DE4401671A1 - Verfahren zur Verringerung der Löslichkeit von Kupferionen aus Gegenständen aus Kupfer oder Kupferlegierungen sowie Kupferrohr bzw. Kupferblech mit verringerter Kupferlöslichkeit - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einerseits ein Verfahren zur Verrin­ gerung der Löslichkeit von Kupferionen aus insbesondere mit aggressiven Wässern oder anderen spezifisch für Kupfer ag­ gressiven Medien, insbesondere Wässer mit einem pH-Wert klei­ ner als 7, in Kontakt gelangenden Gegenständen aus Kupfer oder Kupferlegierungen.

Andererseits richtet sich die Erfindung auf ein Kupferrohr sowie ein Kupferblech mit verringerter Kupferlöslichkeit.

Es ist bekannt, daß sich die Löslichkeit von Kupferionen bei Kontakt einer Kupferfläche mit fallendem pH-Wert und steigen­ dem 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/l überschritten wird. In diesem Zusam­ menhang 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 ver­ meiden.

Ein Nachteil dieser Maßnahmen ist darin zu sehen, daß die Flexibilität von Kupferrohren und Kupferblechen zwangsläufig eingeschränkt wird. Darüber hinaus müssen zur Verbindung von Kupferrohren sowie Kupferblechen untereinander oder mit an­ deren Gegenständen spezielle Techniken angewandt werden. Schließlich ist unter dem Gesichtspunkt des verstärkten Um­ weltschutzes noch die Recycling-Problematik zu beachten, wenn derart beschichtete Kupferrohre oder Kupferbleche wieder ein­ geschmolzen werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einerseits ein Ver­ fahren zur Verringerung der Löslichkeit von Kupferionen aus Kupfergegenständen zu schaffen, bei welchem eine erhebliche Reduzierung der Schwierigkeiten bei der Handhabung und Verar­ beitung von Kupfergegenständen erreicht wird und andererseits Kupferrohre bzw. Kupferbleche bereitzustellen, die bei ver­ ringerter Löslichkeit von Kupferionen einfach zu handhaben und zu verarbeiten sind.

Was den das Verfahren betreffenden Teil dieser Aufgabe an­ langt, so wird dessen Lösung in den im Kennzeichen des Pa­ tentanspruchs 1 aufgeführten Merkmalen gesehen.

Die Erfindung macht sich dazu die Kenntnisse der Nanotechno­ logie zunutze (VDI-Nachrichten, Nr. 47, 26. Nov. 1993). Hier ist es nämlich gelungen, sogenannte nanostrukturierte Gläser und Keramikwerkstoffe (Ormocere = organically modified ceramics) zu gewinnen. Beim Sol-Gel-Prozeß werden durch Hy­ drolyse und Kondensation von Alkoxiden, vorwiegend des Sili­ ziums, Aluminiums, Titans und Zirkons kollodiale Beschich­ tungslösungen hergestellt. Bei dem Prozeß wird ein anorgani­ sches Netzwerk aufgebaut, z. B. können über entsprechend modi­ fizierte Kieselsäureester zusätzlich organische Gruppen ein­ gebaut werden, mit deren Hilfe das Eigenschaftsprofil gezielt beeinflußt werden kann.

Die geringe Größe der Partikelteilchen dieser Werkstoffe er­ laubt 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 Kupfergegenstände 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 Kupfer­ rohre im Trinkwasser- und Industriebereich sowie auch bei kupfernen Bedachungsflächen, bei denen in Verbindung mit sau­ rem Regen bislang eine erhebliche Abgabe von Kupfer in den Erdboden nicht verhindert werden konnte. Das Einsatzspektrum von Kupferrohren und Kupferblechen wird damit unter Beachtung des Umweltschutzes erheblich umfangreicher.

Darüber hinaus wird durch die erfindungsgemäße Beschichtung auch die Korrosionsbeständigkeit von Kupfergegenständen in aggressiven Medien verbessert.

Sowohl der Charakter der Nanokomposite als auch die äußerst geringe Schichtdicke erlauben es ferner, Kupferrohre und Kup­ ferbleche 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 Mate­ rialverbrauch auch zu reduzierten Recycling-Problemen führen, da nur unbedeutende und außerdem unkritische Stoffmengen aus der Schmelze abgeschieden werden müssen.

Nanokomposite aus keramischen oder glasartigen Werkstoffen gemäß Patentanspruch 2 überwinden auch die Nachteile der be­ kannten 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 reali­ sieren.

In diesem Zusammenhang sieht die Erfindung dann entsprechend den Merkmalen des Patentanspruchs 3 vor, daß die Nanokompo­ site 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 entsprechend Patentan­ spruch 4 bei Teilchenabständen unter 0,5 nm im Bereich zwi­ schen 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. Desweiteren kann die rationelle und bei der Verarbeitung bisher gebräuchliche Verbindungstechnik durch Löten angewandt werden.

Um eine einwandfreie Haftung der Nanokomposite an den zu be­ schichtenden Oberflächen zu erreichen, ist es entsprechend Patentanspruch 5 zweckmäßig, daß die Oberflächen vor dem Be­ schichten entfettet werden.

Gestrahlte Oberflächen oder oxidierte Kupferoberflächen (Cu₂O) gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 6 verhalten sich besonders vorteilhaft.

Ein wirtschaftliches Aufbringen der Beschichtung kann mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7 erreicht werden. Zum Beispiel werden Cu-Bleche im Batch-Verfahren in einem Tauchbecken be­ netzt bzw. in einem kontinuierlichen Verfahren durch ein solches geführt.

Zweckmäßig schließt sich nach Patentanspruch 8 an das Tauchen eine Aushärtung unter Wärmeeinwirkung im Durchlaufverfahren an. Die Aushärtung kann z. B. in einem Durchlaufofen erfolgen, wobei sich dann die Ofenatmosphäre über den O₂-Anteil, das Inertgas etc. genau steuern läßt. Durch eine solche Steuerung der Ofenatmosphäre werden die Eigenschaften der Schicht zu­ sätzlich positiv beeinflußt.

Eine weitere Möglichkeit zum Aufbringen einer Beschichtung wird in den Merkmalen des Patentanspruchs 9 gesehen. Für die Innenbeschichtung von Rohren kann die Beschichtungslösung über ein geeignetes System durch die Rohre gepumpt und mit Luft ausgeblasen werden. Durch das Ausblasen kann die Schichtdicke eingestellt werden.

Für die Innenbeschichtung von Kupferrohren kann entsprechend Patentanspruch 10 das sogenannte "fill and rinse"-Verfahren angewendet werden. Bei diesem Verfahren ("fill and rinse" ist ein gebräuchlicher Fachausdruck für dieses Batch-Verfahren) werden Rohre in etwa senkrechter Position mit der Beschich­ tungslösung 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 (Patentanspruch 11). Durch das Auf­ bringen der Beschichtung unter Druck, was insbesondere tech­ nisch bei der Innenbeschichtung von Rohren nach Anspruch 9 oder 10 denkbar ist, werden verbesserte Eigenschaften (Haf­ tung, gleichmäßige Bedeckung) der Schicht erreicht.

Eine Lösung des gegenständlichen Teils der Aufgabe wird er­ findungsgemäß in den Merkmalen des Patentanspruchs 12 er­ blickt. Danach ist die innere Oberfläche mit einer dünnen Beschichtung aus nach der Sol-Gel-Methode gewonnenen Nano­ kompositen versehen.

Eine weitere Lösung des gegenständlichen Teils der Aufgabe besteht nach der Erfindung in den Merkmalen des Patentan­ spruchs 13. In diesem Fall ist mindestens eine Flachseite eines Kupferblechs mit einer dünnen Beschichtung aus nach der Sol-Gel-Methode gewonnenen Nanokompositen versehen.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Gestaltung eines Kup­ ferrohrs oder eines Kupferblechs mit verringerter Kupfer­ löslichkeit besteht in den Merkmalen des Patentanspruchs 14, wo die Schichtdicken zwischen etwa 0,5 µm bis 3 µm bei Teil­ chenabständen unter 0,5 nm betragen.

Claims (14)

1. Verfahren zur Verringerung der Löslichkeit von Kupfer­ ionen aus insbesondere mit aggressiven Wässern oder an­ deren spezifisch für Kupfer aggressiven Medien, insbe­ sondere Wässer mit einem pH-Wert kleiner als 7, in Kon­ takt gelangenden Gegenständen aus Kupfer oder Kupferle­ gierungen, dadurch gekennzeichnet, daß die mit aggressi­ ven Wässern oder anderen spezifisch für Kupfer aggressi­ ven Medien, insbesondere Wässer mit einem pH-Wert klei­ ner als 7, in Kontakt kommenden Oberflächen der Kupfer­ gegenstände mit einer Beschichtung aus nach der Sol-Gel- Methode gewonnenen Nanokompositen versehen werden.

2. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nanokomposite aus keramischen oder glasartigen Werkstoffen gebildet werden.

3. Verfahren nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Nanokomposite mit Temperaturen zwi­ schen 100°C und 400°C aufgebracht werden.

4. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei Teilchenabständen unter 0,5 nm Schichtdicken zwischen 0,5 µm und 3 µm erzeugt werden.

5. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächen vor dem Beschichten entfettet werden.

6. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächen gestrahlt oder oxi­ diert werden.

7. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung durch Tauchen er­ zeugt wird.

8. Verfahren nach Patentanspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Tauchen eine Aushärtung unter Wärmeeinwir­ kung im Durchlaufverfahren durchgeführt wird.

9. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung durch Spülen er­ zeugt wird.

10. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung nach der "fill and rinse"-Methode erzeugt wird.

11. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 10, da­ durch gekennzeichnet, daß die Beschichtung unter Druck aufgebracht wird.

12. Kupferrohr mit verringerter Kupferlöslichkeit, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Oberfläche mit einer Be­ schichtung aus nach der Sol-Gel-Methode gewonnenen Na­ nokompositen versehen ist.

13. Kupferblech mit verringerter Kupferlöslichkeit, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Flachseite mit einer Beschichtung aus nach der Sol-Gel-Methode gewonnenen Na­ nokompositen versehen ist.

14. Kupferrohr bzw. Kupferblech nach Patentanspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß bei Teilchenabständen unter 0,5 nm die Schichtdicke 0,5 µm bis 3 µm beträgt.