Das von der Europäischen Chemikalienagentur geforderte umfassende Verbot von per- und polyfluorierten Alkylsubstanzen – kurz PFAS – sorgt für Verunsicherung in vielen Branchen. Diese Chemikalien über alle Einsatzgebiete hinweg adäquat zu ersetzen, ist pauschal kaum möglich. PFAS umfassen über 10 000 verschiedene Verbindungen. Auch PTFE gehört zur Gruppe der sogenannten Ewigkeitschemikalien und ist ein beliebter Dichtungswerkstoff, denn PTFE-Dichtungen sind chemisch besonders beständig. Sie können weder durch hoch konzentrierte Säuren noch Laugen angegriffen werden und sind chemisch und biologisch inert. Reines PTFE enthält keine löslichen bzw. auswaschbaren Inhaltsstoffe, sodass keine Gefahr besteht, das jeweilige Medium zu verunreinigen. In der Anwendung ist PTFE also für sich genommen unbedenklich. Kritisch sind eher die Herstellung und die Entsorgung von PTFE. Bei der Herstellung werden kurzkettige Moleküle verwendet, die, wenn sie sich in der Umwelt oder im menschlichen Körper z. B. über die Nahrung oder Trinkwasser anreichern, schädliche Wirkungen haben können. Nach der Lebenszeit sind PTFE-haltige Produkte und auch Dichtungen nicht so einfach zu recyceln, weshalb sie häufig dem Verbrennungsprozess zugeführt werden. Hierbei entstehen giftige Zersetzungsprodukte, die ebenfalls lange in der Umwelt verbleiben können.
Das geforderte pauschale Verbot sämtlicher PFAS ist nachvollziehbar, aber praktisch nur schwer umzusetzen. Denn je kritischer eine Anwendung aufgrund z. B. der Verwendung aggressiver Medien ist, desto berechtigter ist der Einsatz von PTFE-Materialien. Deren chemische Beständigkeit nachzuahmen, ohne jedoch ebenfalls die schädlichen Auswirkungen bei Herstellungs- und Entsorgungsprodukten zu produzieren, ist nicht so einfach kurzfristig möglich. Bei sicherheitsrelevanten Bauteilen und kritischen Anwendungen wie in der Chemieindustrie sollten Ausnahmeregelungen oder Übergangsfristen gelten, um den Verantwortlichen Zeit zu geben, wirkliche Alternativen zu entwickeln.
Beratung über Alternative zu PTFE
Frenzelit arbeitet seit Längerem daran, PFAS-freie Dichtungswerkstoffe als Alternative zu PTFE zu entwickeln. Aber auch ohne die neuen Werkstoffe ließen sich bei genauerem Hinsehen bereits heute bis zu 50 % der PTFE-Dichtungen in den Branchen Chemie und Lebensmittel durch existierende Materialien ersetzen. Um Kunden anwendungsspezifisch beraten zu können, greift das Unternehmen auf eine historisch gewachsene Mediendatenbank zurück, die inzwischen über 1400 Medien umfasst. Hier ist genau hinterlegt, welches Dichtungsmaterial für welches Medium bei unterschiedlichsten Konzentrationen sowie Temperatur- und Druckbereichen freigegeben ist.
Graphit als Dichtungswerkstoff
In der Chemieindustrie und Verfahrenstechnik werden häufig starke Säuren eingesetzt. Üblich war es hier bisher, chemisch beständige PTFE-Dichtungen für die Verbindung von Rohrleitungen zu verwenden – unabhängig von der Konzentration der jeweiligen Säuren. Tatsächlich kommt es für die Auswahl eines geeigneten Dichtungsmaterials auf die Säurekonzentration, den Druck und die Temperatur an. So ist es beispielsweise bei 25%iger Schwefelsäure, wie sie häufig in Chemieanlagen eingesetzt wird, und ca. 60 °C nicht zwingend notwendig, PTFE einzusetzen. Auch Dichtungen aus reinem Graphit ohne metallische Verstärkung wie Novaphit VS von Frenzelit halten einer 25%igen Schwefelsäure sehr gut stand. Eine metallische Verstärkung, die in anderen Anwendungen bei höheren Drücken zur mechanischen Stabilität der Dichtung beiträgt, ist hier nicht möglich, da die Säure den Edelstahl angreifen würde. Ähnlich verhält es sich mit Laugen und Basen. Natronlauge wird häufig in der Zellstoffindustrie verwendet. Zellstoff wird mit einer 30%igen Natronlauge behandelt, als Vorprodukt zur Herstellung von Papier beispielsweise. Hier wäre statt den üblichen PTFE-Dichtungen auch eine metallisch verstärkte Graphitdichtung wie Novaphit MST oder Novaphit SSTC geeignet. Diese basieren auf expandiertem Reingraphit, verstärkt mit einer Edelstahlstreckmetalleinlage. Das Metall ist gegenüber der Natronlauge beständig.
Bei hohen Temperaturen stabil
Bei ähnlich konzentrierten Säuren und Basen lassen sich auch Behälter sehr gut mit Graphitdichtungen verschließen. Die Graphitdichtung hat gegenüber PTFE den Vorteil, dass sie mechanisch stabiler ist. Graphit ändert die atomare Gitterstruktur auch bei hohen Temperaturen nicht, egal ob 200 oder 500 °C. PTFE fängt unter größerer Belastung und im Speziellen in Kombination mit erhöhten Temperaturen an zu fließen; dies nennt sich viskoelastisches Verhalten. Der Ring wird also in seiner Stegbreite größer und in seiner Dicke geringer. Dies führt dazu, dass die Verbindung an Flächenpressung verliert – die Leckagegefahr nimmt deutlich zu. Das Graphit dagegen wird komprimiert und verbleibt stabil in dieser Form. Das sehr geringe Setzverhalten des Materials verhindert den Verlust von Flächenpressung und ermöglicht eine dauerhaft sichere Dichtverbindung.
Faserverstärkte Elastomere
In Anwendungen, die CIP-Prozesse mit niedrig konzentrierten Säuren und Basen, wie Essigsäure oder Natronlauge, erfordern, sind auch faserverstärkte Elastomerdichtungen wie die Novapress-Reihe geeignet. Die Dichtungen wurden eigens im Labor für diesen CIP-Prozess mit entsprechenden Medien getestet. Dazu wurde das Dichtungsmaterial einer freien Lagerung unterzogen, d. h., es war komplett von dem jeweiligen Medium umspült. Die faserverstärkten Elastomere überzeugen wie auch die Graphitdichtungsmaterialien mit einer sehr guten mechanischen Stabilität und neigen nicht zu dem PTFE-typischen Materialverhalten des Kriechens. Ein weiteres Medium, das zur Abdichtung nicht unbedingt PTFE bedarf, ist Ammoniak. Auch hier können faserverstärkte Elastomere zuverlässig als Dichtmaterial eingesetzt werden.
80 % der PTFE-Dichtungen ersetzen
Frenzelit kennzeichnet alle PFAS-freien Dichtungsmaterialien inzwischen mit einem entsprechenden PFAS-free-Label. Zudem hat das Unternhmen bereits frühzeitig begonnen, neue Werkstoffkonzepte zu entwickeln, die PFAS-frei sind, aber über eine deutlich verbesserte chemische Beständigkeit verfügen. Prototypen der neuen Werkstoffe sind bereits in der Erprobung und werden im eigenen Prüflabor diversen Tests unterzogen. 2023 ist geplant, gemeinsam mit Kunden Pilotversuche zu starten und die PFAS-freien Dichtungsmaterialien in Anlagen einzusetzen. Diese alternativen Dichtungswerkstoffe könnten dann bis zu 80 % der bisherigen PTFE-Dichtungen sehr gut ersetzen. Für die restlichen 20 % der hochkritischen Dichtungsanwendungen bedarf es jeweils individueller Betrachtungen, um auch hier längerfristig spezifische Ersatzlösungen zu finden.
Frenzelit GmbH, 95460 Bad Berneck
Autorin: Dr. Anna Berger
Research & Development Industry,
Frenzelit
