Das Phänomen kennen wir aus vielerlei Alltagssituationen: Im Kühlschrank vermischen sich Gerüche von Käse und Wurst, der Autoreifen verliert im Laufe der Zeit an Druck, Softdrinks in PET-Flaschen sind nur begrenzt haltbar, Regen und Wasserdampf im Nebel durchdringen unsere Kleidung. Chemiker bezeichnen den Vorgang, bei dem ein in der Regel gasförmiger oder flüssiger Stoff einen festen Körper durchdringt, als Permeation. Auch wenn die genannten Beispiele durchweg negative Folgen von Permeation beschreiben, ist sie nicht grundsätzlich unerwünscht. Denken Sie etwa an die Verpackung von Brot und Obst oder an Funktionskleidung, die verdampfenden Schweiß nach außen dringen lassen soll.
Die Phasen des Permeierens
Dass feste Körper nicht völlig undurchlässig sind, wurde zuerst von dem Physiker Abbé Jean-Antoine Nollet im 18. Jahrhundert beschrieben. Es ging um einen luftdichten Verschluss von Wein durch eine Schweinsblase. Sie erwies sich aber als semipermeabel, wie man heute sagen würde. Für einige Permeate ist sie durchlässig, für andere nicht. In späteren Versuchsaufbauten ließ sich zeigen, dass die Permeation in vier Phasen erfolgt:
- Zunächst lagern sich feste, flüssige oder gasförmige Chemikalien auf einer Oberfläche eines Feststoffs an (Adsorption).
- Der Feststoff nimmt Gase, Dämpfe oder gelöste Stoffe auf (Absorption).
- Winzige Poren oder molekulare Zwischenräume lassen diese Stoffe durch den Festkörper wandern (Diffusion). Diese Wanderung erfolgt, wenn sie nicht anderweitig beeinflusst wird, in Richtung des Konzentrationsgefälles.
- Auf der anderen Seite des Feststoffs tritt das Permeat als Gas aus (Desorption).
Richard Mailing Barrer, ein neuseeländischer Chemiker, hatte zweihundert Jahre nach Nollet moderne wissenschaftliche Methoden zur Verfügung, um die Permeation genauer zu untersuchen, Membranen und Dichtungsmaterialien zu testen und Messverfahren zu definieren, um die Permeabilität eines Stoffs, bezogen auf ein konkretes Permeat, zu quantifizieren.
Beispiel Arbeitssicherheit
Das exakte Vorgehen bei einer Permeationsmessung ist in DIN EN 16523 geregelt. Sie zeigt, wie der Widerstand von Materialien gegen die Permeation von Chemikalien bestimmt wird. Teil 1 dieser Norm befasst sich mit der Permeation durch potenziell gefährliche Chemikalien bei Dauerkontakt. Das ist wichtig bei der Prüfung von Schutzkleidung, Schutzhandschuhen und Fußschutz etwa in Laboren oder für Feuerwehreinsätze bei Chemieunfällen.
Beispiel Isolierung
Zum Klimaschutz gehört auch die Wärmedämmung von Gebäuden. Das Einsparen von Heizenergie ist zwar wichtig, darf aber nicht dazu führen, dass Wände nicht mehr „atmen“ können – Schimmel wäre die Folge. Isolierschichten müssen deshalb für Wasserdampf durchlässig sein. Solche Baustoffe bezeichnet man entsprechend der Phase drei einer Permeation als diffusionsoffen. In anderen Fällen ist diese Durchlässigkeit genau nicht erwünscht, zum Beispiel beim Korrosionsschutz von unterirdisch oder im Wasser verlegten Kabeln oder bei der Verpackung empfindlicher Lebensmittel und von Medikamenten.
Beispiel Flächenversiegelung
Die Hochwasserkatastrophe im Sommer 2021 hat gezeigt, welche schlimmen Folgen große Regenmengen haben können, wenn sie auf versiegelte Flächen treffen. Die Frage, wie schnell Wasser auf Straßen, Wegen, besonders aber auch auf großen landwirtschaftlichen Flächen versickern kann, wird durch ihre Permeabilität bestimmt.
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