Reinigungsmedien

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Die Wirkung nasschemischer Reinigungsverfahren wird in erster Linie durch das Lösevermögen des eingesetzten Reinigers bestimmt. Dabei gilt:

Polare Verschmutzungen (wässrige Kühl- und Schmierstoffe, Polierpasten, Additive, Salze sowie Späne, Abrieb und andere Feststoffe) sind in polaren Medien (Wasser) gut, in unpolaren dagegen schlecht löslich. Unpolare Substanzen wie Fette und Öle lösen sich wiederum in unpolaren Lösemitteln gut und in polaren schlecht. Bei konventionellen Nassreinigungsverfahren am häufigsten eingesetzte Reinigungsmedien sind wässrige Reiniger, Chlorkohlenwasserstoffe (CKW), nicht halogenierte Kohlenwasserstoffe (KW), polare Lösemittel und pflanzenölbasierte Reiniger.

Wässrige Medien, die als alkalische, neutrale und saure Reiniger zur Verfügung stehen, kommen bevorzugt zum Einsatz, wenn ein sehr hohes Reinigungsaufkommen zu bewältigen ist und/oder Aufgaben in der Feinreinigung zu erfüllen sind.

Nicht halogenierte Kohlenwasserstoffe (KW) verfügen über ein gutes Lösevermögen für tierische, pflanzliche sowie mineralische Fette und Öle sowie eine hohe Werkstoffverträglichkeit. Mit diesen Reinigern lässt sich daher ein Großteil der in modernen Fertigungsprozessen eingesetzten Bearbeitungsöle und -fette zuverlässig abreinigen. Eigentlich im Lösemittel unlösliche Partikel wie Späne werden mit dem Öl entfernt, da sie die Haftung zur Oberfläche verlieren. Chlorkohlenwasserstoffe (CKW) bieten auch bei Bauteilen mit komplexer Geometrie eine besonders effektive Metallentfettung und Trocknung. Eingesetzt werden sie bevorzugt, wenn Werkstücke mit chlorhaltigen Ölen bearbeitet werden.


Inhaltsverzeichnis

Polare Lösemittel

Polare Lösemittel verbinden die Vorteile der wässrigen und Lösemitteilreinigung. Durch ausgewogene fett- und wasserlösende Eigenschaften lassen sich mit diesen Reinigern unpolare Verschmutzungen wie Fette und Öle gleichzeitig mit polaren Verunreinigungen entfernen.


Pflanzenölbasierte Reiniger

Pflanzenölbasierte Reiniger, die bspw. aus Sojaöl, Rapsöl oder Kokosöl hergestellt werden, kommen in Form von Fettsäureester als Ersatz für Kohlenwasserstoffreiniger zum Einsatz. Sie eignen sich für verschiedene Verfahren wie die Tauch-, Sprüh-, und Wischreinigung. Feststoffe, Dispersionen, flüssiges, pellettförmiges und überkritisches Kohlendioxid sowie Plasma- und Laserenergie kommen seltener und in Verbindung mit speziellen Reinigungsverfahren zum Einsatz.

Um im Reinigungsprozess die geforderte Sauberkeit möglichst effizient herzustellen, ist ein auf die Verschmutzung (polar – unpolar) abgestimmtes Reinigungsmedium erforderlich. Die Palette der Reinigungsmedien wird kontinuierlich durch neue Produkte ergänzt, deren Entwicklung sich an den steigenden Anforderungen orientiert.


Aufgabe

  • Verunreinigungen entfernen und abtransportieren
  • Lösung, Verdünnung, Emulgierung, Verdrängung und Wegspülen von (unerwünschten) physikalisch absorbierten Stoffen an der (Metall)-Oberfläche


Ziele / Anforderungen

  • Erfüllen der Reinheitsanforderungen an die Oberfläche d. h. Abwesenheit störender Verunreinigungen wie Öle, Fette, Staub, Rost, Oxidschichten, lösliche Salze, andere Partikelverschmutzungen, usw.
  • Verträglich mit Werkstoffen
  • Keine Nebenreaktionen mit den Verunreinigungen
  • Umweltverträglich, geringe Toxizität (Arbeitssicherheit)
  • Einhaltung gesetzlicher Vorschriften: VOC, Gefahrstoff-VO, Tensid-Richtlinie, u. v. m.


Verfahren

  • Wässrige Reinigung
  • Reinigen mit Lösemitteln: KW, CKW, Sonstige
  • Sonderverfahren


Einflussfaktoren

  • Art der Verunreinigung : Öle, Fette, Wachse, Emulsionen, Stäube, Strahlmittel, u. v. m.
  • Zu reinigende Werkstoffe: Stahl, Guss, Buntmetalle, Glas, Kunststoffe, usw.
  • Geometrie der Bauteile: Bohrungen, Gewinde, Hinterschneidungen, geschliffene oder gedrehte Oberflächen, usw.
  • Behandlungstemperatur und -dauer, Konzentration, Anlagen- und Prozesstechnik
  • Umfang und Qualität der Badpflegemaßnahmen


Qualitätssicherung

  • Sauberkeits-Analyse (z.B. nach VDA 19 und VDA 19.2)
  • Optische Beurteilung
  • Nutzung instrumenteller Analytik, wie REM-EDX


Wässrige Medien

Die Reinigungswirkung wässriger Reiniger basiert auf zwei Komponentengruppen – Builder und Tenside. Bei den Tensiden handelt es sich um oberflächenaktive Stoffe, die die Grenzflächeneigenschaften von Oberflächen verändern. Als grenzflächenaktive Komponenten können sich Tenside zwischen Schmutz und Material „schieben“, Verunreinigungen ablösen und in der Waschflotte dispergieren. Builder sind anorganische Salze, die den pH-Wert des Wassers erhöhen, das Entfernen von Feststoffpartikeln erleichtern und die Reinigungswirkung der Tenside in einer Art Synergie-Effekt erhöhen. Darüber hinaus enthalten wässrige Reiniger Inhaltsstoffe, die in die Gruppe der Komplexbildner, Konservierungsmittel und Korrosionsinhibitoren fallen. Sie dienen dazu die Wasserhärte zu kontrollieren, die Bildung fester Metallseifen zu verhindern und den Korrosionsschutz der gereinigten Teile sowie der Reinigungsanlage zu gewährleisten.

Wässrige Reiniger kommen in der Bauteilreinigung als Neutralreiniger, alkalische und saure Reiniger zum Einsatz: Neutralreiniger, deren pH-Wert im Bereich 6 – 9 liegt, kommen für die Zwischen- und Endreinigung von Stahl, Gusseisen, Leichtmetalllegierungen, Buntmetallen, Glas, Keramik und der meisten Kunststoffe zum Einsatz. Polare Verschmutzungen wie Salze oder Pigmente lassen sich damit problemlos entfernen. Unpolare Verunreinigungen (Fette, Öle) werden überwiegend durch die Prinzipien des Dispergierens und Emulgierens abgelöst. Die Entfettungswirkung ist daher deutlich geringer als die von alkalischen Reinigern. Als alkalisch werden wässrige Medien mit einem pHWert >7 bezeichnet. Die industrielle Teilereinigung unterscheidet dabei zwischen schwach alkalischen Reinigern (pH-Wert 9 bis 12) und stark alkalischen Medien, deren pH-Wert über 12 liegt. Die Reiniger werden durch Zugabe von Alkalien wie beispielsweise Alkalihydroxide, Alkalikarbonate, Phosphate und Silikate auf die jeweilige Reinigungsaufgabe abgestimmt.

Neutralreiniger

Neutralreiniger sind wässrige Reiniger mit einem pH-Wert im neutralen Bereich (üblicherweise pH 6 bis 9). Der Hauptbestandteil von Neutralreinigern ist Wasser, dem oberflächenaktive Wirkstoffe, wie Tenside und Emulgatoren, zugegeben werden. Zur Reinigung korrosionsempfindlicher Bauteile werden oftmals zusätzlich Korrosionsinhibitoren beigemischt. Anorganische Komponenten fehlen weitgehend. Die bei der Reinigung ablaufenden Mechanismen sind Dispergieren und Emulgieren der an der Bauteiloberfläche haftenden Öle und Schmutzpartikel sowie Lösen polarer Stoffe, wie z. B. Salze.

Alkalische Reiniger

Alkalische Reiniger sind die in der Metallverarbeitung am häufigsten eingesetzten wässrigen Medien und können sowohl polare als auch unpolare Verschmutzungen entfernen. Stark alkalische Lösungen sind darüber hinaus in der Lage, Oberflächenoxide zu lösen. Ihr Einsatz erfordert jedoch eine Prüfung der Materialverträglichkeit.

Saure Reiniger

Saure Reiniger, die meist aus einem sauren Bestandteil in Form von anorganischer oder organischer Säure beziehungsweise saurer Salze, aus wasserlöslichen organischen Lösemitteln (Alkohole, Ester) und oberflächenaktiven Substanzen bestehen, entfernen anorganische Verschmutzungen wie Metallabrieb, Staub, Pigmente sehr wirkungsvoll. Die Entfernung von Rost oder Zunder ist ebenfalls ein typischer Einsatzfall. Fett und Öl können mit sauren Reinigern dagegen nur bedingt entfernt werden.

Aufgabe: Reinigung der Oberfläche

Schritt 1: Tenside aus der wässrigen Phase diffundieren in die Öl-Wasser-Grenzschicht und schieben durch den von ihnen ausgehenden Spreitungsdruck die mehr oder weniger gleichmäßige Ölschicht zusammen, bis Tropfen entstehen, die nur noch lose an der Oberfläche haften und leicht abgeschwemmt werden können. Im Öl gelöste und dispergierte Verunreinigungen werden mit den „abrollenden“ Öltröpfchen ebenfalls entfernt.

Schritt 2: Im Folgeschritt wird die verbliebene dünne Ölschicht durch eine Verdrängungsreaktion von Tensiden und Buildersubstanzen entfernt, und Pigmente werden dispergiert. Die durch Adsorptions-Desorptions- Mechanismen bestimmten, bis zur Einstellung des Gleichgewichtszustands langsam verlaufenden Vorgänge, werden durch den Einsatz anorganischer Buildersubstanzen stark beschleunigt (Builder-Tensid-Synergismus).

Als Ergebnis der beiden Reinigungsschritte liegt nun eine hydrophile Metalloberfläche vor, die durch weitere Inhaltsstoffe des Reinigers aktiviert bzw. passiviert werden kann.


Anforderungen

Ökonomie

Durch Aufbereitung der wässrigen Reinigungsmedien (Filtration, Ölabscheider, Mikro- und Ultrafiltration, Adsorptionsfiltration) können lange Badstandzeiten erreicht werden, wodurch Kosten reduziert werden können. Dadurch Einsparung von Ressourcen – Wasser (Spül-Kaskade, Verdampfertechnik), Reinigungsmittel (Recycling), Energie.

Ökologie

Vollständige aerobe biologische Abbaubarkeit gemäß Detergenzienverordnung (EG) Nr. 648 / 2004. Substitution von Stoffen, die Komplexe mit Metallkationen im Reinigungsbad bilden können und damit Vermeidung der Remobilisierung von Schwermetallen aus Böden, Klärschlämmen etc.

Materialverträglichkeit

Anpassung des Reinigungsmediums an die zu reinigenden Materialien – optimales Reinigungsergebnis bei minimalem Materialangriff. Eine Prüfung der Materialverträglichkeit muss vor Festlegung des Verfahrens durchgeführt werden.


Einflussfaktoren

Werkstoffe

Das wässrige Medium muss auf die zu reinigenden Werkstoffe abgestimmt sein (Alkalität, Ausstattung mit Inhibitoren, Salzgehalt etc.). Für unterschiedliche Werkstoffe stehen speziell geeignete Medien zur Verfügung. Universell einsetzbare wässrige Medien sind geeignet für die Reinigung von kombinierten Werkstoffen und Verfahren, in denen unterschiedliche Werkstoffe (z. B. Aluminium und Messing) in einer Reinigungsanlage gereinigt werden sollen (Materialmix).

Verunreinigung

Pigment und Späne / Emulsionen-Fette / Öle und Wachse

Teilegeometrie

Einsatzmöglichkeit der wässrigen Medien wird durch komplexe Teilegeometrien (tiefe Sacklochbohrungen, Hinterschneidungen etc.) limitiert. Unterstützende Mechanik (Druckumfluten, Spritzen) kann das Reinigungsergebnis bei schwierigen Teilegeometrien verbessern. Auch eine günstige Packung der Teile kann die Wirkung der wässrigen Medien erhöhen.


Qualitätssicherung

Prozessüberwachung

Zur Gewährleistung einer gleichbleibenden Reinigungsqualität empfiehlt sich die Kontrolle der Verfahrensparameter – Temperatur, Spritzdruck bzw. Leistung des Ultraschalls, Spülwasserqualität – in festgelegten Intervallen. Weiterhin muss die Konzentration der Reinigerkomponenten Builder und Tenside gemessen werden – Festlegen von Warn- und Aktionsgrenzen, Führen von Badkarten.

Badaufbereitung

Durch den Einsatz eines demulgierenden Tensidgemisches kann das Öl aus dem Reinigungsbad leichter entfernt und der Tensidverbrauch verringert werden. Sinnvoller und kostenreduzierender Einsatz von Recyclingtechnik wie Ölabscheider, Mikro- oder Ultrafiltration ist nur bei Einsatz demulgierender Tensidgemische möglich. (Anlagentechnische Voraussetzung: Skimmer für die Badoberfläche von Tauchanlagen)

Bewertung

Die Kontrolle der Reinigungsqualität bezüglich Partikelverunreinigung kann durch optische Verfahren (Mikroskope) erfolgen. Zur Bewertung der Entfernung filmischer Rückstände kann die Messung der Oberflächenspannung (z. B. Testtinten) herangezogen werden.

Lösungsmittelbasierte Reiniger

Chlorkohlenwasserstoffe (CKW)

Die meisten der zu Reinigungszwecken eingesetzten organischen Lösemittel können, entsprechend ihrer Reinigungseigenschaften und Einsatzgebiete, in Kohlenwasserstoffe, sauerstoffhaltige Kohlenwasserstoffe und Chlorkohlenwasserstoffe unterteilt werden.

Nach dem 1993 für Deutschland ausgesprochenen Verbot der FCKW für Reinigungszwecke wurden als naheliegende, weniger atmosphärenschädigende Alternative auf die CKW zurückgegriffen. CKW weisen zwar hervorragende Reinigungseigenschaften auf, sind jedoch aufgrund ihrer hohen Toxizität problematisch. Bei den CKW handelt es sich um flüssige Kohlenwasserstoffe, bei denen ein oder mehrere Wasserstoffatome des Grundmoleküls durch Chloratome substituiert sind. Sie besitzen einige physikalische und chemische Eigenschaften, die sie für bestimmte Reinigungsaufgaben nahezu unersetzlich machen. Dazu gehören niedrige Verdunstungszahlen, geringe Oberflächenspannung, sehr starkes Fettlösevermögen und hohe chemische Stabilität. Derzeit sind in Deutschland lediglich drei Chlorkohlenwasserstoffe für die Oberflächenreinigung zugelassen.

Kohlenwasserstoffe

Die meisten der zu Reinigungszwecken eingesetzten organischen Lösemittel können, entsprechend ihrer Reinigungseigenschaften und Einsatzgebiete, in Kohlenwasserstoffe, sauerstoffhaltige Kohlenwasserstoffe und Chlorkohlenwasserstoffe unterteilt werden.

Kohlenwasserstoffe

  • Terpene
  • Aromate
  • Aliphate
  • Spezialbenzin
  • Testbenzin
  • Hochsieder

Die Gruppe der Kohlenwasserstoffe umfasst Gemische aus vornehmlich unpolaren Verbindungen (Polarität eines Lösemittels) und wird gemäß dem Grundsatz "Gleiches löst Gleiches" meist zur Metallentfettung eingesetzt. Der Flammpunkt der Kohlenwasserstoffe steigt mit dem Anteil langkettiger Moleküle in dem Gemisch an. Je nach Zusammensetzung werden sie den VbF-Klassen AI bis AIII zugeordnet oder gelten als nicht brandgefährdet.

Sauerstoffhaltige Kohlenwasserstoffe

Die meisten der zu Reinigungszwecken eingesetzten organischen Lösemittel können, entsprechend ihrer Reinigungseigenschaften und Einsatzgebiete, in Kohlenwasserstoffe, sauerstoffhaltige Kohlenwasserstoffe und Chlorkohlenwasserstoffe unterteilt werden.

Sauerstoffhaltige KW

  • Alkohole
  • Aldehyde
  • Ketone
  • Ester
  • Ether

Reiniger aus der Gruppe der sauerstoffhaltigen Kohlenwasserstoffe verfügen zumeist über ein polares und ein unpolares Molekülteil (Polarität eines Lösemittels) und werden eingesetzt, wenn neben unpolaren auch polare Verschmutzungen zu erwarten sind. Aufgrund ihrer leichten Entflammbarkeit werden sie zumeist den VbF-Klassen AI oder AII zugeordnet.

MPC-Reiniger

Mpc schema.png
Die MPC-Reiniger bestehen aus Wasser und hoch aktiven Wirkstoffen. Durch Wärmeeinwirkung und/oder Agitation, z.B. Ultraschall, werden die sogenannten Micro Phasen gebildet. Diese Micro Phasen sind in der Lage unterschiedlichste Arten von Verunreinigungen zu entfernen.

Dabei gehen die Verunreinigungen nicht in Lösung wie z.B. bei herkömmlichen Lösemitteln. Sie werden von den Micro Phasen durch einen sogenannten Micro-Phasen-Transfer, in die wässrige Umgebung abgegeben. Damit lassen sich die Verunreinigungen sehr einfach aus dem Reinigungsbad abfiltern. Dadurch können extrem lange Badstandzeiten realisiert werden, wodurch die Betriebskosten deutlich reduziert werden.

Vorteile

Traditionell existieren zwei verschiedene Reinigungssysteme - Lösemittel und Tensidreiniger - die sich durch ihre jeweiligen Vorteile auszeichnen: Die Besonderheit der MPC-Technology besteht darin, dass die hier beschriebenen Vorteile traditioneller Lösemittel und Tensidreiniger vereint werden, ohne jedoch deren Nachteile in Kauf zu nehmen. Damit sind MPC® Reinigungssysteme auch in der Lage, unterschiedlichste Verunreinigung wie Öle & Kühlschmierstoffe in einem Prozess abreinigen zu können.

Physikalische Daten einiger Lösemittel

Lösemittel Polarität Flammpunkt (°C) Verdunstungszahl Siedepunkt (°C) Viskosität 20 °C (cP) Dichte 20 °C
Aceton 5,1 < - 20 2,1 56,2 0,32 0,790
Benzol 2,7 - 11 3 80,1 0,65 0,879
Dichlormethan 3,1 - 1,8 39,7 0,43 1,324
Diethylether 2,8 - 40 1,0 34,5 0,23 0,713
1,4-Dioxan 4,8 12 7,3 101,1 1,54 1,034
Ethanol 4,3 12 8,3 78 1,20 0,789
Ethylacetat 4,4 - 4 2,9 77,1 0,45 0,900
Toluol 2,4 6 6,1 110,6 0,59 0,59
Wasser 10,2 100 1,00 1,00
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