Technische Sauberkeit: Charakterisierung von Materialien durch IR und REM/EDX
Technische Sauberkeit ist ein entscheidender Faktor in der modernen Fertigung, insbesondere in Branchen wie der Automobilindustrie, der Elektronik und der Medizintechnik. Die Charakterisierung von Materialien spielt eine zentrale Rolle bei der Sicherstellung der technischen Sauberkeit. In diesem Whitepaper werden die Materialien untersucht, die durch Infrarotspektroskopie (IR) und Rasterelektronenmikroskopie mit energiedispersiver Röntgenspektroskopie (REM/EDX) charakterisiert werden können.
Charakterisierung durch Infrarotspektroskopie (IR)
Die Infrarotspektroskopie (IR) ist eine analytische Technik, die auf der Wechselwirkung von Infrarotlicht mit Materie basiert. Sie wird vorallem zur Identifizierung und Charakterisierung von organischen Materialien verwendet. In gewissen Fällen können auch anorganische Materialien mit dieser Methode erkannt werden.
Funktionsweise der IR-Spektroskopie:
- Prinzip: IR-Spektroskopie nutzt die Absorption von Infrarotlicht durch Moleküle, um deren Schwingungsmoden zu analysieren. Jede chemische Bindung in einem Molekül absorbiert Infrarotlicht bei spezifischen Frequenzen, was zu einem charakteristischen Spektrum führt.
- Anwendung: Identifizierung von funktionellen Gruppen in organischen Verbindungen, Analyse von Polymerstrukturen und Untersuchung von Verunreinigungen.
Typische Materialien, die durch IR charakterisiert werden können:
- Polymere: Polyethylen, Polypropylen, Polystyrol
- Organische Verbindungen: Kohlenwasserstoffe, Alkohole, Ketone
- Organische Stoffe: Haare, Proteine, Zellulose, Naturfasern
Beispiel eines Polymer-Partikels
IR-Spektroskopie - Möglichkeiten und Einschränkungen
Die Verwendung standardisierter Datenbanken ermöglicht eine schnelle und sichere Bestimmung der Herkunft vieler organischer Partikel. Noch bessere Ergebnisse können durch die Nutzung unternehmenseigener Datenbanken erzielt werden. Hierbei werden Materialproben während des Herstellungsprozesses analysiert und mit den gefundenen Partikeln verglichen.
Obwohl die Nutzung von Datenbanken eine zügige Charakterisierung von Partikeln erlaubt, sollte die Bewertung stets durch chemisch geschultes Personal erfolgen. Partikel aus Produktionsprozessen liegen häufig nicht als Reinmaterial vor. Oftmals finden sich auf Kunststoffpartikeln Rückstände von Produktionshilfsstoffen, was zu einer Überlagerung verschiedener IR-Spektren führt und somit die Korrelation mit dem korrekten Datenbankeintrag verringert.
Charakterisierung durch Rasterelektronenmikroskopie mit EDX (REM/EDX)
Die Rasterelektronenmikroskopie (REM) kombiniert mit der energiedispersiven Röntgenspektroskopie (EDX) ermöglicht die hochauflösende Bildgebung und chemische Analyse von Materialien. Diese Technik ist besonders nützlich für die Untersuchung von Oberflächenstrukturen und die Bestimmung der chemischen Zusammensetzung.
Funktionsweise der REM/EDX:
- Prinzip: Ein fokussierter Elektronenstrahl tastet die Probenoberfläche ab und erzeugt verschiedene Wechselwirkungssignale, darunter Sekundärelektronen und charakteristische Röntgenstrahlen. Diese Signale werden zur Bildgebung und chemischen Analyse verwendet.
- Anwendung: Untersuchung von Oberflächenstrukturen, Bestimmung der Elementzusammensetzung und Analyse von Materialdefekten.
Typische Materialien, die durch REM/EDX charakterisiert werden können:
- Metalle: Aluminium, Kupfer, Eisen
- Keramiken: Aluminiumoxid, Zirkoniumdioxid
- Halbleiter: Silizium, Germanium
Beispiele von metallischen Partikel
REM/EDX-Analyse - Möglichkeiten und Einschränkungen
Der Hauptanwendungsbereich der REM/EDX-Analyse in der Technischen Sauberkeit liegt, wie auch bei der IR-Spektroskopie, in der Bestimmung der Materialzusammensetzung von Partikeln. Im Unterschied zur IR-Analyse wird aber nicht die Molekülstruktur (und dabei vor allem C-H, C-C, C-N oder C-O Bindungen) untersucht. Da mittels EDX aber die Elementzusammensetzung untersucht wird, und nicht die Molekülstruktur, können spezifische Elemente in den Partikeln identifiziert und quantifiziert werden. Dies ermöglicht eine detaillierte Analyse der Herkunft und Beschaffenheit der Partikel, was für die Bewertung der technischen Sauberkeit von großer Bedeutung ist.
Kritische Materialien in der Technischen Sauberkeit
In der technischen Sauberkeit gibt es Materialien, die besonders kritisch sind, da sie die Funktion und Lebensdauer von Bauteilen erheblich beeinträchtigen können. Diese Materialien umfassen:
- Partikel: Metallspäne, Staubpartikel
- Chemikalien: Öle, Fette, Lösungsmittel
- Oxide und Korrosionsprodukte: Rost, Zunder
- Fasern: Textilfasern, Papierfasern
Am kritischsten sind:
- Metallspäne: Diese können zu Kurzschlüssen und mechanischen Schäden führen.
- Öle und Fette: Sie können die Haftung von Beschichtungen und Klebstoffen beeinträchtigen.
- Rost und Zunder: Diese können Korrosion und Funktionsstörungen verursachen.
Fazit
Die Wahl der richtigen Analysetechnik ist entscheidend für die Sicherstellung der technischen Sauberkeit. Während die IR-Spektroskopie besonders geeignet ist für die Charakterisierung von organischen und anorganischen Verbindungen, bietet die REM/EDX-Technik eine detaillierte Analyse der Oberflächenstruktur und chemischen Zusammensetzung von Metallen, Keramiken und Halbleitern. Ein tiefes Verständnis der Materialien und ihrer Eigenschaften trägt wesentlich zur Optimierung der Produktionsprozesse und zur Erhöhung der Produktqualität bei.
Quellen:
[1] Leitfaden Technische Sauberkeit in der Elektrotechnik - ZVEI
[2] Technische Sauberkeit - Fraunhofer IPA