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Osmose - immer wieder?

ein Artikel aus der "Bootswirtschaft" Ausgabe Nr. 2/2007

Neue Erfahrungen

Prof. Dipl.-Ing. H. Dieter Scharping

Gegen Ende der 1960er Jahre tauchten an den von Blohm + Voss gebauten Conger-Jollen am Unterwasserschiff Blasen auf. Auffällig war, dass die dunkleren Rümpfe mehr befallen waren als die weißen. Die Ursache schien zunächst allein im Lieferantenwechsel zu liegen. Im Jahr zuvor war aus Preisgründen zu einem anderen Lieferanten gewechselt worden. Nach dem weiteren Wechsel zum ehemaligen zurück waren die Probleme verschwunden. Beunruhigend war die Angelegenheit nun doch gewesen, aber was war der Grund?
Alle Beteiligten arbeiteten eng zusammen, um die Gründe für dieses Phänomen zu finden. Offensichtlich schien es im Harzsystem zu liegen, denn das war der einzige zunächst aufzufindende Unterschied. Der alte Lieferant hatte ein "Chemieharz" (Isophthalsäureharz)als Grundlage eingesetzt und der neue das allgemein übliche Bootsbauharz (Orphthalsäureharz). Um die Gründe der Schäden herauszufinden, wurde ein Prüfprogramm verabredet. Mit beiden Harzen unterschiedlich hergestellte Prüfplatten wurden bei einem Lieferanten im Versuchsbecken bei erhöhten Temperaturen die Versuche gefahren und B+V hängte eine größere Anzahl Platten bei Cuxhaven in die Nordsee.
Nach einem Jahr stand fest, dass ein wesentlicher Faktor im verwendeten Harz lag. Orthophthalsäure-, Isophthalsäure-, Neonpentylglycol -Isophthalsäureharz und in einer weiteren Versuchsreihe Vinylesterharz, in dieser Reihenfolge wurden die Ergebnisse besser. Warum, war zunächst nicht klar, denn es gab auch mit den höherwertigen Harzen Blasen. Ein weiteres Programm gab Aufschluss. Bei B+V wurden emulsionsgebundene Matten verarbeitet, die sich erheblich schneller tränken ließen und somit besser zu verarbeiten waren. Das Ergebnis war dann, dass sich die pulvergebundenen Matten wesentlich stabiler verhielten. Andere Einflussgrößen wie Verarbeitungsbedingungen, Härterwahl, Temperung, Styrolgehalt, Schlichte, Lösungsmittel, usw. wurden ermittelt.
Durch Rückkoppelung mit den Chemiefirmen und Harzherstellern wurde auch bekannt, dass die Schwimmbadhersteller ähnliche Untersuchungen durchführten, weil in dem auf 25-27° C aufgewärmten Wasser die gleichen Probleme entstanden waren.
In den vielen Jahren seit diesen Untersuchungen sind viele Erfahrungen gewonnen worden. Wir wissen heute, dass es sich um Osmosevorgänge handelt.
Der Begriff "Osmose" wird im Zusammenhang mit den Schäden allgemein sprachlich falsch eingesetzt. Osmose ist ein physikalischer Vorgang. Die dadurch hervorgerufene "Bläschenkrankheit" oder "GFK-Pest" ist eine Schädigung des Laminats und somit keine Osmose. Also haben wir die Ursache (Osmose) und das Symptom (Bläschen) und später die Schädigung des Laminats. Die Ursachen sind heute weitgehend aufgeklärt, und man hat die Vermeidung der Schäden gelernt. Sehr gute, ausführliche und weitergehende Informationen sind in der Literatur [1,2, 4, 6] enthalten.

Geblieben sind das Problem des Erkennens und der Nachweis der "Osmose".
Die erste und sichere Feststellung ist das Bemerken der Bläschen am Unterwasserschiff, vornehmlich auf der nach Süden gelegenen Seite des Liegeplatzes der Jacht. Der geöffneten Blase entströmt oft ein leichter Essiggeruch. Die Bläschen sind meistens nur kurz nach dem Aufslippen zu sehen, sie können schon nach einigen Stunden besonders bei trockenem Wetter verschwunden sein. Es steht fest, dass alle mit Orthophthalsäureharze gebauten Boote im Laufe der Zeit eine Osmose-Schädigung bekommen. Das ist natürlich auch abhängig von der Fertigung. Ungenügend entlüftete Laminate sind anfälliger als gut gerollte, ungetemperte Rümpfe sind sehr gefährdet. Staton-Bevan [3] behauptet: "...dass von den inspizierten Booten (ca. 250/Jahr) bis 10 Jahre alten 35-40% von Blasen befallen waren, bei den 10-12jährigen klettert die Rate auf 70%." Die von mir untersuchten mehr als 15 Jahre alten mit Orthophthalsäureharz gebauten Rümpfe hatten alle eine Schädigung durch Osmose. Mir sind allerdings auch nachweislich mit Isophthalsäureharz gebaute 25 Jahre alte Rümpfe untergekommen, die einige Blasen aufwiesen. Der Hersteller dieser Boote war bekannt für Qualität und dass er alle Rümpfe temperte. Es ist so, dass kein Laminat dauerhaft über einen langen Zeitraum zu schützen ist. Von den Firmen BASF und Bayer wurden Großversuche gefahren und dabei stellte sich heraus, dass jedes Harz zu schädigen ist. Die Resultate lauteten, dass im Wasserbad bei +60° C nach:

Orthophthalsäureharz (Ortho): 150 - 200 Stunden Belastung
Isophthalsäureharz (Iso): 800 Stunden Belastung
Neopentylglycol (NPG): 2400 Stunden Belastung

die Harze versagten.
Das sind ja z.T. gewaltige Zeiträume für Jachten, die in der Nord- oder Ostsee liegen und im Winter an Land. Diese Zeiträume schrumpfen sofort für die ständig im Wasser des Mittelmeeres oder der Karibik liegenden, zumal wenn man sich überlegt, dass das Jahr nur 8760 Stunden hat. Natürlich bietet die im Versuchsbecken erhöhte Temperatur eine, wenn auch geringe, Sicherheit. Diese Sicherheit ist nun vorsichtig zu bewerten, denn die in den Großversuchen gefahrenen Proben sind unter Laborbedingungen hergestellt worden. In der Werkstatt hergestellte Laminate sind natürlich mit mehr Fehlstellen behaftet. Sehr gute Erfahrungen liegen bei Laminaten vor, die mit zweimal 300g/m2-Matten mit ISO-Harz hinter der Feinschicht hergestellt worden sind. Hier kam zum Tragen, dass die Trennung des Harzes von der Faser durch Haftschlichten für Lichtplatten wesentlich vermindert wurde. Bei dieser Kombination zeigten sich nach 22 Jahren (Liegeplatz Norddeutschland) noch keine weißen Glasfäden [4].

Betrachtet man die physikalischen Vorgänge - Osmose ist eine Wasserdampfdiffusion - so ist das auch verständlich. Insgesamt übernimmt die Feinschicht eine wichtige Schutzfunktion. Aber das Harz der Feinschicht oder auch die ersten Lagen sind nur eine Dampfbremse und keine Verhinderung. Jede Feinschicht kann man als Netz betrachten, die Wassermoleküle wandern hindurch und suchen sich Hohlstellen im Laminat; die Schädigung beginnt. An den Glasfasern wandern die Moleküle entlang, sammeln sich und trennen Faser und Harz, der Verbund wird gelockert. Die Osmose beginnt theoretisch beim in's Wasser setzen, es dauert natürlich etwas bis zur tatsächlichen Diffusion. In den kühlen Gewässern des Nordens dauert es länger bis zum Beginn, in den warmen des Südens geht es schneller, noch gefährlicher ist 25° C warmes Süßwasser, z.B. in den flachen Bereichen des Bodensees.. Eine vollständige Durchnässung des Laminats ist möglich, und damit eine signifikante Schädigung. Die Biegefestigkeit kann nach [2] um bis zu 25% abfallen. Damit ist der Verlust der Steifheit des Rumpfes verbunden, die Durchbiegung beim Anheben (mit Traveller slippen) nimmt zu. Man kann es manchmal feststellen, wenn große Fenster im Aufbau Risse bekommen, der Rumpf wird weich.

Die Feststellung und der gerichtsfeste Nachweis der Osmose-Schädigung sind ein Problem für sich. Zeigen sich die Bläschen, weiß man Bescheid. Aber es gibt Vorstufen und wie sieht es hinter den Blasen aus? Wie tief geht die Schädigung? Oftmals wird die oberste, mit Bläschen behaftete Schicht, oder auch die zweite und dritte, abgetragen, der Rumpf getrocknet und die Außenhaut neu beschichtet. Es ist mehrfach vorgekommen, dass trotz der Behandlung Feuchtigkeit im Laminat verblieb - sie wurde quasi eingepackt, eingesiegelt.
Mit dem Zurückbilden der Blasen bleibt die Schädigung bestehen, weil sich die Substanzen aus dem Harz und von den Glasfasern gelöst haben, und die verbleibende Feuchtigkeit zerstört weiter.
Man kann die Osmose-Schädigung nicht messen. Messen kann man nur die Feuchtigkeit im Laminat, evtl. die Barcolhärte, jedoch müssen die gemessenen Resultate interpretiert werden. Die Feuchtigkeitsmesser und Barcolhärtemessgeräte sind Geräte für Spezialisten.
Die Feststellung der Feuchtigkeit wird mit einem Feuchtigkeitsmessgerät vorgenommen. Es gibt mehrere Geräte. Hier ist am bekanntesten "Sovereign Marine Moistore Master" [5].
Für FVK ist der Bereich "A" zuständig. Diese Skala "A" zeigt aber nur für Holz die tatsächliche Feuchte. Für FVK sind die Ziffern nur Skalenteile. Bei FVK wird die relative Feuchte gemessen! Der Zeigerausschlag beginnt bei 0%, bis 19% reicht der grüne Bereich, und darüber hinaus ist die Skala bis 25% orange und rot - also nicht erlaubte Feuchtigkeitsgehalte. Bei 25% soll die Sättigung erreicht sein. Der Gerätehersteller empfiehlt unter 5% zu bleiben. Diese Einteilung ist willkürlich!
Man muss sich darüber im Klaren sein, dass die obere Grenze des grünen Bereichs von 19% sehr viel ist. Die Ansichten gehen in der Fachwelt auseinander: Viele halten die 19%-Grenze für zu hoch, andere haben keine Vorbehalte.
Tatsache ist, dass bei 5% noch Feuchtigkeit im Laminat vorhanden ist - sonst würde es Null anzeigen -, also die Osmose wirksam ist, also auch die Lösung der Substanzen beginnt. Weiter ist zu beachten, dass das Gerät keine absolute Feuchtigkeit, sondern nur die relative anzeigt. Das heißt, dass man mit diesen Zahlen den absoluten Wassergehalt nicht berechnen kann.
Das Gerät wurde zur Messung der Feuchtigkeit in Holz, Mörtel und Beton entwickelt. Dann sind die gemessenen Werte Prozentwerte. FVK-Laminate sind strukturell anders aufgebaut, das Material ist inhomogen. Die kleinen Fehler und Defekte im Laminat - unbenetzte Stellen, Hohlräume Delaminierung - sind wichtig, hier siedeln sich Blasen an und beginnen mit der Schädigung.
Eigentlich kann das für Holz entwickelte Gerät bei FVK nicht funktionieren. Sovereign misst mit der Backe kapazitiv (Wechselstrom). Induktiv ist das bei der Isolation von FVK nicht zu machen Bei Holz ist eine durchgehende Nässung vorhanden. Bei FVK sind aber nur die Hohlräume nass, das Harz ist - egal welcher Herkunft - ein Isolator, FVK ist nicht homogen. Holz hat eine natürliche Zellstruktur, die sich füllen kann, die Zellwände leiten die Feuchtigkeit weiter; Glasfasern nehmen keine Feuchtigkeit auf.
Es wird eine Messtiefe von max. 6 mm angegeben, nach meiner Erfahrung sind nur 2-3 mm sicher zu erfassen. Die tieferen Bereiche müssen geöffnet werden.
Im Winter an Land stehende Boote nehmen vermutlich keine Feuchtigkeit in den tieferen Schichten auf. Dagegen nehmen ständig im Wasser liegende Jachten höhere Feuchtigkeitswerte auf, die wahrscheinlich auch tiefer eindringen.
Fehlmessungen können entstehen in Bereichen mit eingebettetem Metall, eingebauten Tanks, weil das Laminat nach innen nicht verdunsten, sich verteilen kann; manchmal handelt es sich auch um fehlerhafte Laminate. Auch eine hohe Luftfeuchtigkeit kann die Ergebnisse beeinflussen.
Die Eichung des Gerätes ist wichtig. Es wird allgemein empfohlen an einer trockenen Stelle oberhalb der Wasserlinie auf Null zu stellen und dann im Unterwasserschiff zu messen. Man erhält dann den Vergleich zum "trockenen" Oberwasserschiff, also eine relative Messung, eine Messung "in Bezug auf…". Da Wasser das Bestreben hat, sich gleichmäßig zu verteilen, weiß man nicht, was oberhalb der Wasserlinie wirklich vorhanden ist.
Man kann auf trockenes Material bestehen, jedoch müsste man dann ein Stück Laminat feuchtigkeitsdicht eingepackt von zu Hause mitbringen und damit eichen. Versuche über die beste Art der Eichung sind nicht bekannt. Meine eigene Methode ist, dass ich vor jeder Messung auf Null kalibriere und dann messe. Es ist sicher - und mehrfach erprobt -, dass dann die vorhandene relative Feuchtigkeit gemessen wird. Gemessen wird im Bereich "A".
Zur Messung sollte der Antifoulinganstrich im Messbereich entfernt werden. Bei neuen, dünnen Anstrichen kann man darauf verzichten, man muss einige Prozentpunkte abziehen. Aber die Anzeige beweist ja schon, dass Feuchtigkeit vorhanden ist. Eine Möglichkeit ist das Auflegen einer 0.5m2 großen Folie auf die trockene Außenhaut, die mit dicht schließendem Klebeband befestigt wird. Zeigen sich nach Erwärmen mit einem Föhn Tropfen, ist wahrscheinlich Feuchtigkeit im Laminat.

Es gibt mehrere Prüfmethoden:
Feuchtigkeitsprüfung
Röntgenrückstreutechnik
Ultraschall-Thermografie
Wärmebildkamera
Dynamische Thermografie
Endoskopie mit Absaugen der Flüssigkeit und deren Laboruntersuchung

Mit Ausnahme der Endoskopie spüren die Untersuchungen zwar Hohlstellen auf, aber man kann die Flüssigkeiten nur vermuten. Möglich, dass ein sehr versierter Prüfer z.B. bei der Thermografie oder mit der Wärmebildkamera aufgrund der Rückmeldungen auf Flüssigkeiten erkennt.
Eine sichere Methode ist die Öffnung des Laminats und Prüfung der Flüssigkeit (Endoskopie).
Andere gerichtsfeste Möglichkeiten sind Fotos mit geschädigten Laminaten (Abb. 1 und Abb. 1.1) und ganz besonders Langzeituntersuchungen mit Kontrolle der Austrocknung (Abb.2).

Abb. 1: Deutlich sind an den regellos angeordneten Glasfasern die quer verlaufenden kurzen, weißen Ablagerungen zu erkennen. Diese kurzen, weißen Striche (Pfeile) sind gelöste Anteile aus dem Harz bzw. von den Glasfasern


Abb. 1.1 Geschädigtes Laminat



Auf dem Foto Abb.1 sieht man die Glasfäden und daran gelagert die gelösten Substanzen der Matte mit kurzen weißen Strichen. Diese Perlenschnüre von ca. 50 mm Länge entstehen vom gelösten Binder. In dieser Abbildung sind die weißen Glasfasern ein zusätzliches Erkennungszeichen. In dem Diagramm in Abb.2 sind die gemessenen Feuchtigkeitswerte über einen Zeitraum von 38 Monaten aufgetragen. Es wird deutlich, dass zu Beginn der Messung die Werte schnell abfallen. Die in der Oberfläche sich befindende Feuchtigkeit dunstet anfangs schneller aus. Später verlangsamt sich die Verdunstungsgeschwindigkeit, weil die Wassermoleküle immer größere Widerstände, größere Strecken überwinden müssen, je weiter sie an die Oberfläche kommen.
Weiße Glasfäden deuten auf Osmose-Schädigung, der Verbund zwischen Harz und Glasfaser ist verloren gegangen, weil die Feuchtigkeit Harz und Glasfaser trennt. Über Jahre dringt die Feuchtigkeit weiter ein und ruft ernste Schäden in Form von Delamination hervor. Hier findet ein Abbau der Festigkeit statt mit der Gefahr des Versagens bei starker Belastung.
Ein deutliches Faserbild der Glasmatte in Weiß bedeutet eine Ablösung und in vielen Fällen die Vorstufe der Osmoseschädigung.

Die Austrocknung des gesamten Laminats kann Jahre dauern. Das heißt, dass bei zu kurzer Trocknungszeit das Laminat innen noch nass ist. Misst man nun 0-2% Feuchtigkeit in der Oberfläche, dann ist das Laminat scheinbar trocken. Das Wasser hat das Bestreben sich gleichmäßig auszubreiten. Nach einigen Monaten ist die oberste Schicht wieder feucht. Der Vorgang dauert bis die vollkommene Trocknung erreicht ist. Wird die Jacht im Frühjahr wieder in's Wasser gesetzt, füllt sich das Laminat wieder, die Schädigung nimmt ihren Fortgang.
F.-P. Plaschke: "Die Osmose schläft"!
Eine dicke Außenhaut und ein Kern aus Schaum oder Balsaholz fungieren als Feuchtigkeitslieferanten.
Ein nasses Laminat beinhaltet nicht nur einen Festigkeitsverlust, sondern auch die Steifigkeit wird erheblich gemindert - der Rumpf wird weich. Also werden auch die Segeleigenschaften gemindert, denn ein weicher Rumpf kann die Kräfte aus Vor- und Achterstag nur bedingt aufnehmen. Der Verlust der Steifheit macht sich beim Segeln Am-Wind unangenehm bemerkbar, die Segelfähigkeit leidet stark [6]. Schäden können entstehen nicht nur in der Außenhaut, sondern auch am Ruder, unter Gummitanks im Inneren, zwischen Dichtungsmasse und FVK (Befestigung der Beschläge, unter der Ankerwinde, etc.) und nicht zuletzt unter eng anliegenden Winterplanen.
Die größte Sicherheit bietet z.Zt. ein Laminat mit NPG-ISO- oder EP-Harz mit Glaslagen aus Geweben und/oder Strängen, hergestellt im Vakuum-Verfahren ohne Sandwichkerne.
Hier schließt sich der Kreis der im Titel gestellten Frage: Osmose kommt immer wieder!

Für eine Prüfung soll man unbedingt einen versierten Sachverständigen hinzuziehen.

Eine Garantie-Erklärung "Frei von Osmose" kann streng genommen nicht abgegeben werden, denn wenn auch die Schädigung erst nach vielen, vielen Jahren einsetzt, so ist sie doch immer latent vorhanden. Eine arglistige Täuschung gibt es natürlich auch, aber meist sind es versteckte Mängel, die der Verkäufer nicht kennen muss. Aber die juristische Wertung soll man immer einem Rechtsanwalt bzw. dem Gericht überlassen

[1] Hartz/Plaschke: " Osmose bei GFK-Booten", Broschüre des Boots- und Schiffbauer Verbandes, Hamburg 2003.
[2] Lüttmann: " Ursache und Vermeidung von Blasenbildung zwischen Feinschicht und Laminat" Kunststoffe im Bootsbau, Verein Deutscher Ingenieure, Düsseldorf 1975
[3] Staton-Bevan: Osmose-Behandlung und Reparaturen an GFK-Yachten, (übersetzt von P.Plaschke), Verlag Delius Klasing Bielefeld 1992
[4] Plaschke: "Kranker Kunststoff" Yacht 4/2004, Verlag Delius Klasing Bielefeld
[5] Lieferant: M.u.H. von der Linden, Werftstr.12-14, 46483 Wesel
[6] Scharping: "Konstruktion und Bau von Yachten", 3. Auflage 2007, Verlag Delius Klasing, Bielefeld