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Grundlagen zum Werkstoff Polyethylen (PE-HD) (Teil 2)

06.10.2005

Neben den schweißtechnischen Grundzusammenhängen sind natürlich auch werkstoffspezifische Kenntnisse über Polyethylen notwendig. In diesem zweiten Teil der Artikelreihe, die wir mit freundlicher Genehmigung des bbr - Fachmagazin für Brunnen- und Leitungsbau - veröffentlichen dürfen, wird daher der Werkstoff Polyethylen mit seinen Typen, Eigenschaften, Vorteilen und Grenzen für seinen langlebigen Einsatz im Rohrleitungsbau behandelt.

Polyethylen hat sich nicht nur in der Gas- und Wasserversorgung als hervorragender Werkstoff für Rohrleitungssysteme bewährt. In über 50 Jahren Einsatzerfahrung hat sich der Werkstoff Polyethylen inzwischen erheblich weiterentwickelt. Dennoch gibt es Vorbehalte, Unsicherheiten und auch Schadensfälle, die auf fehlendes Grundwissen und Grundverständnis u. a. hinsichtlich der Eigenschaften und der Belastungsfähigkeit von Polyethylen zurückzuführen sind.

Das Wissen um die Vorteile eines Werkstoffes muss auch das Wissen um seine Grenzen mit einbeziehen, um bereits im Vorfeld sicherzustellen, dass die Rohrleitung ihren Zweck erfüllt und die vorgesehene Lebensdauer sicher und zuverlässig erreicht. Ziel dieses Beitrages ist es, wichtige werkstoffspezifische Grundzusammenhänge in allgemein verständlicher Form aufzuzeigen.

Struktur und Eigenschaften

Wie bereits in Teil 1 beschrieben, zählt Polyethylen (PE) zu den thermoplastischen Kunststoffen, die aus langen Ketten, den so genannten Makromolekülen bestehen. Diese sind aus Grundbausteinen (Monomere), in diesem Fall dem Ethylen, zusammengesetzt (Tab. 1 und Abb. 1a-d). Diese Ketten entstehen durch die so genannte Polymerisation (Reaktionsprozess, bei dem die Moleküle mittels spezieller Katalysatoren ihre Doppelbindungen aufheben und sich aneinander reihen). Die Kettenlänge der PE-Moleküle in PE-HD-Rohren beträgt in der Regel ca. 50.000 Ethylenmoleküle [1].

Die Ketten selbst besitzen meist kleinere Seitenketten, die in unregelmäßigen Abständen von der Hauptkette abgehen. Diese Seitenketten behindern die Kristallisation, d.h. die regelmäßige Anordnung der Makromoleküle. Dadurch entsteht die so genannte teilkristalline Struktur, bei der es geordnete (kristalline) und ungeordnete (amorphe) Bereiche gibt (Tab. 1, Abb. 1d). Die kristallinen Bereiche sind energetisch günstigere Bereiche, weshalb ihre Auflösung beim Erwärmen mehr Energie erfordert, als für die amorphen Bereiche. PE hat damit sozusagen zwei Erweichungsbereiche. Diese Eigenschaft des PEs macht sich sehr positiv beim Handling der Rohrleitungen zum Schweißen bemerkbar.

PE liegt unterhalb von ca. -50 °C spröde vor, d.h. dass hier die amorphen Bereiche ebenfalls eingefroren sind. Oberhalb von ca. -50 °C erweichen die amorphen Bereiche, sodass die erweichten Bereiche bei mechanischer Belastung wie Puffer wirken. Das erklärt die gute Schlagzähigkeit und auch die Flexibilität des PEs bei der Verlegung. Erst ab ca. 130 °C erweichen dann auch die kristallinen Anteile (da hier die zwischenmolekularen Bindungskräfte höher sind) vollständig. Das PE liegt nun im plastischen Zustand vor, in dem es schweißbar ist (vgl. Teil 1). Ab ca. 300 °C beginnt PE sich zu zersetzen und ab ca. 340 °C fängt es an zu brennen.

Durch die Seitenketten wird die Dichte des Materials herabgesetzt, da diese wie die Äste eines Baumes wirken, sodass ein kompaktes Aneinanderlagern der Stämme (Molekülketten) örtlich begrenzt verhindert wird. Je größer die Anzahl und die Länge der Seitenketten ist, desto geringer ist die Dichte und damit die Festigkeit auf Grund der geringeren Größe der vorhandenen kristallinen Bereiche. Gleichzeitig aber erhöht sich auch die Flexibilität (da die Beweglichkeit in den amorphen Bereichen wesentlich höher ist), die Spannungsrissbeständigkeit und die Schlagzähigkeit. Je größer die kristallinen Anteile (Kristallinität) sind, desto höher ist die Dichte und damit die Festigkeit, die chemische Beständigkeit und die Härte. Die chemische Beständigkeit ist auch auf den molekularen Aufbau und die unpolare Natur des PEs zurückzuführen, wodurch wenig "Angriffsfläche" für chemische Reaktionen vorhanden ist.

Extrudierte Rohre aus PE haben eine Oberflächengüte, die in etwa hochpoliertem Stahl entspricht, was nicht nur Ablagerungen behindert, sondern auch den Fließwiderstand erheblich reduziert. Die Ketten lagern in den kristallinen Bereichen so dicht aneinander, dass die Lichtwellen – anders als in den amorphen Bereichen bzw. bei amorphen Thermoplasten – an den Kristalliten gestreut werden. Deshalb ist reines (uneingefärbtes) PE nicht transparent, sondern durchscheinend (opak).

Es gibt unterschiedliche Reaktionsprozessarten, um verschiedene Polyethylentypen herzustellen. Das PE-HD wird im Niederdruckverfahren, das im Gegensatz zum PE-LD zu relativ wenigen Seitenketten (ca. 3 bis 5 je 1.000 Kohlenstoffatomen) führt, hergestellt. Die Bezeichnung PE-HD bedeutet "Polyethylen mit hoher Dichte (high density)", "PE-LD" bedeutet "Polyethylen mit niedriger Dichte (low density)" und "PE-X" bedeutet "vernetztes Polyethylen" (crosslinked). Daneben gibt es auch das PE-MD als "Polyethylen mittlerer Dichte" bzw. das PE-RT als "Polyethylen mit erhöhter Temperaturbeständigkeit" (raised temperature resistance) nach DIN 16833. Ebenfalls eine Rolle spielen modifizierte Varianten, wie das elektrisch leitfähige Polyethylen (PE-el) bzw. Rohre mit Schutzmantelsystemen bzw. unterschiedlichem Rohrwandaufbau.

Eigenschaften von PE-HD

PE-HD besitzt ein Eigenschaftsprofil, das sich u. a. für die Rohrsysteme in der Gas- und Wasserversorgung besonders gut eignet (Tab. 2). Ein großer Vorteil, den PE-Rohrleitungssysteme bieten, ist ein sehr breit gefächertes Verbinderprogramm und die Möglichkeit der Vormontage von (z.T. sehr langen) Rohrleitungen, die anschließend in den Rohrgraben eingelegt bzw. mit unterschiedlichen Verfahren für die Erneuerung und grabenlose Neuverlegung eingebracht werden.

Der Temperatur-, Druck- und Zeitabhängigkeit der Eigenschaften von Rohrsystemen aus PE-HD trägt die DIN 8074/DIN 8075 Rechnung. In dieser Norm werden in entsprechenden Tabellen die möglichen Betriebsdrücke in Abhängigkeit von der Temperatur und der möglichen Betriebsjahre für Wasser aufgelistet. Für andere Belastungsarten (z.B. wechselnd), andere  Durchflussmedien, verschiedene Schweißverfahren usw. gibt es unterschiedliche Abminderungs- und Sicherheitsfaktoren. Die Berechnungsgrundlage dafür ist seit vielen Jahren vorhanden und erlaubt eine zuverlässige Auslegung und Berechnung.

Klassifizierung

Die Bezeichnungen PE 80 und PE 100 kennzeichnen unterschiedliche Belastungsniveaus von Rohren durch Innendruckbeaufschlagung. Auf Basis von Zeitstand-Innendruckkurven (Abb. 2), bei denen die Rohre bei unterschiedlichen Temperaturen und Drücken bis zum Bruch geprüft wurden, erfolgt die Einteilung nach DIN EN ISO 12 162 in entsprechende Leistungsklassen (Tab. 3). Als Kenngröße dient dabei die Zeitstand-Innendruckfestigkeit für das Medium Wasser bei 20 °C und 50 Jahren Belastungszeit, die entsprechend der ISO 9080 auf 50 Jahre hochgerechnet wird (Extrapolation). Diese Mindestfestigkeiten werden mit MRS (minimum required strength) bezeichnet und die Werte dienen als Rechengrößen für die Auslegung von Rohrleitungssystemen.

Die gute Zeitstandfestigkeit von Polyethylenrohren beweist übrigens ein Rohr aus der so genannten 1. Generation, das seit 1956 bei 20 °C und 10 bar Innendruck ohne Ausfall im Zeitstand-Innendruckversuch bei der Firma Hoechst AG (jetzt Basell Polyolefins) geprüft wird.

In den Richtlinien geht man heute von einer Betriebsfähigkeit bei PE-HDRohren – bei sachgemäßer Anwendung und Verlegung – von mindestens 100 Jahren aus (siehe DIN 8075). Der entsprechende Innendruck (in bar) hängt natürlich von der jeweiligen Wandstärke und dem Durchmesser der Rohre ab und muss (entsprechend der Kesselformel) berechnet werden:

PN = maximal zulässiger Nenndruck (bar)
SDR = Durchmesser-Wanddickenverhältnis (da/s)
Smin = Sicherheitsfaktor (1,25 für Wasserrohre, 2,0 für Gasrohre)
da = Rohraußendurchmesser nominal
s = Wanddicke nominal
Bimodales und monomodales (unimodales) PE-HD

Mit dem PE 100 (der so genannten 3. Generation von PE) kam vor einigen Jahren ein neuer Polyethylentyp auf den Markt, der die Kombination höhere Festigkeit / höhere Steifigkeit / höherer Widerstand gegen schnelle Rissfortpflanzung und gleichzeitig eine Verbesserung der Schlagzähigkeit und Spannungsrissbeständigkeit – eigentlich ein werkstoffspezifischer Widerspruch – enthielt. Dies wurde durch eine bimodale Polymerisation möglich, bei der zwei unterschiedliche Molekülkettenfamilien im Polyethylen entstehen (Abb. 3).

Zum einen sind dies kurze, unverzweigte Molekülketten (für die Festigkeit und die Steifigkeit) und zum anderen langkettige, verzweigte Molekülketten (für die Schlagzähigkeit und die Spannungsrissbeständigkeit). Die Kettenlängen – die sich immer in einer entsprechenden Bandbreite bewegen – spiegeln sich im so genannten Molekulargewicht, also der Summe der Massen der Atome in der Kette, wider.

Bimodales Polyethylen weist eine Reihe von Vorteilen gegenüber monomodalem PE auf (Tab. 4). Da es inzwischen auch bimodales PE 80 gibt (was aus der Rohrkennzeichnung nicht ersichtlich ist) erwächst für den Schweißer die Problematik, dass das (auf Grund unterschiedlicher MFRWerte) unterschiedlich fließende plastifizierte Material  auch andere Schweißwülste ausbildet (eher spitze Schweißwülste) als das  monomodale Polyethylen (runde Wülste). Bei monomodalem Polyethylen weisen spitze Schweißwülste auf falsche Schweißparameter (z.B. zu hoher Fügedruck) hin, was bei bimodalem Polyethylen nicht zutrifft.

Fließfähigkeit von PE

Hinsichtlich der Fließfähigkeit (Viskosität) gibt es für Polyethylen unterschiedliche MFR-Gruppen (früher: MFI, Schmelzindexgruppen). Diese sind in der DVS 2207-1 und DIN 8075 enthalten (Abb. 4) und spielen beim Schweißen eine wichtige Rolle (vgl. Teil 1). Wichtig ist, dass nur PE mit sehr ähnlichen Viskositäten gut miteinander geschweißt werden können. Grundsätzlich ist das Schweißen von Rohren/Verbindern aus PE 80 (mono und bimodal) mit Rohren/Verbindern aus PE 100 nach DVS und das Schweißen der MFR-Gruppen 005 und 010 miteinander nach DVGW zugelassen.

Ein Problem stellt die Tatsache dar, dass die MFR-Gruppe 003 lediglich zur Hälfte im generell zugelassenen Bereich nach DVS 2207-1 liegt (Abb. 4). Damit ist keine generelle Freigabe zum Schweißen von Rohren/Verbindern mit den MFR-Gruppen 005 und 010 gegeben, es sei denn, der nach DVS 2207-1 geforderte Nachweis (Zeitstand-Zugversuch nach DVS 2203-4, Beiblatt 1) wurde seitens der Hersteller erbracht.

Dies ist bei den meisten Herstellern längst erfolgt. Mit Erscheinen des DVGW-Arbeitsblattes GW 335 Teil B im Juni 2003 ist für PE-HD-Rohre mit dem aktuellen DVGW-Zertifizierungszeichen die Kennzeichnung der MFRGruppe nicht mehr erforderlich. Die Zertifizierung dieser Rohre beinhaltet bereits die Erbringung des genannten Schweißeignungsnachweises.

Vernetztes Polyethylen (PE-X)

Wie bereits in Teil 1 ausgeführt, unterscheidet sich vernetztes Polyethylen wesentlich vom unvernetzten. Das vernetzte Polyethylen zeichnet sich im Vergleich zum unvernetzten Polyethylen durch eine höhere Zeitstandfestigkeit, eine höhere Gebrauchstemperatur, eine höhere Schlagfestigkeit und eine höhere Spannungsrissbeständigkeit aus. Die derzeitigen Möglichkeiten, PE-X zu schweißen sind im ersten Teil des Beitrags beschrieben.

Zusammenfassung

Polyethylen ist ein Werkstoff, der auf Grund seiner Eigenschaften in der Gas- und Wasserversorgung immer stärker zur Anwendung kommt. Sein Eigenschaftsprofil und die ständige Weiterentwicklung, sei es materialspezifisch oder anwendungsspezifisch (Rohre mit Schutzmantel, Mehrschichtrohre, spezielle Einstellungen, wie z.B. elektrische Leitfähigkeit usw.) werden diesem Werkstoff sicher noch weitere Zuwächse und Anwendungsgebiete erschließen. Die Ausnutzung und Umsetzung dieser Vorteile lassen sich aber nur dann realisieren, wenn man die werkstoffspezifischen Eigenschaften und Grenzen kennt und beachtet.

Dazu existieren nicht nur entsprechende Kennwerte der Hersteller, sondern auch entsprechende Berechungs- und Prüfgrundlagen, die die zeit-, druck- und temperaturabhängigen Werkstoffeigenschaften des Polyethylens entsprechend berücksichtigen. Grundsätzlich muss die Werkstoffauswahl nach den jeweiligen Anforderungen und Gegebenheiten vor Ort erfolgen und nicht nur nach dem Preis, denn auch Polyethylen ist nicht für alle Anwendungsfälle der richtige Werkstoff. Im dritten Teil wird anhand von Beispielen aus der Praxis anschaulich aufgezeigt, welche Einsatzmöglichen der Werkstoff PE im Rohrleitungsbau bietet, wenn man den notwendigen Sachverstand bei der Werkstoffauswahl, der Verlegung, der Fügetechnik und dem Handling von Anfang an mit einbezieht.

Literatur

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[2] Delémontez J., Nothdurft R. & P. M. Schäfer (2004): Polyethylenrohre in der Gas- und Wasserversorgung: PE 100 oder doch PE 80?, GWF Gas Erdgas, 145 (7-8).
[3] Domininghaus, H. (1986): Die Kunststoffe und ihre Eigenschaften, Düsseldorf.
[4] Ehrenstein, G. W. (1999): Polymer-Werkstoffe, München-Wien.
[5] Grosse-Boes R. & R. Kloth (2004): Das langsame Risswachstum von Polyethylen – Mythos und Wirklichkeit, 3R international, 43 (4-5).
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[8] Kuske H.-D. & M. Bastian (2004): Bruchzähigkeitsverhalten und Ermüdungsrisswachstum als Dimensionierungskriterium für  Polyolefin-Konstruktionswerkstoffe, 3R international, 43 (8-9).
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[10] Langlouis, W. (2001): Vernetztes Polyethylen - Geschichte, Aufbau und Vernetzungsarten, Verbindungstechnologien, 3R international, 40 (9).
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[12] N.N. (1999): DIN 8074, Rohre aus Polyethylen (PE) - PE 63, PE 80, PE 100, PE-HD-Maße, 8.
[13] N.N. (1999): DIN 8075, Rohre aus Polyethylen (PE) - PE 63, PE 80, PE 100, PE-HD - Allgemeine Güteanforderungen, Prüfungen, 8.
[14] N.N. (2001): DIN 16833, Rohre aus Polyethylen erhöhter Temperaturbeständigkeit - Allgemeine Güteanforderungen, Prüfungen, 6.
[15] N.N. (1997): DIN 16894, Rohre aus vernetztem Polyethylen mittlerer Dichte (PE-MDX) - Allgemeine Qualitätsanforderungen, Prüfung, 1.
[16] N.N. (2003): ISO 9080, Plastics piping and ducting systems - Determination of the long-term hydrostatic strength of thermoplastics materials in pipe form by extrapolation, 3.
[17] N.N. (1996): DIN EN ISO 12162, Thermopl. Werkstoffe für Rohre und Formstücke bei Anwendungen unter Druck - Klassifizierung und Werkstoffkennz. - Gesamtbetriebs(berechnungs) koeffizient (ISO 12162:1995); Deutsche Fassung EN ISO 12162:1995, 4.
[18] N.N. (2001): DVS 2203-4 Beiblatt 1, Prüfen von Schweißverbindungen an Tafeln und Rohren aus thermoplastischen Kunststoffen - Zeitstandzugversuch - Prüfen von Muffenschweißverbindungen an Rohren, 12.
[19] N.N. (2002): DVS 2205-1, Berechnung von Behältern und Apparaten aus Thermoplasten - Kennwerte, 4.
[20] N.N., DVS 2207-1, Schweißen von thermoplastischen Kunststoffen; Heizelementschweißen von Rohren, Rohrleitungsteilen und Tafeln aus PE-HD.
[21] N.N. (2003): Information Nr. 17; Einsatz von PE 80, PE 100 und PE-Xa in der Gas- und Wasserverteilung, DVGW, Bonn, 4.
[22] Schwarz, O. (1987): Kunststoffkunde, Würzburg.

 
 
Quelle: bbr 6/05, Seite 26-31

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