Bestemmelsen af materialers kemiske stabilitet kan udføres ud fra følgende aspekter:
I. Teoretisk analyse
1. Analyse af kemisk sammensætning
– At forstå materialernes kemiske sammensætning er grundlaget for at vurdere deres kemiske stabilitet. For eksempel er den kemiske stabilitet af metalliske materialer normalt relateret til deres placering i metalaktivitetsserien. Ædelmetaller såsom guld (Au) og platin (Pt) har relativt stabile kemiske egenskaber, fordi de befinder sig forrest i metalaktivitetsserien og ikke let reagerer med almindelige syrer, baser og salte. Metaller såsom jern (Fe) og zink (Zn) er relativt aktive og har en noget ringere kemisk stabilitet.
– For polymere materialer er deres kemiske stabilitet relateret til strukturen og sammensætningen af de molekylære kæder. Polymere materialer, der indeholder flere umættede bindinger (f.eks. kulstof-kulstof-dobbeltbindinger), kan have dårligere kemisk stabilitet, fordi umættede bindinger er tilbøjelige til addition, oxidation og andre reaktioner. For eksempel indeholder naturlig gummi et stort antal kulstof-kulstof-dobbeltbindinger og oxideres let af ilt, hvilket fører til gummialdring.
2. Analyse af krystalstruktur (for krystallinske materialer)
– Krystalstrukturen af materialer kan påvirke deres kemiske stabilitet. For eksempel er tætpakkede krystalstrukturer (f.eks. fladecentreret kubisk pakning og sekskantet tætpakning) i metaller normalt mere stabile end metalkrystaller med kropencentreret kubisk pakningsstruktur. Dette skyldes, at den tætpakkede struktur gør bindingerne mellem atomerne tættere og gør det sværere for eksterne stoffer at trænge ind og reagere.
– For ionkrystaller kan størrelsen af gitterenergien også afspejle deres kemiske stabilitet. Ionkrystaller med høj gitterenergi (f.eks. magnesiumoxid, MgO) har relativt høj kemisk stabilitet, fordi ionbindingerne er stærke, og det kræver en relativt stor mængde energi at bryde disse ionbindinger, hvilket gør krystalterne mindre tilbøjelige til at indgå i kemiske reaktioner under normale betingelser.
II. Eksperimentelle tests
1. Korrosionsbestandighedstests
Saltspøjttest: Dette er en vidt anvendt testmetode til metalmaterialer og materialer med beskyttende overfladebehandlinger. Materialeprøverne placeres i en saltspøjttestkammer, og en opløsning af natriumchlorid sprøjtes (f.eks. i en neutral saltspøjttest anvendes en natriumchlorid-opløsning med en koncentration på 50 g/L og en pH-værdi mellem 6,5 og 7,5) for at simulere en saltmiljø som det, der findes ved havet eller i kystområder. Der observeres, om der opstår rustdannelse, korrosion, bobler og andre fænomener på materialets overflade inden for en bestemt tidsperiode (f.eks. 24 timer, 48 timer, 72 timer osv.). Hvis materialet viser tydelig korrosion inden for relativt kort tid, indikerer det, at dets kemiske stabilitet er dårlig.
– Immersionsprøve: Vælg den tilsvarende immersionsopløsning i henhold til materialets anvendelsesmiljø. For eksempel kan materialer, der muligvis anvendes i et surt miljø, nedsænkes i en opløsning med en bestemt koncentration af syre (f.eks. svovlsyre, saltsyre osv.); for materialer, der anvendes i et basiske miljø, nedsænkes de i en basisk opløsning (f.eks. natriumhydroxidopløsning). Observer massændringen og ændringerne i overfladeformen af materialet under immersionsprocessen. Hvis materialet oplever en stor masseforringelse og udvikling af korrosionspåvirker på overfladen under immersionsprocessen, indikerer det, at dets kemiske stabilitet ikke er god.
2. Termiske stabilitetsprøver
Termogravimetriske analyser (TGA): Under en programmeret temperaturkontrol måles forholdet mellem materialets masse og temperaturen. Når materialet opvarmes, kan der ved en relativt lav temperatur forekomme en tydelig masseforringelse, hvilket kan skyldes, at materialet har undergået nedbrydning, oxidation og andre kemiske reaktioner. For eksempel vil nogle organiske polymermaterialer undergå termisk nedbrydning ved høje temperaturer, og ved hjælp af TGA kan den termiske nedbrydnings temperatur bestemmes for at vurdere deres kemiske stabilitet i et højtemperaturmiljø.
– Differentielt skanningskalorimetri (DSC): Det kan måle varmeændringen i materialet under opvarmnings- eller afkølingsprocessen. Hvis materialet viser endoterme eller eksoterme toppe under opvarmningsprocessen, kan det skyldes faseovergange, kemiske reaktioner osv. Ved at analysere placeringen og størrelsen af disse toppe kan materialets kemiske stabilitet vurderes. For eksempel vil visse legeringer gennemgå faseovergange ved bestemte temperaturer, og denne faseovergang kan påvirke materialets kemiske stabilitet.
3. Oxidationsstabilitetstests Accelereret oxidationstest: For materialer, der er tilbøjelige til oxidation (f.eks. metaller, fedtstoffer osv.), kan oxidationstabiliteten vurderes ved hjælp af en accelereret oxidationstest. For eksempel kan oxidationshastigheden for materialet observeres i en miljø med høj temperatur og højt iltindhold. For metalmaterialer kan tykkelsen af oxidfilmens vækst og masseøgningen måles for at vurdere deres oxidationstabilitet. For fedtstoffer kan graden af oxidation måles ved at analysere indikatorer såsom peroxidværdien. Hvis materialet har en hurtig oxidationshastighed i den accelererede oxidationstest, indikerer det, at dets kemiske stabilitet er dårlig.
4. Reaktivitetstests med andre stoffer – Materialet kan udsættes for en kontakttest med andre stoffer, som det muligvis kommer i kontakt med (f.eks. opløsningsmidler, andre materialer osv.). For eksempel skal reaktiviteten mellem emballagematerialer og fødevarekomponenter (f.eks. fedtstoffer, syrer, baser osv.) testes. Materialet bringes i kontakt med fødevaresimulanter, og ved at undersøge, om der sker stofudvandring, og om materialet har ændret sig, kan dets kemiske stabilitet vurderes. For sammensatte materialer er det nødvendigt at teste, om der opstår kemiske reaktioner mellem de forskellige materialer, hvilket kan påvirke materialets samlede egenskaber.
EN