer Sauerstoff oder Luftatmosphäre ausgesetzt. Die Zeitspanne vom ersten Kontakt mit Sauerstoff bis zum Beginn der Oxidation wird als Oxidation Induction Time bezeichnet. In Abbildung 1 ist dies exemplarisch dargestellt.

Eine Reihe von nationalen und internationalen Normen, wie z.B. ASTM D 3895 (Polyethylen), DIN EN 728 (Kunststoff-Rohrleitungen), ISO 11357-6 (Kunststoffe) ASTM D 525 (Flugzeugkraftstoff), geben Empfehlungen für die Probenpräparation und die Wahl geeigneter Messbedingungen.

Abb. 1. Bestimmung der Oxidation Induction Time an einem Polyolefi n nach ISO 11357-6
Abb. 2. NETZSCH Hochdruck-DSC 204 HP (max. Druck: 150 bar)

Oxidationstests an Schmierölen und Schmierfetten werden meist in einer Hochdruck-DSC (siehe Abbildung 2) durchgeführt. Durch Aufbau eines Gegendrucks von in der Regel 35 bar wird versucht, ein Verdampfen der Probe zu verhindern. Bei Oxidationsreaktionen dient der Sauerstoff jedoch nicht nur zur Erzeugung des 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 heißt, für eine hohe Reproduzierbarkeit der Messergebnisse ist eine gleichmäßige und gleichförmige Oberfläche des zu untersuchenden Öl- bzw. Fettfilms ideal. Für derartige Untersuchungen eignen sich sogenannte SFI-Tiegel (SFI steht für Solid Fat Index; Schema siehe in Abbildung 3), wie sie in ASTM D 5483 für Schmierfette und ASTM D 6186 für Schmieröle vorgeschlagen werden, sehr gut.

 

Abb. 3. Schema eines SFI-Tiegels mit Probe
(grün)
Abb. 4. Tiegelpresse und Einsatz (vergrößert dargestellt)

Es handelt sich dabei z.B. um pfännchenförmige Aluminiumtiegel mit einem Außendurchmesser von 6,7 mm und einem Volumen von 85 µl, die mit einem Presswerkzeug (eingebaut in eine Standard-Tiegelpresse – Abbildung 4) in Form gebracht werden können

 

Öle und Fette kriechen in Tiegeln mit flachem Boden 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 5). Im Vergleich zu der Situation in einem offenen Standard-Aluminium-Tiegel (blaue Kurve) mit einer OIT-Zeit (extrapolierter Onset) von 64,4 min verschiebt sich der OIT im SFI-Tiegel (grüne Kurve) aufgrund der größeren effektiven Oberfläche zu deutlich kürzeren Zeiten (46,6 min).

 

Abb. 5. Vergleich der OIT-Zeiten an einem Schmierfett in einem Standard-Aluminiumtiegel (blau) und in einem SFI-Tiegel (grün); Gerät: DSC 204 HP; 35 bar Sauerstoff