Einflussfaktoren auf die chemische Beständigkeit Resistenz von Polycarbonat gegenüber Desinfektionsmitteln

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K-Profile AG Innovationen in Kunststoff

Das Thema chemische Beständigkeit, besonders gegen Desinfektionsmittel, hat in der jüngsten Zeit immer mehr an Bedeutung gewonnen. Treiber dafür war und ist neben der Corona-Pandemie auch der neue ISO Standard 17664-2. In dieser Norm ist festgelegt, dass Hersteller von medizinischen Geräten nachweisen müssen, dass eine Reinigung ausreicht, um zum Beispiel Bakterien abzutöten, und dass die eingesetzten Materialien der Reinigung auf Dauer standhalten. Der Beitrag stellt die wichtigsten Einflussfaktoren für die chemische Beständigkeit bei Polycarbonat und Polycarbonat-Blends dar und erläutert, wie diese positiv oder negativ beeinflusst werden kann.

Ob ein Material gegen ein Desinfektionsmittel beständig ist, kann meist nicht mit einem einfachen Ja oder Nein beantwortet werden. Der Grund dafür ist, dass die Beständigkeit durch viele Faktoren positiv und negativ beeinflusst werden kann. So ist die Beständigkeit von den anwendungsspezifischen Umständen und der Materialverarbeitung abhängig und damit schwer vorherzusehen.

Einfluss der Einwirkzeit

Je nachdem wie lange ein Kunststoff einem Desinfektionsmittel ausgesetzt ist, haben die reaktiven Substanzen mehr oder weniger Zeit, um den Kunststoff anzugreifen. Bei dem Einsatz von Desinfektionsmitteln scheint die Einwirkzeit meist nur sehr kurz zu sein, da Oberflächen nur kurz abgewischt werden. Zu beachten ist jedoch, dass sich Desinfektionsmittel zum Beispiel in Spalten und Ritzen ansammeln und dort über längere Zeit auf den Kunststoff einwirken können. Es ist daher wichtig, solche Bereiche im Design zu vermeiden oder, wenn dies nicht möglich ist, hinsichtlich interner Spannungen optimal auszulegen (siehe Abschnitt Molekulargewicht und Spannungen im Bauteil).

Jedoch ist auch die Einwirkzeit auf glatten Oberflächen meist länger als üblicherweise gedacht. Covestro testete in einer neuen Studie, wie sich die chemische Beständigkeit verändert, wenn Proben nicht in Desinfektionsmittel eingetaucht, sondern regelmäßig abgewischt werden. Aus diesem Test ging hervor, dass das Abwischen für die Kunststoffe in vielen Fällen schädlicher ist als der ständige Kontakt mit dem Desinfektionsmittel. Es zeigte sich sogar, dass mehrere Desinfektionsmittel, die bei ständigem Kontakt mit dem Kunststoff sehr kompatibel waren, im Wischtest jedoch Risse verursachten.

Dies liegt wahrscheinlich daran, dass sich beim Abwischen und anschließendem Trocknen die nicht flüchtigen. Bestandteile wie Glykolether auf der Oberfläche der Prüfkörper anreichern und so das Entstehen von Rissen begünstigen. Außerdem bleiben dabei Reaktionsprodukte auf der Oberfläche zurück, die die Aufspaltung weiter beschleunigen können. So ist zum Beispiel bekannt, dass starke Basen, die in einigen Desinfektionsmitteln enthalten sind, verschiedene Polymere wie Polyester- oder Polycarbonate hydrolysieren. Beim Eintauchen des Kunststoffes liegen diese Bestandteile in relativ niedrigen Konzentrationen vor und rufen deshalb vielleicht keine Risse hervor.

Interessanterweise hatten einige Desinfektionsmittel aber auch die gegenteilige Wirkung. Das Abwischen war hier weniger schädlich als der ständige Kontakt. Diese Desinfektionsmittel enthielten in der Regel Isopropanol – die schnell verdunstende Chemikalie in Reinigungsalkohol. Beim Abwischen wirkte das Isopropanol nicht lange genug ein, um Risse hervorzurufen.

Die in der Studie aufgezeigten Unterschiede zwischen Eintauchen und Abwischen könnten die Hersteller von medizinischen Geräten und Anlagen aufgreifen, um die Prüfung der Kompatibilität von Desinfektionsmitteln mit Kunststoffen anzupassen. Auch wenn es aufwendiger ist, Prüfkörperoberflächen mehrmals am Tag abzuwischen, könnte es zu Ergebnissen führen, die den Praxisbedingungen eher entsprechen.

Einfluss der Temperatur

Auch die Temperatur während des Kontaktes hat einen entscheidenden Einfluss auf die Beständigkeit des Kunststoffs. So kann eine höhere Temperatur während eines Waschprozesses oder einer Sterilisation zu deutlich größeren Schäden führen, als dies bei Raumtemperatur der Fall wäre. Da die Temperatur jedoch stark vom Anwendungsfall abhängt und die meisten Anwendungen bei Raumtemperaturen stattfinden, werden auch die meisten Chemikalientests nur bei Raumtemperatur durchgeführt. Bei Anwendungen mit deutlich höheren Temperaturen sollten Produkte unter Anwendungsbedingungen getestet werden.

Molekulargewicht und Spannungen im Bauteil

Bei der Auswahl des richtigen Materials für eine Anwendung hat das Molekulargewicht eine besondere Bedeutung. Es beeinflusst mehrere Faktoren, die für die Auslegung von Bauteilen und für die chemische Beständigkeit entscheidend sind. So gilt in der Regel, dass ein Polycarbonat (PC) mit einem höheren Molekulargewicht eine höhere chemische Beständigkeit aufweist. Gleichzeitig führt ein höheres Molekulargewicht aber auch zu einer höheren Viskosität und kann dadurch höhere Spannungen im Spritzgussprozess verursachen. Da Spannungen im PC jedoch die chemische Beständigkeit deutlich herabsetzen, kann dies final zu einer schlechten Beständigkeit führen. In der Grafik ist die Korrelation zwischen Viskosität, Festigkeit und chemischer Beständigkeit dargestellt. Durch die richtige Auslegung von Bauteilen und Werkzeugen sowie ein darauf abgestimmtes Molekulargewicht kann die chemische Beständigkeit deutlich beeinflusst werden.

Der PC-Anbieter empfiehlt, Spannungen im Bauteil auf maximal 1 % zu beschränken und wenn möglich Spannungen von unter 0,5 % anzustreben. Dies gilt sowohl für interne Spannungen durch den Spritzgießprozess als auch für externe Spannungen durch Verbindungselemente oder den Gebrauch.

Zusammensetzung von Desinfektionsmitteln

Auch wenn es Möglichkeiten gibt, die chemische Beständigkeit von PC positiv zu beeinflussen, sind einige Substanzen eher kritisch für Materialen wie Polyestern und PC. Dazu zählen Substanzen mit einem hohen pH-Wert über 10, Amine/Ammonium-Salze und Chemikalien, die PC auflösen können wie aprotische Lösungsmittel, Aromaten und Lipide, Fette, Ester sowie Glykole mit geringem Molekulargewicht. Ein Kontakt mit solchen Substanzen sollte eher gemieden werden. Ist das jedoch nicht möglich, können PC-Polyester Blends eine Lösung sein, da durch das teilkristalline Verhältnis die chemische Beständigkeit verbessert werden kann. Covestro bietet diese Blends unter dem Namen Makroblend auch speziell für Gehäuse im medizinischen Bereich an.

Aussagen darüber, ob spezielle Desinfektionsmittel Probleme hervorrufen, sind schwierig. Denn zum einen sind die genauen Rezepturen der Desinfektionsmittel nicht öffentlich bekannt und zum anderen können sich die Rezepturen auch ändern. So sind Tests mit konkreten Desinfektionsmitteln immer nur Momentaufnahmen und nur als Anhaltspunkt zu verstehen. Basierend auf den Erfahrungen des Anbieters sind Makrolon und Makroblend bei der richtigen Anwendung gegenüber vielen Desinfektionsmitteln beständig (Tabelle 1).

Kombinierte Faktoren und Schadensbilder

Medizinische Produkte sind während ihrer Lebensspanne nicht nur Desinfektionsmitteln ausgesetzt, sondern auch Umwelteinflüssen und Verarbeitungsprozessen. Auch diese haben Einfluss auf den Kunststoff. So kann beispielsweise eine dauerhafte Bestrahlung mit UV-Licht zu Vergilbungen bei PC führen. Diese Reaktion überlagert sich dann mit den Effekten, die durch Desinfektionsmittel hervorgerufen werden, und können somit zu einem Ausschuss führen. Denn bei der abschließenden Beurteilung der chemischen Beständigkeit ist es auch wichtig zu verstehen, worin ein Bauteilversagen für den Anwender besteht. Es gibt Anwendungen, bei denen eher eine Verfärbung des Bauteils problematisch ist, während es bei anderen eher um sichtbare Risse oder um mechanische Festigkeit geht.

Nur mit einer ganzheitlichen Betrachtung aller Einflussfaktoren kann abgeschätzt werden, ob eine Substanz für die Anwendung problematisch ist oder nicht. Durch die richtige Auslegung von Bauteilen und einer abgestimmten Materialauswahl kann die chemische Beständigkeit deutlich verbessert werden.

In diesem Sommer erweitert der PC-Anbieter sein Portfolio für den Bereich medizinische Gehäuse um zwei neue Produkte. Makroblend M5005FR und das Makrolon M6011FR weisen beide eine hohe chemische Beständigkeit, Flammschutz und Biokompatibilität für Hautkontakt auf (Tabelle 2). Diese Ergänzung ermöglicht es dem Kunststoffhersteller, noch für weitere Anforderungen und Anwendung eine passende Lösung zu finden. Das Healthcare Team bei Covestro ist dabei kompetenter Ansprechpartner.