Určenie chemickej stability materiálov možno vykonať z nasledujúcich hľadísk:
I. Teoretická analýza
1. Analýza chemického zloženia
– Porozumenie chemickému zloženiu materiálov je základom na posúdenie ich chemickej stability. Napríklad u kovových materiálov je chemická stabilita čistých kovov zvyčajne spojená s ich polohou v radu kovovej aktivity. Drahé kovy, ako je zlato (Au) a platinu (Pt), majú relatívne stabilné chemické vlastnosti, pretože sa nachádzajú na konci radu kovovej aktivity a nesnadno reagujú s bežnými kyselinami, zásadami a soľami. Kovy, ako je železo (Fe) a zinok (Zn), sú relatívne aktívnejšie a majú mierne horšiu chemickú stabilitu.
– U polymérnych materiálov je ich chemická stabilita spojená so štruktúrou a zložením molekulových reťazcov. Polymérne materiály obsahujúce viac nenasýtených väzieb (napr. uhlík-uhlík dvojnásobných väzieb) môžu mať horšiu chemickú stabilitu, pretože nenasýtené väzby sú náchylné na adíciu, oxidáciu a iné reakcie. Napríklad prírodný kaučuk obsahuje veľké množstvo uhlík-uhlík dvojnásobných väzieb a ľahko sa oxiduje kyslíkom, čo vedie k starnutiu kaučuku.
2. Analýza kryštalickej štruktúry (pre kryštalické materiály)
– Kryštalografická štruktúra materiálov môže ovplyvniť ich chemickú stabilitu. Napríklad v kovových kryštáloch sú tesne zabalené kryštalickej štruktúry (ako je plošne centrované kubické usporiadanie alebo hexagonálne tesne zabalené usporiadanie) zvyčajne stabilnejšie ako kovové kryštály s objemovo centrovaným kubickým usporiadaním. Dôvodom je, že tesne zabalená štruktúra spôsobuje, že väzby medzi atómami sú bližšie a pre vonkajšie látky je ťažšie do materiálu preniknúť a reagovať.
– U iónových kryštálov môže veľkosť mriežkovej energie tiež odzrkadľovať ich chemickú stabilitu. Iónové kryštály s vysokou mriežkovou energiou (napr. oxid horčíka MgO) majú relatívne vysokú chemickú stabilitu, pretože iónové väzby sú silné a na ich rozbitie je potrebné relatívne veľké množstvo energie, čo robí kryštály menej náchylnými na chemické reakcie za normálnych podmienok.
II. Experimentálne skúšky
1. Skúšky odolnosti voči korózii
Skúška v solnom opare: Ide o široko používanú skúšobnú metódu pre kovové materiály a materiály s ochrannými povlakmi. Vzorky materiálu sa umiestnia do komory na skúšku v solnom opare a na ich povrch sa rozprašuje roztok chloridu sodného (napríklad pri neutrálnej skúške v solnom opare sa používa roztok chloridu sodného s koncentráciou 50 g/L a pH medzi 6,5 a 7,5), čím sa simuluje slané prostredie, ako je napríklad morské alebo pobrežné prostredie. Pozoruje sa, či sa na povrchu materiálu v určenom časovom období (napríklad 24 hodín, 48 hodín, 72 hodín atď.) objavia javy ako hrdza, korózia, puchnutie povlaku a podobne. Ak sa u materiálu v relatívne krátkom čase objaví zreteľná korózia, znamená to, že jeho chemická stabilita je nízka.
– Test ponorením: Vyberte príslušný roztok na ponorenie podľa prostredia, v ktorom sa materiál bude používať. Napríklad pre materiály, ktoré sa môžu používať v kyslom prostredí, sa môžu ponoriť do roztoku kyseliny určitej koncentrácie (napr. sírová kyselina, chlorovodíková kyselina atď.); pre materiály používané v zásaditom prostredí sa ponoria do zásaditého roztoku (napr. roztok hydroxidu sodného). Pozorujte zmenu hmotnosti a zmenu povrchovej morfológie materiálu počas procesu ponorenia. Ak materiál počas ponorenia stratí veľké množstvo hmotnosti a na jeho povrchu sa objavia korózne jamky, znamená to, že jeho chemická stabilita nie je dobrá.
2. Testy tepelnej stability
Termogravimetrická analýza (TGA): Pri programovanej teplotnej kontrole sa meria vzťah medzi hmotnosťou materiálu a teplotou. Keď sa materiál zohrieva, ak nastane výrazná strata hmotnosti pri relatívne nízkej teplote, môže to byť spôsobené rozkladom, oxidáciou a inými chemickými reakciami materiálu. Napríklad niektoré organické polymérne materiály sa pri vysokých teplotách podrobia tepelnému rozkladu a pomocou TGA je možné určiť teplotu tepelného rozkladu, čím sa posúdi ich chemická stabilita v prostredí vysokých teplôt.
– Diferenciálna skenovacia kalorimetria (DSC): Táto metóda umožňuje merať zmenu tepla materiálu počas procesu zahrievania alebo ochladzovania. Ak materiál počas zahrievania vykazuje endotermné alebo exotermné vrcholy, môže to byť spôsobené fázovými premenami, chemickými reakciami atď. Analýzou polohy a veľkosti týchto vrcholov je možné posúdiť chemickú stabilitu materiálu. Napríklad určité zliatiny prechádzajú fázovou zmenou pri špecifických teplotách a táto fázová zmena môže ovplyvniť chemickú stabilitu materiálu.
3. Testy stability voči oxidácii Zrýchlený test oxidácie: U materiálov, ktoré sú náchylné na oxidáciu (napr. kovy, tuky atď.), sa stabilita voči oxidácii môže posúdiť prostredníctvom zrýchleného testu oxidácie. Napríklad v prostredí s vysokou teplotou a vysokým obsahom kyslíka sa sleduje rýchlosť oxidácie materiálu. U kovových materiálov sa na posúdenie ich stability voči oxidácii môžu merať hrúbka rastúcej oxidovej vrstvy a zvýšenie hmotnosti. U tukov sa stupeň oxidácie môže určiť meraním ukazovateľov, ako je napr. peroxidová hodnota. Ak materiál vykazuje v zrýchlenom teste oxidácie vysokú rýchlosť oxidácie, znamená to, že jeho chemická stabilita je nízka.
4. Testy reaktivity s inými látkami – Materiál možno podrobiť kontaktnému testu s inými látkami, s ktorými sa môže dostať do kontaktu (napr. rozpúšťadlá, iné materiály atď.). Napríklad pri obalových materiáloch je potrebné otestovať ich reaktivitu so zložkami potravín (ako sú tuky, kyseliny, zásady atď.). Materiál sa priviedie do kontaktu s imitáciami potravín a na základe zisťovania prípadnej migrácie látok a zmeny materiálu sa posudzuje jeho chemická stabilita. Pri kompozitných materiáloch je potrebné otestovať, či medzi jednotlivými materiálmi nedôjde k chemickým reakciám, ktoré by mohli ovplyvniť celkový výkon materiálu.
EN