DE4401671B4 - Verfahren zur Verringerung der Löslichkeit von Kupferionen aus Rohren aus Kupfer oder Kupferlegierungen sowie Kupferrohr mit verringerter Kupferlöslichkeit - Google Patents
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Abstract
Verfahren
zur Verringerung der Löslichkeit
von Kupferionen aus insbesondere mit aggressiven Wässern oder
anderen spezifisch für
Kupfer aggressiven Medien, insbesondere Wässer mit einem pH-Wert kleiner als
7, in Kontakt gelangenden Rohren aus Kupfer oder Kupferlegierungen,
wobei die mit aggressiven Wässern oder
anderen spezifisch für
Kupfer aggressiven Medien, insbesondere Wässer mit einem pH-Wert kleiner
als 7, in Kontakt kommenden Oberflächen der Kupfergegenstände mit
einer Beschichtung aus nach der Sol-Gel-Methode gewonnenen ORMOCER® Nanokompositen
versehen werden, wobei die Oberflächen vor dem Beschichten entfettet und
gestrahlt oder oxidiert werden, wobei die ORMOCER® Nanokomposite
aus keramischen oder glasartigen Werkstoffen gebildet und mit Temperaturen
zwischen 100°C
und 400°C
unter Druck nach der fill and rinse"-Methode aufgebracht werden,
wobei bei Teilchenabständen
unter 0,5 nm Schichtdicken zwischen 0,5 μm und 3 μm erzeugt werden.
Description
- Die Erfindung betrifft einerseits ein Verfahren zur Verringerung der Löslichkeit von Kupferionen aus insbesondere mit aggressiven Wässern oder anderen spezifisch für Kupfer aggressiven Medien, insbesondere Wässer mit einem pH-Wert kleiner als 7, in Kontakt gelangenden Rohren aus Kupfer oder Kupferlegierungen.
- Andererseits richtet sich die Erfindung auf ein Kupferrohr mit verringerter Kupferlöslichkeit.
- Es ist bekannt, daß sich die Löslichkeit von Kupferionen bei Kontakt einer Kupferfläche mit fallendem pH-Wert und steigendem Gehalt an freier Kohlensäure im (Trink-)Wasser erhöht. Dabei kann es beispielsweise im Trinkwasserbereich geschehen, daß der von der WHO (Weltgesundheitsorganisation) festgelegte Grenzwert von 3 mg Cu/I überschritten wird. In diesem Zusammenhang hat man schon Kupfergegenstände mit Beschichtungen aus Kunststoffen oder metallischen Beschichtungen versehen, um den direkten Kontakt zwischen dem Kupfergegenstand und saurem Wasser bzw. den für Kupfer aggressiven Medien zu vermeiden.
- Ein Nachteil dieser Maßnahmen ist darin zu sehen, daß die Flexibilität von Kupferrohren zwangsläufig eingeschränkt wird. Darüber hinaus müssen zur Verbindung von Kupferrohren untereinander oder mit anderen Gegenständen spezielle Techniken angewandt werden. Schließlich ist unter dem Gesichtspunkt des verstärkten Umweltschutzes noch die Recycling-Problematik zu beachten, wenn derart beschichtete Kupferrohre oder Kupferbleche wieder eingeschmolzen werden.
- Aus der DE-AS 19 41 191 sind dünne anorganische Mehrkomponenten-Schichten bekannt, mit denen beispielsweise Metalle korrosionsverhindernd beschichtet werden können. Die entsprechenden reaktiven Metallverbindungen werden auf das Substrat aufgebracht und thermisch in glasartige Schichten umgewandelt, wobei Schichtdicken von 10 nm bis 500 nm erzeugt werden können.
- Durch die WO 93/23348 A1 ist ein Verfahren zur keramischen Beschichtung bekannt, wobei in allgemeiner Form eine Sol-Gel-Beschichtung von Substraten mit Keramikvorläufern und deren thermische Umwandlung bei 50°C bis 300°C beschrieben wird.
- Mit der
DE 38 25 684 A1 ist das Aufbringen eines dünnen flüssigen Films bekannt geworden, der Metall-Alkoxide enthält, wobei der Film auf eine massive Oberfläche aufgebracht wird, so daß mittels Sol-Gel-Verfahren eine dünne Metalloxidschicht ausgebildet werden kann. - Die
DE 41 10 584 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines gegen Korrosion geschützten Metallrohres, insbesondere eine Kupferrohres, bei dem durch Zugabe metallorganischer Verbindungen und thermische Umwandlung eine korrosionsverhindernde Beschichtung erhalten wird. - Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einerseits ein Verfahren zur Verringerung der Löslichkeit von Kupferionen aus Kupferrohren zu schaffen, bei welchem eine erhebliche Reduzierung der Schwierigkeiten bei der Handhabung und Verarbeitung von Kupferrohren erreicht wird und andererseits Kupferrohre bereitzustellen, die bei verringerter Löslichkeit von Kupferionen einfach zu handhaben und zu verarbeiten sind.
- Was den das Verfahren vertreffenden Teil dieser Aufgabe anlangt, so wird dessen Lösung in den im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmalen gesehen.
- Die Erfindung macht sich dazu die Kenntnisse der Nanotechnologie zunutze (VDI-Nachrichten, Nr. 47, 26. Nov. 1993). Hier ist es nämlich gelungen, sogenannte nanostrukturierte Gläser und Keramikwerstoffe (Ormocere = organically modified ceramics) zu gewinnen. ORMOCER® ist eine eingetragene Marke der Fraunhofer Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V., München. Beim Sol-Gel-Prozess werden durch Hydrolyse und Kondensation von Alkoxiden, vorwiegend des Siliziums, Aluminiums, Titans und Zirkons kollodiale Beschichtungslösungen hergestellt. Bei dem Prozeß wird ein anorganisches Netzwerk aufgebaut, z.B. können über entsprechend modifizierte Kieselsäureester zusätzlich organische Gruppen eingebaut werden, mit deren Hilfe das Eigenschaftsprofil gezielt beeinflußt werden kann.
- Die geringe Größe der Partikelteilchen dieser Werkstoffe erlaubt es, sie bei extrem geringen Schichtdicken dennoch so dicht nebeneinander zu packen, dass Kupferionen gar nicht oder nur noch in einem stark verringerten Umfang durch eine solche Beschichtung treten können. Dieser Sachverhalt führt dann zu der vorteilhaften Eigenschaft, daß nunmehr Kupferrohre auch dort eingesetzt werden können, wo dies wegen Gefährdung der Gesundheit von Mensch, Tier und Pflanze bislang nicht möglich war. In bevorzugter Anwendung gilt das für Kupferrohre im Trinkwasser- und Industriebereich. Das Einsatzspektrum von Kupferrohren wird damit unter Beachtung des Umweltschutzes erheblich umfangreicher.
- Darüber hinaus wird durch die erfindungsgemäße Beschichtung auch die Korrosionsbeständigkeit von Kupferrohren in aggressiven Medien verbessert.
- Sowohl der Charakter der Nanokomposite als auch die äußerst geringe Schichtdicke erlauben es ferner, Kupferrohre weitgehend problemlos biegen und auch die einfache Löttechnik als Verbindungsmethode heranziehen zu können.
- Schließlich liegt ein wesentlicher Vorteil der Erfindung noch darin, daß geringe Schichtdicken neben einem minimalen Materialverbrauch auch zu reduzierten Recycling-Problemen führen, da nur unbedeutende und außerdem unkrititsche Stoffmengen aus der Schmelze abgeschieden werden müssen.
- Nanokomposite aus keramischen oder glasartigen Werkstoffen überwinden auch die Nachteile der bekannten glasartigen oder keramischen Beschichtungen. Solche Beschichtungen konnten zwar den direkten Kontakt zwischen Kupfer und für Kupfer aggressive Medien vermeiden, waren jedoch bei Kupferrohren und Kupferblechen aufgrund der hohen erforderlichen Aufbringungstemperaturen, die oberhalb des Schmelzpunkts von Kupfer (1083°C) liegen, nicht zu realisieren.
- In diesem Zusammnehang sieht die Erfindung vor, daß die Nanokomposite mit Temperaturen zwischen 100°C und 400°C aufgebracht werden. Hiermit sind keine oder nur geringe Gefügeänderungen des Kupfers verbunden und damit beispielsweise kein Verlust an Festigkeit zu erwarten.
- Besonders dünne Schichtdicken werden bei Teilchenabständen unter 0,5 nm im Bereich zwischen etwa 0,5 μm und 3 μm erzeugt. Dadurch wird eine dichte deckende Schicht erreicht. Es ist kein Abplatzen der Schicht beim Biegen oder sonstigen Umformen möglich. Des Weiteren kann die rationelle und bei der Verarbeitung bisher gebräuchliche Verbindungstechnik durch Löten angewandt werden.
- Um eine einwandfreie Haftung der Nanokomposite an den zu beschichtenden Oberflächen zu erreichen, ist es zweckmäßig, dass die Oberflächen vor dem Beschichten entfettet werden.
- Gestrahlte Oberflächen oder oxidierte Kupferoberflächen (Cu2O) verhalten sich besonders vorteilhaft.
- Für die Innenbeschichtung von Kupferrohren wird das sogenannte "fill and rinse"-Verfahren angewendet. Bei diesem Verfahren ("fill and rinse" ist ein gebräuchlicher Fachausdruck für dieses Batch-Verfahren) werden Rohre in etwa senkrechter Position mit der Beschichtungslösung gefüllt. Die Lösung wird über eine Öffnung mit definiertem Querschnitt mit konstanter Abflußgeschwindigkeit abgelassen. Über die Viskosität der Beschichtungslösung und den Ablaßquerschnitt wird die Schichtdicke festgelegt.
- Bei internen Versuchen hat sich herausgestellt, daß besonders gute Ergebnisse bei einer Aufbringung der Beschichtung unter Druck zu erwarten sind. Durch das Aufbringen der Beschichtung unter Druck werden verbesserte Eigenschaften (Haftung, gleichmäßige Bedeckung) der Schicht erreicht.
- Die Lösung des gegenständlichen Teils der Aufgabe wird erfindungsgemäß in den Merkmalen des Patentanspruchs 2 erblickt.
Claims (2)
- Verfahren zur Verringerung der Löslichkeit von Kupferionen aus insbesondere mit aggressiven Wässern oder anderen spezifisch für Kupfer aggressiven Medien, insbesondere Wässer mit einem pH-Wert kleiner als 7, in Kontakt gelangenden Rohren aus Kupfer oder Kupferlegierungen, wobei die mit aggressiven Wässern oder anderen spezifisch für Kupfer aggressiven Medien, insbesondere Wässer mit einem pH-Wert kleiner als 7, in Kontakt kommenden Oberflächen der Kupfergegenstände mit einer Beschichtung aus nach der Sol-Gel-Methode gewonnenen ORMOCER® Nanokompositen versehen werden, wobei die Oberflächen vor dem Beschichten entfettet und gestrahlt oder oxidiert werden, wobei die ORMOCER® Nanokomposite aus keramischen oder glasartigen Werkstoffen gebildet und mit Temperaturen zwischen 100°C und 400°C unter Druck nach der fill and rinse"-Methode aufgebracht werden, wobei bei Teilchenabständen unter 0,5 nm Schichtdicken zwischen 0,5 μm und 3 μm erzeugt werden.
- Kupferrohr hergestellt nach dem Verfahren gemäß Patentanspruch 1.
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