Ablauf der Schichtbildung auf Kupferoberflächen

Auf der zunächst metallischen blanken Oberfläche entsteht unter Einwirkung von Luftinhaltsstoffen und Feuchte im Laufe der Zeit eine festhaftende und beständige Schutzschicht. Die zunächst noch dünnen (etwa 2-4 µm) und kaum sichtbaren Anlauf¬schichten aus Kupfer(I)-Oxid bilden sich innerhalb weniger Stunden und stabilisieren die Oberfläche bereits merklich gegen die wechselnden Einwirkungen der Atmosphäre (Witterung). Diese Einwirkungen verursachen das allmähliche und sich mit wachsender Dicke und Dichte immer mehr verlangsamende Anwachsen der Oxidschicht. Die Kupferoberfläche verliert dabei ihren metallischen Glanz und wird gleichmäßig braun.

Wesentlich für die Oxidationsgeschwindigkeit ist die Häufigkeit und Dauer von Wasserfilmen auf der Kupferoberfläche. Flachgeneigte Flächen haben eine viel schnellere Oxidation zur Folge als steile oder senkrechte Flächen mit schnell ablaufenden Niederschlägen, wie zum Beispiel Außenwandbekleidungen.

Oxidschichtbildung

Über einen längeren Zeitraum ändert sich dann optisch nicht viel. Nach und nach tritt eine allmähliche Farbvertiefung bis braunschwarz oder Anthrazit auf. Chemisch bilden sich in diesem Zeitraum immer dichtere und dickere Oxidschichten. Auf den Oberflächen findet unter dem Einfluss der Luftverunreinigungen, vor allem des SO2, eine langsame chemische Umwandlung der Kupferoxidschichten in basische Sulfate statt.

An senkrechten oder geschützt liegenden Kupferoberflächen entwickelt sich die Oxidschicht farblich nicht mehr weiter, der Anthrazit-braune Farbton ist hier im allgemeinen der optische Endzustand. Diese für den Wandbereich typische braune Patina führt dann gelegentlich zu dem Fehlschluss, Kupfer würde umweltbedingt heute überhaupt nicht mehr grün.

Grüne Patina

Auf geneigten Dachflächen verändert sich die Schutzschicht nach einer gewissen farblichen Stagnation weiter. Bei trockenem Wetter wird zunächst ein leichter Grünschimmer auf dem dunklen Grund sichtbar, im weiteren Verlauf entsteht mit zunehmender Intensität das kupfertypische Patina-Grün. Ursache für diese Weiterentwicklung ist die intensive Einwirkung von Niederschlagwasser auf geneigte Flächen und die damit verbundene verstärkte Bildung basischer Kupferverbindungen. Die wechselnden atmosphärischen Bedingungen sowie unterschiedliche Gebäudegeometrien lassen eine exakte Bestimmung des Zeitablaufes nicht zu. In Industrie-, See- oder Stadtatmosphäre bei nicht zu steil geneigten Flächen kann mit einer Dauer von 8 bis 15 Jahren gerechnet werden. In ländlichen Gegenden oder bei sehr steilen Dachflächen ist ein längerer Zeitraum möglich.

Die Schutzwirkung der Patina wird von der Farbe und der regional unterschiedlichen Zusammensetzung nicht erkennbar beeinflusst. Die Sorte oder der Festigkeitszustand des Kupfers hat keinen messbaren Einfluss auf die Patina. Die Patina wird in der Umgangssprache gelegentlich als "Grünspan" bezeichnet. Diese Bezeichnung ist falsch! Grünspan entsteht durch chemische Reaktionen von Kupfer mit Essigsäure und ist, im Gegensatz zur Patina, wasserlöslich.