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Korrosion

Auch wenn Korrosion, z. B. als Vorgang des Rostens, scheinbar simpel erscheint, umgibt sie uns tagtäglich, offensichtlich und weniger offensichtlich, und die Hintergründe sind tatsächlich sehr komplex.

Korrosion kann auftreten, wenn Materialien mit einem Elektrolyten in Kontakt kommen und so ein galvanisches Element bilden. Feuchtigkeit und Salze sind allgegenwärtig und bilden an vielen Stellen den Elektrolyten, der für eine elektrochemische Reaktion nötig ist. Dabei muss nicht nur bei Metallen und metallischen Werkstoffen, die Umwelteinflüssen ausgesetzt sind, auf Korrosionseigenschaften und -schutz geachtet werden, auch Beton und Gesteine, z.B. als Baumaterialien oder (zahn)medizinische Implantate unterliegen Korrosion und sind Prüfling für Korrosionsuntersuchungen.

Geschichte der Korrosion

Korrosion ist schon seit der Bronzezeit bekannt, als die Menschheit begann, metallische Stoffe einzusetzen. Über die Jahrhunderte erfuhren die Menschen immer mehr z. B.: über rostendes Eisen, das sich entsprechend rot verfärbt oder Metalle regelrecht zernagt werden (lat. corrodere für Zernagen). Auch die ersten Ansätze für Korrosionsschutz beschreibt Georgius Agricola um 1546 und empfiehlt den Überzug mit Silber oder Zinn. Eine wissenschaftliche Beschreibung der Korrosion gelingt erst im 19. Jahrhundert mit dem Aufkommen der Elektrochemie und so ist die Forschung an und mit Korrosionsprozessen eng mit der Entwicklung und Leistungsfähigkeit von Potentiostaten verknüpft.

Potentiostate werden auf vielfältige Weise für Korrosionsuntersuchungen eingesetzt. Auf der einen Seite können die teilweise sehr langsam ablaufenden Korrosionsreaktionen durch Aufprägen einer externen Spannung wesentlich beschleunigt oder das maximale Korrosionspotential einer Korrosionsschutzschicht ermittelt werden. Auf der anderen Seite ermöglichen Potentiostate mittels elektrochemischer Analytik, sprich Elektroanalytik, die qualitative und quantitative Beurteilung der Korrosionsvorgänge oder -produkte.

Methoden der Korrosionsuntersuchung

Lineare Polarisation

Bei der linearen Polarisation wird das Korrosionssystem durch eine konstante Potentialveränderung aus dem Gleichgewichtszustand ausgelenkt, z.B. durch Linear Sweep Voltammetrie (LSV) oder Cyclovoltammetrie (CV). Die erhaltenen Stromdichte-Spannungskurven, auch Polarisationskurven genannt, können über den Anstieg der sogenannten Tafelgeraden als Butler-Volmer-Fit hinsichtlich des Korrosionspotentials (E0), -stroms (I0), Polarisationswiderstands und der Korrosionsgeschwindigkeit ausgewertet werden. Die Auftragung der Tafelgeraden und der entsprechende Butler-Volmer-Fit sind in den Softwarepaketen von PalmSens und Ivium integriert, sodass eine einfache und schnelle Messauswertung sichergestellt ist.

EKT Korrosionsmessung
EIS - Elektrochemische Impedanzspektroskopie

Bei der linearen Polarisation wird das Korrosionssystem durch eine konstante Potentialveränderung aus dem Gleichgewichtszustand ausgelenkt, z.B. durch Linear Sweep Voltammetrie (LSV) oder Cyclovoltammetrie (CV). Die erhaltenen Stromdichte-Spannungskurven, auch Polarisationskurven genannt, können über den Anstieg der sogenannten Tafelgeraden als Butler-Volmer-Fit hinsichtlich des Korrosionspotentials (E0), -stroms (I0), Polarisationswiderstands und der Korrosionsgeschwindigkeit ausgewertet werden. Die Auftragung der Tafelgeraden und der entsprechende Butler-Volmer-Fit sind in den Softwarepaketen von PalmSens und Ivium integriert, sodass eine einfache und schnelle Messauswertung sichergestellt ist.

Elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS)
ENM – elektrochemische Rauschmessung

Die elektrochemische Rauschmessung (ENM; engl. electrochemical noise measurement) ist ein stochastisches Verfahren zur Auswertung von Strom- oder Potentialschwankungen. Im Allgemeinen wird dazu das freie Korrosionspotential stromlos, also ohne äußere Beeinflussung des elektrochemischen Systems, über einen möglichst langen Zeitraum gemessen. Durch Keimbildungsprozesse, Rissausbreitung, Metallauflösung u. v. m. werden Spannungsimpulse ausgesendet, welche das Grundrauschen des Potentials überlagern. Mit Hilfe von Fourier-Transformation können die unterschiedlichen Frequenzanteile berechnet und so voneinander getrennt ausgewertet werden. Die große messtechnische Herausforderung bei der ENM entsteht durch die kleinen Amplitudenwerte mit geringer Differenz zum Grundrauschen, sodass eine besonders hohe Spannungsauflösung nötig ist und Low Current-Messtechnik eingesetzt werden muss. Entsprechend hoch ist auch der Fehlereintrag durch Störquellen, wie falsche / defekte Verkabelung oder Verunreinigungen.

Elektrochemische Rauschmessung (ENM)

Anwendungsbereiche

Korrosionsmessungen werden bei folgenden Anwendungsfeldern eingesetzt:


  • Werk- und Baustoffkunde inkl. Bauwerkprüfung
  • Medizin (Implantologie und Zahnmedizin)
  • Korrosionsschutz

In der Werk- und Baustoffkunde stehen ganz klar die Kenntnisse über die Umwelt- und Chemikalienbeständigkeit der hergestellten oder untersuchten Materialien im Vordergrund. Je nach Fragestellung liegt der Fokus bei den Untersuchungen entweder auf der Beständigkeit oder darauf, ob bestimmte, vielleicht toxische, Bestandteile aus dem Werkstoff entweichen. So werden beispielsweise neuentwickelte Legierungen in einem möglichst repräsentativen Korrosionsmedium (Elektrolyt) auf die elektrochemische Stabilität getestet. Bauwerke, wie Brücken oder Rohrleitungen, müssen regelmäßig auf Korrosion getestet werden, um rechtzeitig Maßnahmen zum Korrosionsschutz zu ergreifen oder drohende Materialermüdung frühzeitig erkennen zu können.

Werk- und Baustoffe
Medizinbereich

Im Medizinbereich stehen insbesondere Implantate, wie Stands oder Zahnersatz, im Fokus der Korrosionsmessungen, aber auch die Korrosion von Gewebe, durch Entzündungen oder Verätzungen, kann hierbei eine Fragestellung sein. Implantationsmaterialien und Implantate selbst werden vor dem Einsatz im menschlichen Körper genauestens untersucht, u.a. um eventuelle Wechselwirkungen mit Gewebe oder Blut/Speichel frühzeitig erkennen zu können. Außerdem müssen die Implantate selbstverständlich ausreichende Haltbarkeit in den Laborkorrosionsuntersuchungen zeigen und es dürfen unter in-vivo Bedingungen keine toxischen, stark allergenen oder bioaktiven Stoffe entweichen.

Besonders essentiell sind Korrosionsmessungen wenn Korrosionsschutzmittel entwickelt werden. Diese Mittel werden auf das korrodierende Medium aufgetragen und schützen dieses durch verschiedene Mechanismen vor Korrosion. Beispielsweise wird Stahl durch Aufbringen einer dünnen Zinkschicht (Verzinkung) geschützt, weil Zink als unedleres Metall (Opferanode) bevorzugt oxidiert wird.

Eine weitere Methodik des Korrosionsschutzes sind Korrosionsinhibitoren, die entweder einer Beschichtung oder dem Korrosionsmedium (umgebende Flüssigkeit / Gas) zugesetzt werden. Durch physikalische oder chemische Wirkprozesse hemmen Korrosionsinhibitoren die entsprechenden Korrosionsreaktionen.

Anforderungen an den Messaufbau

So vielfältig, wie Korrosion auftritt, sind auch die Anforderungen an den Messaufbau einer Korrosionsuntersuchung.

Kleine Probenkörper oder Materialproben können auf klassische Weise im Labor untersucht werden, dagegen sind große Korrosionskörper wie Bauwerke, Pipelines oder Schiffe nur im Feldeinsatz zu vermessen. Der Feldeinsatz erfordert entsprechend transportable Messlösungen, sowohl auf Seite des Potentiostaten, sowie der Messzelle. Insbesondere mit der Messzelle bzw. den Elektroden müssen verschiedene Oberflächen flexibel kontaktiert werden können.

Hierbei empfehlen sich Aufsatzmesszellen, wie die Ivium MCF-Zelle (Magnetic Corrosion Flat-cell). Die MCF-Zelle wird magnetisch am Werkstück angebracht, mit Elektrolyt befüllt und mit einem mobilen Potentiostaten, wie dem Ivium compactStat, verbunden. Außerdem sind die hochmobilen Potentiostate von PalmSens, insbesondere der PalmSens4, durch Batteriebetrieb und Bluetooth-Verbindung, für derartige Feldmessungen, wie für Laboruntersuchungen, hervorragend geeignet. Für letztere werden klassische Glaszellen mit Proben-/Werkstückaufnahme, Referenzelektrode inkl. Luggin-Kapillare und Graphit- oder Platin-Gegenelektroden verwendet.

Korrosionsmessung