Určení chemické stability materiálů lze provést z následujících hledisek:
I. Teoretická analýza
1. Analýza chemického složení
– Pochopení chemického složení materiálů je základem pro posouzení jejich chemické stability. Například u kovových materiálů je chemická stabilita čistých kovů obvykle spojena s jejich polohou v řadě kovové aktivity. Drahé kovy jako zlato (Au) a platina (Pt) mají relativně stabilní chemické vlastnosti, protože se nacházejí na konci řady kovové aktivity a nejsou náchylné k reakci s běžnými kyselinami, zásadami a solmi. Kovy jako železo (Fe) a zinek (Zn) jsou relativně aktivní a mají poněkud nižší chemickou stabilitu.
– U polymerních materiálů je jejich chemická stabilita spojena se strukturou a složením molekulových řetězců. Polymerní materiály obsahující více nenasycených vazeb (např. uhlík-uhlík dvojných vazeb) mohou mít horší chemickou stabilitu, protože nenasycené vazby jsou náchylné k adičním, oxidačním a jiným reakcím. Například přírodní kaučuk obsahuje velké množství uhlík-uhlík dvojných vazeb a snadno se oxiduje kyslíkem, což vede ke stárnutí kaučuku.
2. Analýza krystalové struktury (pro krystalické materiály)
– Krystalová struktura materiálů může ovlivnit jejich chemickou stabilitu. Například u kovových krystalů jsou hustě uspořádané krystalové struktury (jako je plošně centrovaná kubická uspořádání a hexagonální nejtěsnější uspořádání) obvykle stabilnější než kovové krystaly s objemově centrovanou kubickou strukturou. Důvodem je, že hustě uspořádaná struktura způsobuje blíže ležící vazby mezi atomy a tím je obtížnější proniknutí a reakce vnějších látek.
– U iontových krystalů může velikost mřížkové energie také odrážet jejich chemickou stabilitu. Iontové krystaly s vysokou mřížkovou energií (např. oxid hořečnatý MgO) mají relativně vysokou chemickou stabilitu, protože iontové vazby jsou silné a k jejich rozbití je vyžadováno relativně velké množství energie, čímž se tyto krystaly stávají méně náchylnými k chemickým reakcím za normálních podmínek.
II. Experimentální zkoušky
1. Zkoušky odolnosti proti korozi
Test v solné mlze: Jedná se o široce používanou zkušební metodu pro kovové materiály a materiály s ochrannými povlaky. Vzorky materiálů se umístí do komory pro test v solné mlze a postříkají roztokem chloridu sodného (například při neutrálním testu v solné mlze se používá nasycený roztok chloridu sodného o koncentraci 50 g/l a pH mezi 6,5 a 7,5), čímž se simuluje slané prostředí, jako je například mořské nebo pobřežní prostředí. Pozoruje se, zda se na povrchu materiálu v určitém časovém období (např. 24 hodin, 48 hodin, 72 hodin atd.) objeví rzi, koroze, puchýřky a jiné jevy. Pokud se u materiálu v relativně krátkém čase objeví zjevná koroze, znamená to, že jeho chemická stabilita je nízká.
– Test ponořením: Vyberte odpovídající ponořovací roztok podle prostředí, ve kterém bude materiál používán. Například pro materiály, které mohou být použity v kyselém prostředí, lze použít roztok kyseliny určité koncentrace (např. sírová kyselina, chlorovodíková kyselina atd.); pro materiály používané v alkalickém prostředí se použije alkalický roztok (např. roztok hydroxidu sodného). Pozorujte změnu hmotnosti a změnu povrchové morfologie materiálu během procesu ponoření. Pokud materiál během ponoření vykazuje výraznou ztrátu hmotnosti a na povrchu se objevují korozní jámky, znamená to, že jeho chemická stabilita není dobrá.
2. Testy tepelné stability
Termogravimetrická analýza (TGA): Při programované teplotní kontrole se měří vztah mezi hmotností materiálu a teplotou. Pokud je materiál zahříván a dochází při relativně nízké teplotě k výraznému úbytku hmotnosti, může to být způsobeno rozkladem, oxidací nebo jinými chemickými reakcemi materiálu. Například některé organické polymerní materiály se při vysokých teplotách tepelně rozkládají; pomocí TGA lze určit teplotu tepelného rozkladu a vyhodnotit tak jejich chemickou stabilitu ve vysokoteplotním prostředí.
– Diferenciální skenovací kalorimetrie (DSC): Může měřit tepelnou změnu materiálu během procesu zahřívání nebo ochlazování. Pokud materiál ukazuje endotermní nebo exotermní vrcholy během procesu zahřívání, může to být způsobeno fázovými přeměnami, chemickými reakcemi atd. Analýzou polohy a velikosti těchto vrcholů lze posoudit chemickou stabilitu materiálu. Například určité slitiny procházejí fázovými přeměnami při konkrétních teplotách a tyto fázové přeměny mohou ovlivnit chemickou stabilitu materiálu.
3. Testy stability vůči oxidaci Zrychlený test oxidace: U materiálů náchylných k oxidaci (např. kovů, tuků atd.) lze stabilitu vůči oxidaci posoudit prostřednictvím zrychleného testu oxidace. Například v prostředí s vysokou teplotou a vysokým obsahem kyslíku lze pozorovat rychlost oxidace materiálu. U kovových materiálů lze posoudit jejich stabilitu vůči oxidaci měřením tloušťky růstové oxidové vrstvy a zvýšení hmotnosti. U tuků lze stupeň oxidace stanovit detekcí ukazatelů, jako je např. peroxidové číslo. Pokud má materiál v zrychleném testu oxidace vysokou rychlost oxidace, znamená to, že jeho chemická stabilita je špatná.
4. Testy reaktivity s jinými látkami – Materiál lze podrobit kontaktnímu testu s jinými látkami, se kterými může přicházet do styku (např. rozpouštědly, jinými materiály atd.). Například u balicích materiálů je nutné otestovat reaktivitu s potravinovými složkami (např. tuky, kyseliny, zásady atd.). Materiál se uvede do styku s potravinovými simulacemi a na základě detekce případné migrace látek a změny materiálu lze posoudit jeho chemickou stabilitu. U kompozitních materiálů je nutné ověřit, zda mezi jednotlivými složkami nedochází k chemickým reakcím, které by mohly ovlivnit celkové vlastnosti materiálu.
EN