PE-Werkstoff für den Behälterbau

Mehr Sicherheit im Chemikalienhandling

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Aggressive Medien, die einen höheren Abminderungsfaktor besitzen sowie erhöhten Umwelteinflüssen ausgesetzt sind, stellen für die Lagerung und das Handling besondere Anforderungen an den Behälterbau. Stahlgummierte Behälter sind an dieser Stelle mit einer verkürzten Lebensdauer zu betreiben – die Zersetzung des Behältermaterials kann gravierende Folgen für Betrieb und Umgebung mit sich bringen. Hier finden unter anderem Behälter aus Polyethylen ihren Einsatz.

Einer der chemisch am simpelsten aufgebauten Kunststoffe ist Polyethylen (PE). Die Molekülkette besteht nur aus den Atomen Kohlenstoff und Wasserstoff. Die industrielle Produktion von Polyethylen hoher Dichte (PE-HD) wurde erst mit der Entwicklung von Katalysatoren (Ziegler-Natta-Katalysator) zur Polymerisation von Ethylen Mitte der 1950er-Jahre interessant. Von da an wurde das Polyethylen stetig weiterentwickelt – bis zum heutigen Polyethylen. Dabei ermöglichte jede Entwicklungsgeneration bei gleichbleibendem Sicherheitsniveau eine wirtschaftlichere Behälterauslegung. Der aktuelle Entwicklungsstand des Polyethylens, das heute im Anlagen-, Behälter- und Rohrleitungsbau zum Einsatz kommen kann, ist das PE 100-RC.

Entwicklung von PE 100 zu PE 100-RC
Die allgemeinen Werkstoffeigenschaften des Ausgangsmaterials PE 100 wie lebensmittelecht, elastisch/schlagzäh, homogener Werkstoff oder die chemische Beständigkeit sprechen bereits für sich. Auch beim RC-Werkstoff handelt es sich um ein PE 100, das im Herstellungsprozess jedoch dahingehend verändert wurde, dass es dem langsamen Risswachstum aus der Gruppe der PE-Typen (vernetztes PE ausgenommen) den höchsten Widerstand entgegensetzt (RC = resistant to crack). Mit dieser Eigenschaft unterscheidet es sich deutlich vom PE 100. Entwickelt wurde PE 100-RC zunächst speziell für erdverlegte Rohre, bei denen z. B. punktförmige äußere Belastungen im Erdreich oder Kerben, die während der Verlegung eingebracht werden, auch nach langen Betriebszeiten nicht zu einer Rissbildung führen.
Die Eigenschaft des hohen Widerstands gegenüber des langsamen Risswachstums bietet auch bei der Lagerung von kritischen Medien im Behälterbau erhöhte Sicherheit. Hat ein Medium im Material einen Mikroriss (Spannungsrissbeginn) erzeugt, kann man aufgrund der besseren Weiterreißbeständigkeit von PE 100-RC davon ausgehen, dass die Rissfortpflanzung in das Material hinein gehemmt ist. Dies hat einen unmittelbaren Einfluss auf die Lebensdauer der Konstruktion: „(…) Die Abminderungsfaktoren für Medieneinfluss A2B können für spannungsrissauslösende Medien abgesenkt werden.“ (DVS-Taschenbuch, Ausgabe 2016, S. 139, Anmerkung 1). So werden Behälter für die Lagerung von Medien, wie z. B. Schwefelsäure ≤96 %, von Mediengutachtern für eine erhöhte Standzeit freigegeben.
Weiterhin haben bei einer Konstruktion aus PE 100-RC unbeabsichtigt eingebrachte Kerben bei der Verarbeitung, dem Transport, dem Aufstellen oder beim Betreiben eines Behälters bei weitem nicht den Stellenwert wie bei PE 100 oder auch PP-H.
Beste Ergebnisse beim FNCT
Wegen der hohen Weiterreißunempfindlichkeit von PE 100-RC bedarf es in einem herkömmlichen Zeitstand-Innendruckversuch einer sehr langen Prüfzeit, um diese Eigenschaft (Widerstand gegen langsames Risswachstum) festzustellen. Zur deutlichen Verkürzung des Prüfzeitraums wird der sogenannte FNCT (Full Notch Creep Test) herangezogen. In diesem Test wird im Prinzip das Kerbverhalten bzw. die Weiterreißempfindlichkeit des Materials bestimmt. Für die Ermittlung dieser Eigenschaft wird ein Prüfkörper mit den Abmessungen von beispielsweise 100 x 10 x 10 mm mittig auf allen vier Seiten auf gleicher Höhe mit einer Klinge bis in eine Tiefe von 1,7 mm ± 0,2 mm eingekerbt (Bild 2). Dieser Probekörper wird bei 80 °C in einer Netzmittellösung (2 % Arkopal N-100) einer Zugbelastung von 4 N/mm2 ausgesetzt. Die einzelnen PE-Typen müssen dem Test mit Mindestzeiten ohne Bruch widerstehen, damit sie den entsprechenden PE-Typen zugeordnet werden können. Die Mindestwerte für die entsprechenden Rohstoffe sind in dem DVS-Taschenbuch, Ausgabe 2016, in der DVS 2205-1 Beiblatt 1 auf Seite 139 festgelegt (Bild 3).
Die Gegenüberstellung zeigt den deutlichen Unterschied zwischen PE 100-RC und anderen PE-Typen bezüglich des Widerstands gegenüber dem langsamen Risswachstum. Das Ergebnis des FNCT ist eindeutig: PE 100-RC besitzt eine Mindeststandzeit von 8760 Stunden. Somit wird die Mindeststandzeit im Vergleich zum PE 100 um das ca. 30-fache erhöht.
Von der Farbe zum Einsatzbereich
Behälter aus PE 100-RC können aus verschweißten Tafeln oder Wickelrohr standardmäßig in den Farben Schwarz, Blau und Weiß hergestellt werden. Dabei finden die Behälter in den verschiedensten Bereichen Anwendung, dazu gehören beispielsweise die Chemieindustrie, Pharmaindustrie, Umwelttechnik, Recyclingtechnik, Energietechnik, Klärwerke, Solarenergie sowie Biogasanlagen.
Neben optischen Fragen hat jede Farbe ihre speziell auf den Einsatzbereich (Bild 4) bezogenen Vorteile. Während der FNCT-Wert als auch die chemische Beständigkeit bei allen drei Farben auf einem gleich hohen Niveau liegen, entscheiden Unterschiede in der Wärmeabsorption, der Lichtabsorption sowie der Witterungsbeständigkeit über den geplanten Einsatzbereich.
Gerade weil Polyethylen zu der Kunststoffgruppe der Thermoplaste gehört, ist die Bauteiltemperatur ein entscheidender Faktor für die Statik bzw. konstruktive Gestaltung der Behälter. Durch die Wärmeabsorption der Sonneneinstrahlung können bei den unterschiedlichen Farben schwankende Oberflächentemperaturen auftreten (Bild 4). Bei Feststoffsilos oder in Bioreaktoren, wo aufgrund des Verfahrens keine freie Konvektion im Behälterinneren stattfinden kann, bietet PE 100-RC weiß einen entscheidenden Vorteil. Die Temperatur der örtlichen Bauteildurchwärmung wird hier abgesenkt. Eine Beeinflussung der Statik oder Störung im Verfahrensprozess kann so weitgehend minimiert werden.
Je nach Farbton des Behälters wird ein unterschiedlich großer Anteil des Lichts absorbiert bzw. gestreut. Während ein schwarzer Behälter sämtliche Wellenlängen des Lichts absorbiert und somit ein Maximum an Licht „verschluckt“, wird bei einem weißen Behälter sämtliches Licht gestreut. Insbesondere in geschlossenen Räumlichkeiten mit mehreren Behältern kann durch die Verwendung von weißen Behälterkonstruktionen Lichtenergie eingespart werden. Bei beispielsweise Abwasseranlagen, die von vielen Betreibern aufgrund der hellen Farbe in PP-H gebaut wurden, bietet PE weiß somit eine wirtschaftliche Alternative.
PE in Perspektive
Das Material PE 100-RC bietet in Bezug auf Polyethylen als Weiterentwicklung des PE 100 bis Dato den höchsten bekannten Widerstand gegen das langsame Risswachstum. Mit Blick auf die Zukunft werden weitere Hersteller von Kunststoffbehältern langfristig umdenken und auf PE 100-RC umstellen. Die Gerhard Weber Kunststoff-Verarbeitung als Behälterbauer und Simona als Hersteller beteiligen sich an dieser Markterschließung und haben den Werkstoff PE 100-RC im Behälterbau positioniert.

Michael Wille
Statik/Konstruktion,DVS Obmann der AG W 4.3b Konstruktive Gestaltung – Apparatebau,
Gerhard Weber Kunststoff-Verarbeitung

Dieter Eulitz
Anwendungstechnik HalbzeugeTechnical Service Center,Simona
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