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Polymermorphologie erhöht Schlagzähigkeit

Beta-Polypropylen (PP-H) für den chemischen Rohrleitungsbau
Polymermorphologie erhöht Schlagzähigkeit

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Im industriellen Rohrleitungsbau werden aufgrund von großen Belastungen wie starken Temperaturwechseln, dynamischen Spannungsbelastungen und Druckschlägen in Kombination mit aggressiven Medien hohe Anforderungen an den verwendeten Kunststoff gestellt. In diesem Zusammenhang spielt die Schlagzähigkeit des Werkstoffs eine entscheidende Rolle.

Eine hohe Schlagzähigkeit garantiert hohe Sicherheiten gegen unvorhersehbare Schlagbeanspruchungen beim Transport, bei der Installation und schließlich im Betrieb des Systems.

Beta-PP-H wird diesen hohen Ansprüchen auf ideale Weise gerecht, indem sich durch Verwendung von Nukleierungsmitteln Beta-Kristalle (Bild 1) ausbilden, die für eine entscheidende Steigerung der Schlagzähigkeit des Materials verantwortlich sind, ohne nennenswerte Einbußen in der Steifigkeit des Materials hinnehmen zu müssen.
Die feine Beta-Kristallstruktur mit minimierten Eigenspannungen zusammen mit dem unpolaren Aufbau von PP garantiert eine hervorragende chemische Beständigkeit. Das gute Preis-Leistungs-Verhältnis macht PP in Verbindung mit seiner weitreichenden chemischen Beständigkeit und seinem attraktiven Eigenschaftsprofil auch bei höheren Temperaturen als Rohrleitungswerkstoff besonders interessant.
Polypropylen wird kommerziell, abhängig von den gewünschten Eigenschaften, in unterschiedlicher Form hergestellt. Im Rohrleitungsbau sind derzeit am Markt drei verschiedene Polypropylentypen üblich: Beta-PP-H, wie auch Alpha-PP-H, die zu den PP-Homopolymerisaten gehören, PP-Block-Copolymerisate (PP-B) und PP-Random-Copolymerisate (PP-R). Bedingt durch die unterschiedlichen chemischen Strukturen der einzelnen PP-Typen ergeben sich Unterschiede in den mechanischen Eigenschaften.
Kerbschlagzähigkeitsverhalten
In Bild 2 sind die Kerbschlagzähigkeiten unterschiedlicher PP-Typen in Abhängigkeit der Temperatur dargestellt. Es handelt sich dabei um Minimalwerte, die bei sachgemäßer Verarbeitung sowohl beim Spritzguss, Extrudieren und Pressen erreicht werden. Diese Ergebnisse wurden in einer breit angelegten Messstudie ermittelt. Beta-PP-H besitzt im Vergleich zu Alpha-PP-H oder PP-R die beste Kerbschlagzähigkeit. Daraus resultiert eine sehr hohe Sicherheit bei Schlagbelastungen.
Das Zähigkeitsverhalten thermoplastischer Werkstoffe wird bei der Ermittlung der zulässigen Spannung im Rohrleitungs-, Behälter- und Apparatebau durch den Abminderungsfaktor A4 entsprechend der DVS-Richtlinie 2205–1 sowie der DIN EN 1778 berücksichtigt.
Höhere Sicherheiten durch hohe Zähigkeit
Die zulässige Betriebsspannung eines Rohrleitungssystems berechnet sich unter anderem unter Berücksichtigung von A4-Abminderungsfaktoren und des entsprechenden Zeitstand-Innendruckverhaltens der jeweiligen PP-Type. Daraus resultiert bei Beta-PP-H im Bereich von -10 °C bis + 40 °C eine deutlich höhere Sicherheit gegen Schlagbeanspruchung im Vergleich zu Alpha-PP-H, da das Zähigkeitspotenzial von Beta-PP-H aufgrund nicht vorhandener Differenzierung der Abminderungsfaktoren zu Alpha-PP-H nicht völlig ausgenutzt wird.
Insbesondere bei niedrigen Temperaturen, Druckstößen, Vibrationen und unsachgemäßer Handhabung bei Transport und Montage, bietet Beta-PP-H ein Plus an Sicherheit. Basierend auf dieser hohen Sicherheit lässt sich ein Beta-PP-H-Rohrleitungssystem auf dem selben Niveau dimensionieren wie ein PP-R-Rohrleitungssystem.
Schweißgüte von Beta-PP-H-Rohrleitungen
Der von Georg Fischer beim Beta-PP-H verfolgte Systemgedanke setzt unbedingte Kompatibilität der Einzelkomponenten voraus. Ziel einer jeden Verbindungstechnologie von Systemkomponenten muss es sein, in der Fügestelle keinen Eigenschaftssprung, bzw. keine Schwachstelle zu erzeugen. Auf Beta-PP-H übertragen bedeutet dies, dass auch die Schweißverbindung selbst die gewünschten Eigenschaften von Beta-PP-H zeigen muss. Um diesen Aspekt näher zu untersuchen, wurden exemplarisch Rohre mit einem Formteil sowohl per Heizelement, als auch mit der Infrarot-Technologie verschweißt, die Materialstruktur in der Schweißzone mittels Röntgenweitwinkelstreuung (WAXS) analysiert und mit den am Halbzeug gemessenen Daten verglichen. Rohr und Formteil wiesen dabei identische Strukturkennwerte auf; der hohe Beta-Kristall-Anteil unterstreicht die gute Qualität der Produkte. Die Schweißung fügt sich harmonisch in die Struktur der Halbzeuge ein. Ein Eigenschaftssprung tritt in der Schweißung nicht auf.
Die Röntgenweitwinkelstreuung ist in diesem Fall die beste Methode, verlässliche Resultate zu erhalten. Die sonst üblicherweise verwendete thermische Analyse (DSC) ist nicht anwendbar, da es bei der DSC-Messmethode aufgrund des Messverfahrens zu einer Phasenumwandlung der Beta-Phase kommt.
Chemische Beständigkeit
Für Rohrleitungssysteme im Industriebereich ist neben der Zeitstandfestigkeit und der Schlagzähigkeit, die chemische Beständigkeit des Rohrleitungswerkstoffs von entscheidender Bedeutung.
Durch die besondere Nukleierung von Beta-PP-H und ein auf den Werkstoff optimal abgestimmtes Verarbeitungsverfahren wird eine sehr feine Kristallstruktur erreicht. Hierdurch werden in Verbindung mit hochwertigen Innenoberflächen das Eindringen von Chemikalien oder der Angriff auf die Oberfläche stark reduziert. Ein außerordentlich leistungsfähiges Thermostabilisatorsystem bildet zudem einen langlebigen Puffer gegen thermooxidativen Abbau. Bei der Farbeinstellung wird ein hochwertiges Titandioxid als chemisch inertes Pigment verwendet. Umfangreiche Langzeit-Praxistests, Zeitstandinnendruckversuche unter Chemikalienlast oder einfache Immersionsversuche haben die exzellente chemische Beständigkeit von Beta-PP-H Rohrleitungen im Kontakt mit vielen praktisch relevanten Medienklassen über viele Jahre hinweg bestätigt.
Aus diesen Gründen ist Beta-PP-H häufig das Material der Wahl, wenn durch das Rohrleitungssystem starke Säuren und Laugen oder aggressive Lösungsmittel fließen müssen. Solchen chemischen Extrembelastungen ist Beta-PP-H gewachsen und trägt deshalb auch zu sicheren Betriebsbedingungen bei.
Bild 3 zeigt ein Rohrleitungssystem aus Beta-PP-H, welches in einer Kehrichtverbrennungsanlage installiert wurde.
Idealer Werkstoff für die chemische Industrie
Neben der exzellenten, langjährig bewährten Chemikalienbeständigkeit und der deutlich erhöhten Schlagzähigkeit basierend auf der Polymermorphologie gegenüber gewöhnlichem PP-H oder PP-R ist Beta-PP-H auch aufgrund vieler zusätzlicher Vorteile als Rohrleitungswerkstoff insbesondere für die chemische Industrie prädestiniert. Es steht ein komplettes Sortiment, also Rohre, Hand- und Automatikarmaturen, Muffen- und Stumpfschweißfittings aus einem Werkstoff zur Verfügung, die sich mit Hilfe vielseitiger Techniken wie Flanschverbindung, Verschraubung, Muffen-, Stumpf- oder Infrarot-Schweißung verbinden lassen, ohne dass es im System zu Eigenschaftssprüngen kommt.
Insgesamt bietet Beta-PP-H hohe Sicherheitsreserven besonders bei Beanspruchungen unterhalb der Raumtemperatur, bei mehrachsigen Spannungszuständen, Druckstößen und Vibrationen oder unsachgemäßer Handhabung bei Transport und Montage.
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