Materiaalien kemiallisen stabiiliuden määrittäminen voidaan suorittaa seuraavista näkökulmista:
I. Teoreettinen analyysi
1. Kemiallisen koostumuksen analyysi
– Materiaalien kemiallisen koostumuksen tunteminen on perusta niiden kemiallisen stabiiliuden arvioimiselle. Esimerkiksi metallimateriaaleille puhdasmetallien kemiallinen stabiilius liittyy yleensä niiden sijaintiin metallien aktiivisuusjärjestyksessä. Arvometallit, kuten kulta (Au) ja platinan (Pt), ovat suhteellisen kemiallisesti stabiileja, koska ne sijaitsevat metallien aktiivisuusjärjestyksen lopussa eivätkä reagoi helposti yleisten happojen, emästen ja suolojen kanssa. Metallit, kuten rauta (Fe) ja sinkki (Zn), ovat suhteellisen aktiivisia ja niiden kemiallinen stabiilius on hieman heikompi.
– Polymeerimateriaalien kemiallinen stabiilisuus liittyy niiden molekyyliketjujen rakenteeseen ja koostumukseen. Polymeerimateriaalit, joissa on paljon unsaturaatioita (esimerkiksi hiili-hiili-kaksoissidoksia), voivat olla kemiallisesti epästabiileimpia, koska unsaturaatiot ovat alttiita additio-, hapettumis- ja muihin reaktioihin. Esimerkiksi luonnonkumi sisältää runsaasti hiili-hiili-kaksoissidoksia ja hapettuu helposti hapesta, mikä johtaa kumin ikääntymiseen.
2. Kiderakenteen analyysi (kideaineille)
– Aineiden kiderakenne voi vaikuttaa niiden kemialliseen stabiilisuuteen. Esimerkiksi metallikideaineissa tiukemmin pakatut kiderakenteet (kuten pintakeskitetty kuutiollinen pakkaus ja heksagonaalinen tiukka pakkaus) ovat yleensä stabiilimpia kuin kehärakenteella (body-centered cubic) varustetut metallikideaineet. Tämä johtuu siitä, että tiukempi pakkaus tekee atomien välisistä sidoksista läheisempiä ja vaikeampia ulkoisten aineiden tunkeutua ja reagoida.
– Ionikideille hiljaenergian suuruus voi myös heijastaa niiden kemiallista stabiiliutta. Korkean hiljaenergian omaavat ionikiteet (kuten magnesiumoksidi MgO) ovat suhteellisen kemiallisesti stabiileja, koska ionisidokset ovat vahvoja ja näiden ionisidosten rikkominen vaatii suhteellisen paljon energiaa, mikä tekee kiteistä vähemmän alttiita kemiallisille reaktioille normaalissa olosuhteissa.
II. Kokeelliset testit
1. Korroosionkestävyystestit
Suolahöyrytesti: Tämä on laajalti käytetty testausmenetelmä metallimateriaaleille ja suojapinnoitteisille materiaaleille. Materiaalinäytteet sijoitetaan suolahöyrytestikammioon, jossa suolaliuosta (esimerkiksi neutraalissa suolahöyrytestissä käytetään natriumkloridiliuosta, jonka pitoisuus on 50 g/l ja pH-arvo 6,5–7,5) ruiskutetaan, jotta simuloidaan meren tai rannikkoalueiden suolaisia olosuhteita. Havaitaan, tapahtuuko materiaalin pinnalle tietyn ajan kuluessa (esimerkiksi 24, 48 tai 72 tuntia) ruostumista, korroosiota, kuplia tai muita ilmiöitä. Jos materiaali näyttää selvää korroosiota suhteellisen lyhyessä ajassa, tämä viittaa sen huonoon kemialliseen stabiilisuuteen.
– Kastelutesti: Valitse vastaava kasteluaine materiaalin käyttöympäristön mukaan. Esimerkiksi happoympäristössä käytettävät materiaalit voidaan kastella tietyn pitoisuuden happoliuoksessa (esimerkiksi rikkihappo, suolahappo jne.); emäksisessä ympäristössä käytettävät materiaalit kastellaan emäksisessä liuoksessa (esimerkiksi natriumhydroksidiliuos). Havaitse materiaalin massamuutoksia ja pinnan muodonmuutoksia kasteluprosessin aikana. Jos materiaali menettää huomattavan määrän massaa ja sen pinnalle muodostuu korroosion kuopat kasteluprosessin aikana, tämä viittaa siihen, että sen kemiallinen stabiilisuus ei ole hyvä.
2. Lämpötilavakauttustestit
Termogravimetrisen analyysin (TGA) avulla mitataan materiaalin massan ja lämpötilan välistä suhdetta ohjelmoitujen lämpötila-ohjausolosuhteiden vallitessa. Kun materiaalia kuumennetaan, ilmeinen massahäviö suhteellisen alhaisessa lämpötilassa voi johtua materiaalin hajoamisesta, hapettumisesta tai muista kemiallisista reaktioista. Esimerkiksi jotkin orgaaniset polymeerimateriaalit hajoavat lämmön vaikutuksesta korkeassa lämpötilassa, ja TGA:n avulla voidaan määrittää lämmönhajoamislämpötila arvioimaan niiden kemiallista stabiiliutta korkeassa lämpötilassa.
– Eristetty lämpötilanmuutoksen mittaus (DSC): Se voi mitata materiaalin lämpömuutosta lämmitys- tai jäähdytysprosessin aikana. Jos materiaali näyttää endotermissiä tai eksotermissiä huippuja lämmitysprosessin aikana, se johtuu mahdollisesti faasimuutoksista, kemiallisista reaktioista jne. Näiden huippujen sijainnin ja koon analysoinnilla voidaan arvioida materiaalin kemiallista stabiiliutta. Esimerkiksi tietyt seokset voivat käydä läpi faasimuutoksia tietyissä lämpötiloissa, ja nämä faasimuutokset voivat vaikuttaa materiaalin kemialliseen stabiiliuteen.
3. Happenemisvakaus-testit Kiihdytetty happenemis-testi: Aineiden, jotka ovat alttiita happenemiselle (esimerkiksi metallit, rasvat jne.), happenemisvakautta voidaan arvioida kiihdytetyllä happenemis-testillä. Esimerkiksi korkeassa lämpötilassa ja korkeassa happipitoisuudessa olevassa ympäristössä voidaan havaita aineen happenemisnopeus. Metallimateriaaleille voidaan mitata oksidikalvon kasvun paksuutta ja massan lisäystä, jotta niiden happenemisvakausta voidaan arvioida. Rasvoille voidaan mitata happenemisasteen mittareita, kuten peroksidilukua. Jos aineen happenemisnopeus on suuri kiihdytetyssä happenemis-testissä, tämä viittaa siihen, että sen kemiallinen vakaus on heikko.
4. Reaktiivisuustestit muiden aineiden kanssa – Materiaalia voidaan testata kosketustestillä muiden aineiden kanssa, joihin se saattaa tulla kosketukseen (esimerkiksi liuottimien, muiden materiaalien jne.). Esimerkiksi pakkausmateriaaleille on testattava reaktiivisuutta elintarvikkeiden komponenttien kanssa (kuten rasvojen, happojen, emästen jne.). Materiaali asetetaan kosketukseen elintarvike-simulanttien kanssa, ja sen kemiallista vakautta arvioidaan tutkimalla, tapahtuuko aineiden siirtyminen ja onko materiaalissa tapahtunut muutoksia. Komposiittimateriaaleille on testattava, aiheuttavatko eri materiaalit kemiallisia reaktioita keskenään, mikä saattaa vaikuttaa materiaalin kokonaissuorituskykyyn.
EN