Korrosionsschutz für Anlagen und Komponenten

Autoren Dr. Gabriele Gottschalk-Gaudig Application and Product Development Europe Fluoroplastics, Dyneon Wolfgang Neumann Application and Product Development Europe Fluoroplastics, Dyneon Dr. Michael Schlipf Consultant von Dyneon

Damit Auskleidungswerkstoffe Anlagen aus Stahl- oder faserverstärkten Kunststoffkonstruktionen gegen Korrosion und chemischen Angriff wirksam schützen können, müssen sie zunächst selbst eine möglichst universelle Chemikalienbeständigkeit aufweisen. Dies ist bei den vollfluorierten Fluorpolymeren wie 3M Dyneon PTFE, 3M Dyneon TFM Modified PTFE und 3M Dyneon Fluoroplastic PFA dadurch gewährleistet, dass die potenzielle Schwachstelle des Polymerwerkstoffes, die Kohlenstoffkette, durch allseitig angeordnete Fluoratome wirksam vor chemischen Angriffen geschützt ist. Dies schließt auch einen Alterungsprozess der Fluorpolymerwerkstoffe wie Versprödung aus und ermöglicht gleichbleibende Werkstoffeigenschaften über den gesamten Lebenszyklus. Die vollfluorierten Fluorpolymerwerkstoffe sind prädestiniert für Korrosionsschutzanwendungen mit zusätzlicher Atex-Forderung. Der Unterschied zwischen den drei Werkstoffen liegt im Molekulargewicht und dem Gehalt an Perfluorpropylvinylether, einem ebenfalls perfluorierten Comonomer, das für die Herstellung von TFM und PFA eingesetzt wird. In der Reihe PTFE – TFM – PFA nimmt das Molekulargewicht und damit auch die Viskosität des Polymeres im Schmelzzustand ab. Daraus resultiert die bekannt gute Partikelverschmelzung des Sinterwerkstoffes TFM, und PFA ist, dank noch weiterführender Molekulargewichtsreduzierung, thermoplastisch verarbeitbar. Der niedrige Porengehalt des TFM bewirkt höchste Barrierewirkung gegenüber aggressiven Chemikalien, während PFA als reiner Thermoplast praktisch frei von Poren vorliegt.

Welche Rolle spielt nun der Modifier PPVE beim Ausbalancieren des Eigenschaftsprofils dieser Werkstoffe? Als teilkristalline Werkstoffe erhalten die vorliegenden Fluorpolymere ihre Festigkeit über den Amorphanteil des Polymerverbundes. In der Produktreihe PTFE – TFM – PFA würde nun der Kristallinanteil der Polymere signifikant ansteigen, da sich die zunehmend kürzeren Makromoleküle leichter zu Kristalliten falten können. Der Verlust der mechanischen Festigkeit wäre die Folge. Der Modifier PPVE stört jedoch mit seiner voluminösen Seitenkette wirkungsvoll die erhöhte Kristallisationsneigung der kürzeren Molekülketten, erhöht damit den Amorphanteil der Polymere und verbessert so deren mechanische Eigenschaften. Als Konsequenz steht dem Anwender damit ein Produktportfolio zur Verfügung, das durchgängige Korrosionsschutzlösungen im komplexen Anlagenbau ermöglicht.

Eines der entscheidenden Kriterien für die Auswahl des jeweils am besten geeigneten Fluorpolymers für die vorgesehene Korrosionsschutzanwendung ist dessen Barrierewirkung gegenüber korrosiven Chemikalien. Die bestimmenden Werkstoffmerkmale, die das Permeationsverhalten beeinflussen, sind Porenfreiheit, Kristallinität und Polarität. Hinzu kommen Auslegungskriterien und die Bedingungen der Anwendung, z. B. Schichtdicke der Polymerauskleidung oder Einsatztemperatur.

Für den Temperaturbereich von Umgebungsbedingungen bis ca. 120 °C hat sich der Korrosionsschutz in Festverbundweise als die beste Lösung bewährt. Um die Fluorpolymerauskleidungssegmente fest mit einer Stahlkonstruktion verbinden zu können, müssen sie zunächst mit einer klebbaren Schicht versehen werden. Dies erfolgt durch Auflaminieren eines Gewebes bzw. Gewirkes auf Basis von Glasfasern oder Kohlefasern, über das sich dann das Laminat mittels Epoxidharz- oder Polyurethankleber fest mit der Stahlkonstruktion verbinden lässt. Da die vollfluorierten Fluorpolymere mit einem Ausdehnungskoeffizient von ca. 12 x 10-5 1/K einen im Vergleich zu Stahl ca. 10-fach höheren Ausdehnungskoeffizient aufweisen, treten bei Temperaturwechsel Scherspannungen zwischen den Schichten des Werkstoffverbundes auf. Sowohl die Forderung nach einem sicheren Haftverbund in Kombination mit Vakuumbeständigkeit als auch die begrenzte Temperaturbeständigkeit der am Markt verfügbaren, chemikalienbeständigen Klebersysteme begrenzen diese Art des Korrosionsschutzes auf Anwendungen im Temperaturbereich von 0 bis ca. 120 °C. In besonders günstigen Fällen sind auch Festverbunde bis ca. 140 °C einsetzbar. Die verschiedenen Verarbeitungsverfahren für die Basismaterialien TFM und PFA bestimmen die am Markt verfügbaren Laminatprodukte: Während PFA-Laminate über das Plattenextrusionsverfahren hergestellt werden, im Verlaufe dessen der Geweberücken in die noch weiche Polymerschmelze eingedrückt wird, erfolgt die Herstellung von TFM-Laminaten über einen zweistufigen Prozess. Zunächst wird die einlagige Folie durch Abschälen von einem gepressten und gesinterten TFM-Block hergestellt, anschließend wird die Gewebelage im Heißpressverfahren einseitig aufgebracht. Verfahrensbedingt sind deshalb PFA-Laminate als Rollenware mit typischen Dicken von 1,5 bzw. 2,3 mm verfügbar, auf Anfrage bis zu 3,8 mm, während TFM-Laminate dank eines speziellen Schälprozesses zusätzlich in Dicken bis zu ca. 5 mm hergestellt werden können (Die Dickenangaben bei Laminaten für die Auskleidung beziehen sich auf die Fluorpolymerschicht, ohne Gewebe).

Bestehen die Behälter aus glasfaser- bzw. kohlefaserverstärkten Vollkunststoffen, ist die Fluorpolymerinnenlage ebenfalls über einen Geweberücken fest mit diesen verbunden. Je nach Anforderungsprofil kommen bei dieser Anwendung sowohl Laminate auf PFA- als auch auf TFM-Basis zum Einsatz.

Bei Anlagenkomponenten mit komplexen Geometrien ist ein Festverbund häufig nicht realisierbar. Hierzu zählt die Auskleidung von Pumpen, Ventilen, Messsensoren oder anderen Anlagenkomponenten. Sie werden durch Lose-Verbund-Auskleidungssysteme wirkungsvoll vor Korrosion geschützt, bei denen die Fixierung des Fluorpolymerinliners über mechanische Verankerung mit dem üblicherweise metallischen Gehäuse erfolgt. Für Baugruppen mit besonders anspruchsvoller, komplexer Geometrie eignet sich das PFA-Transfer-Moulding-Verfahren. Dabei wird die aufgeschmolzene PFA-Masse mittels Transferpressen in die auszukleidende Armatur überführt, wobei sowohl Polymerschmelze als auch das zu füllende Metallteil die gleiche Temperatur aufweisen. Erst nach vollständiger Befüllung über einen inneren Kern, der die Dicke der Auskleidung definiert, erfolgt die Abkühlung. Die Verbindung von PFA-Auskleidung und Metallgehäuse erfolgt sowohl durch die Einspannung der PFA-Bördel im Flanschbereich als auch flächig über sog. Schwalbenschwanzverbindungen. Alternativ lassen sich bevorzugt Bauteile mit einfacherer Geometrie, z. B. Rohrbögen oder Abzweige, auch durch das isostatische Pressverfahren unter Verwendung von rieselfähigem TFM auskleiden. Für lange Rohre hat sich die Auskleidung mittels pastenextrudiertem PTFE-/TFM-Liner als Standard etabliert.

Neben der komplexen Geometrie von Anlagenkomponenten sind hohe Betriebstemperaturen >120 °C ein weiteres Kriterium für eine Lose-Verbund-Auskleidung. Chemiekolonnen, Wäscher oder andere großdimensionierte Sonderbauteile werden deshalb ebenfalls nach dem Lose-Verbund-Verfahren ausgekleidet, wobei als Auskleidungsmaterialien sowohl pastenextrudierte Rohre, als auch Schälfolien auf Basis von modifiziertem PTFE Verwendung finden. Dank ausgereifter Schweißverfahren sowohl für PFA als auch TFM sind hierbei der Designvielfalt fast keine Grenzen gesetzt. Die sorgfältige Ausführung von Isolation und Hinterlüftung der nach dem Lose-Verbund- Verfahren korrosionsgeschützten Anlagenkomponenten, insbesondere derjenigen, die in hohem Betriebstemperaturbereich eingesetzt werden, liegen im Verantwortungsbereich des Anlagenbetreibers. Nur durch diese zusätzlichen Maßnahmen kann Blisterbildung im Auskleidungswerkstoff bzw. Hinterrostung zwischen Auskleidung und Stahlkonstruktion langfristig sicher vermieden werden.

PFA lässt sich als Platte oder als Laminat sehr gut mittels Heizelementstumpfschweißen verbinden. Die Methode ist aber nur dann anwendbar, wenn die zu verbindenden Platten von beiden Seiten zugänglich sind, also z. B. bei der Fertigung des Inliners für fluorpolymerausgekleidete GFK-Behälter. Beim Warmgasschweißen erlauben die Thermoplasteigenschaften des PFA eine vergleichsweise hohe Schweißgeschwindigkeit. Jedoch sind inzwischen auch für den Werkstoff TFM Schweißverfahren verfügbar, die zu ausgezeichneten Resultaten bezüglich Festigkeit und Dichtheit führen. Bei Anwendung des Heizelementstumpfschweißens können Platten bis 5 mm Dicke oder mehr verbunden werden, ohne dass dabei die Verwendung eines Schweißhilfsstoffes erforderlich wäre. Bindenahtfestigkeiten mit einem Schweißfaktor > 0,8 sind erzielbar. Das Warmgasschweißen mittels Schweißhilfsstoff PFA wird bei TFM-Werkstoffen immer dann angewandt, wenn Heizelementstumpfschweißen nicht möglich ist.

Halle 9.0, Stand E36

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PFA, TFM zusammen mit PTFE und FEP bilden die Produktgruppe der vollfluorierten Fluorkunststoffe. Bauteile aus diesen Werkstoffen werden in der Dyneon-Up-Cycling- Pilotanlage nach Erreichen des Endes ihres Lebenszyklus wieder zurückgenommen, zerkleinert und in die Monomere TFE und HFP gespalten. Nach Reinigung werden diese erneut für die bekannten Polymerisationsverfahren eingesetzt. Somit kann der Fluorpolymerkreislauf erstmals geschlossen werden. Am 26. März 2015 eröffnete Dyneon zusammen mit den Kooperationspartnern Deutsche Bundesstiftung Umwelt, Universität Bayreuth und Forschungsinstitut für innovative Verfahrenstechnik (Invertec) in Burgkirchen die weltweit erste Fluorpolymer-Up-Cycling-Anlage. Die Anlage ist darauf ausgelegt, bis zu 500 t Fluorpolymerabfall jährlich aufzubereiten. Die neue Pilotanlage integriert sich nahtlos in die bestehenden Fluorpolymer-Produktionslinien von Dyneon und setzt Pyrolyse zur Zersetzung der perfluorierten Polymere ein. Dabei werden gasförmige Monomere zurückgewonnen, die zunächst aufgereinigt und dann der Produktion zur Herstellung neuer Materialien zugeführt werden. „Die Up-Cycling-Anlage und der dazugehörige Prozess wird unser aller Denken und Handeln ändern. Was einst als ein nutzloser Abfallstrom betrachtet wurde oder allenfalls als Nebenprodukt mit geringem Nutzen, ist nun ein wertvolles Material“, stellt Dr. Klaus Hintzer, Ideengeber und Corporate Scientist bei 3M, fest. „Die Anlage ist als Pilot konzipiert, um die Realisierung des Konzepts in einem großtechnischen Maßstab zu demonstrieren und weiterentwickeln zu können.“ Zu Beginn wird die Anlage vollfluorierte Polymere wie PTFE, PFA und FEP, verarbeiten, und in der zweiten Phase zusätzlich PTFE-Compounds, die Füllstoffe enthalten.