Gegenüber Metallen haben Kunststoffe Vorteile, wie z. B. geringeres Gewicht, fle- xible Formgebung und hervorragende Korrosionsbeständigkeit. Dagegen fehlt den Kunststoffen für statisch und ther-misch stark belastete Teile die notwendi-ge Steifigkeit, Festigkeit und Temperatur-beständigkeit.

Aber auch in dieser Domäne für Metalle beginnen Kunststoffe Fuß zu fassen. In der Automobilindustrie haben bereits Unterbodenverkleidungen, Bodenwannen und Hitzeschutzschilder aus faserverstärk-ten Polymeren ihren Einzug gefunden.

Auf einem weiteren Gebiet holen Kunst-stoffe gegenüber Metallen stetig auf: Die Durchlässigkeit gegenüber Gasen und Flüssigkeiten. Kunststoffe sind auf-grund ihres molekularen Aufbaus und ihrer organischen Struktur grundsätz-lich durchlässig gegenüber Gasen und Flüssigkeiten. Einen völlig undurchlässigen Kunststoff gibt es nicht, aber durch die Entwicklung moderner Barrierekunststoffe konnte die Durchlässigkeit gegenüber Gasen und Flüssigkeiten drastisch ver-ringert werden. Der Fachausdruck für die Durchlässigkeit ist die Permeation (siehe Rubrik Kunststoffwissen).

EVOH – der BarrierekunststoffDer wohl bekannteste Barrierekunststoff ist das EVOH, ein statistisches Copolymer aus Ethylen und Vinylalkohol. Das teilkris-talline Polymer zeichnet sich durch seine herausragende Gasbarriereeigenschaft und seine sehr gute thermoplastische Verarbeitbarkeit aus. Alle bekannten Ver- arbeitungsverfahren wie Extrusion, Spritz-guss und Extrusionsblasformen sind mög-lich. Je geringer der Ethylen-Anteil ist, umso mehr nimmt die Verarbeitbarkeit und Flexibilität ab, umso höher ist aber die Barrierewirkung gegenüber Gasen und Flüssigkeiten.

Dabei reicht bereits eine geringe Schicht-dicke von wenigen µm aus, um die Barrierewirkung zu erzielen. Daher wird das hochpreisige EVOH fast ausschließlich als eine von mehreren Schichten in einem Mehrschichtverbund eingesetzt. Es kann mit allen gängigen Massenkunststoffen wie z. B. PE, PP, PS, PET, PC über eine Haft vermittelnde Zwischenschicht kombi- niert werden. Polyamid geht bei den Extru- sionstemperaturen dagegen ohne Haftver-mittler einen Verbund mit dem EVOH ein.

Der Barrierekunststoff EVOH ist wider-standsfähig gegenüber Ölen jeglicher Art,

Kunststoffe sind als Wegbereiter moderner technischer Problemlösungen unent-behrlich für unser heutiges, komfortables Leben geworden. Vorreiter für innovative Kunststoffanwendungen ist die Automobilindustrie.

.report

SIMONA®PE Mehrschichtplatten

Halbzeuge mit Barriereschicht für die Tankherstellung

Technische Informationen der SIMONA AG 3/2009

Tiefgezogener Tank aus

SIMONA®PE Mehrschichtplatten

.report 3/2009Seite 2

organischen Lösungsmitteln, Kraftstoffen, Pflanzenschutzmitteln, Pestiziden, vielen Gasen wie Sauerstoff und Wasserstoff, aber auch Gerüchen und Aromen.

In modernen Kunststoffkraftstofftanks (KKBs) gewährleistet die EVOH-Schicht die Einhaltung der sehr niedrigen Emis-sionsgrenzen für Kraftstoffe in Europa und den USA. Abbildung 1 zeigt die Permeation eines Kraftstoffs mit 10 % Ethanol (E10) bei unterschiedlichen Kunststoffen. Im Vergleich zu HDPE verbessert sich die Barrierewirkung gegenüber Kohlenwasserstoffen um den Faktor 4.000. Gegenüber Wasserstoff er-reicht man eine um den Faktor 1.000 verbesserte Barriere im Vergleich zu PP.

SIMONA®PE MehrschichtplattenSIMONA®PE Mehrschichtplatten sind Poly-ethylen-Platten mit einer Barriereschicht aus EVOH. Dank der Sperr wir kung der EVOH-Schicht gegenüber kohlenwasser-

stoff haltigen Flui den und den hervorragen-den Tiefzieh eigenschaften von Poly ethy len eröffnen sie neue Wege in der Herstel lung von Kraftstofftanks. Die aus ge zeichnete Bar riere wirkung der EVOH-Schicht trägt darüber hinaus dazu bei, dass auch künf-tige Emis sions-Höchst grenzen für Kraft-stofftanks erfüllt werden können.

SIMONA®PE Mehrschichtplatten bestehen aus zwei äußeren Schichten aus Polyethy-len hoher Dichte (PE-HD), einer Sperr-schicht aus Ethyl-Vinyl-Alkohol (EVOH) als Diffusionsbarriere und beidseitigen Haft-vermittlerschichten (Abb. 2). Die beiden haftvermittelnden Schichten werden benö-tigt, da der Barrierekunststoff EVOH von Natur aus keine Haftung zu PE besitzt. Der Schichtaufbau ist dabei variabel – sowohl in der Anzahl der Schichten als auch in den Dickenverhältnissen der einzelnen Schich-ten zueinander.

Aus Kostengründen werden anfallende Beschnittreste regranuliert und in einem

definierten Werkstoffkreislauf als Mahlgut-schicht in den Schichtaufbau der Platte eingebracht. Das Mahlgut kann entweder wie beim Blasformen als einseitige Schicht zur Außenwand oder im Gegensatz hierzu als Schicht auf beiden Seiten der Diffusi-onssperre eingebaut werden.

Blasgeformte TankschalenDas klassische Produktionsverfahren für Kraftstofftanks aus PE ist das Extrusions-blasformen. Dabei wird ein Schlauch aus Kunststoff als Vorformling extrudiert. Durch einen Dorn wird Luft in den Schlauch ge-presst, bis sich dieser an die tankförmige Kontur des Blaswerkzeugs angepasst hat. In den blasgeformten Tank werden nun über Öffnungen, die nachträglich in die Tankwand geschnitten werden, Benzinpum-pe, Füllstandsanzeiger, Sensoren und ggf. Ventile eingesetzt. Die Öffnungen werden nun nach dem Einbau der Komponenten entweder wieder zugeschweißt oder, im Falle von Service-Öffnungen, mit abgedich-

teten Schraubdeckeln versehen. Der Pro-zess des nachträglichen Einbringens von Komponenten in den Tank ist kosteninten-siv und führt zu potenziellen Leckagen.

Twin-Sheet-Verfahren Ein neuer Ansatz, der sich vom Blasformen löst, ist das Twin-Sheet-Verfahren, bei dem der Tank aus zwei tiefgezogenen PE Mehr-schichtplatten hergestellt wird. Das Verfah-ren wurde von den Firmen Visteon und Delphi für die Herstellung von KFZ-Tanks weiterentwickelt, um deren Dichtigkeit zu verbessern. Der große Vorteil des Twin-Sheet-Verfahrens ist, dass Tankkomponen-ten im Tank optimal platziert werden kön-nen, bevor die beiden Tankhälften mit- einander verschweißt werden. So werden Leitungsdurchführungen in der Tankwand weitgehend überflüssig. Im Twin-Sheet- Verfahren gefertigte Tanks benötigen idealer Weise nur noch zwei Öffnungen, eine für die Benzinzufuhr und eine für die Be- und Entlüftung des Tanks.

Abbildung 2: Beispiele für den Aufbau von SIMONA®PE Mehrschichtplatten

Abbildung 1

5-Schichtaufbau

HDPE

Haftvermittler EVOH Haftvermittler

HDPE

7-Schichtaufbau

HDPE

Mahlgut

Haftvermittler EVOH Haftvermittler Mahlgut

HDPE

6-Schichtaufbau

HDPE

Mahlgut

Haftvermittler EVOH Haftvermittler

HDPE

Fortsetzung von Seite 1

Die Abbildung zeigt die Permeation eines Kraft-stoffs mit 10 % Ethanol (E10) bei unterschied-lichen Kunststoffen. Im Vergleich zu HDPE verbessert sich die Barrierewirkung gegen-über Kohlenwasser- stoffen um den Faktor 4.000.

Quelle: EVAL Europe

E10 Barriereschichten aus unterschiedlichen Materialien im Vergleich(GC-basierte Methode)

E10 Ü

bert

ragu

ngsg

esch

win

digk

eit

(g

· 20 m

μ/m

2· T

ag)

4.500

4.000

3.500

3.000

1.000

750

500

250

01 3

500

800

100 20

4.000

EVOH-Typ 1 PA12 POM ETFE HDPEEVOH-Typ 2 PA6

.report 3/2009Seite 3

So erfüllen im Twin-Sheet-Verfahren gefer-tigte Tanks die strengen Emissionsgrenzen des CARB (California Air Resources Board).

Verschweißung ohne Minderung der Barrierewirkung Die hervorragenden Verarbeitungseigen-schaften von PE und die ausgezeichnete Barrierewirkung von EVOH sind ideale Voraussetzungen für den Einsatz von SIMONA®PE Mehrschichtplatten in der Konstruktion von industriellen Behältern für die Lagerung und den Transport diffun-dierender flüssiger Medien wie Kraftstof-fen, Lösungsmitteln, Chemikalien und Par-fums. Aufgrund der sehr guten Sperrwir-kung können auch Gasbehälter hergestellt werden, die für einen kurzzeitigen Einsatz gedacht sind. Eine dauerhafte Dichtigkeit ist wie oben bereits geschildert ohne Ein-bau einer Alufolie oder einer Metallisierung prinzipiell nicht möglich.

Der Verbindungstechnik kommt eine ent-scheidende Bedeutung zu, wenn die Barrie-rewirkung auch in der Verbindung erhalten bleiben soll. Neben dem Quetschschwei-ßen kommen als Verfahren das Überlap-pungsschweißen sowie das Heizelement-stumpfschweißen in Frage. Bei der KFZ-Tankherstellung im Twinsheet-Thermofor-men oder Blasformen wird das Quetsch-schweißverfahren eingesetzt.

Die Abbildung 3 zeigt die Quetschschweiß-verbindung zweier 7-schichtiger Platten. Die mittig liegende Barriereschicht mit dem sie umgebenden Haftvermittler ist als heller Streifen zu erkennen. Durch die Geo-

metrie des Schweißwerkzeugs werden die Platten derart abgequetscht, dass lokal eine geringe Materialmenge aus dem Bereich der Quetschkante in das entspre-chend ausgeführte Werkzeug (hier: nach links) fließt. Druck und Temperatur werden so gewählt, dass es zu einer stoffschlüssi-gen Verbindung zwischen den beiden Plat-ten kommt. Im Rahmen der Qualitätssiche-rungsmaßnahmen werden bei den Tankher-stellern stichprobenartig Berstversuche durchgeführt, die zeigen, dass der Tank an der Stelle der geringsten Wandstärke und nicht an der Schweißnaht zu reißen beginnt.

Die Barriereschichten der beiden Mehr-schichtplatten fließen nach links zum Rand fast zusammen. Die Schichtdicke nimmt dadurch von ca. 250 µm auf wenige µm ab. Der Abstand der beiden EVOH-Schichten beträgt am auslaufenden Ende nur noch

wenige Mikrometer. Messungen und Com-putersimulationen haben gezeigt, dass die Permeation durch den sehr schmalen Spalt zwischen den beiden EVOH-Schichten deutlich geringer ist als die durch die ge-samte restliche Tankoberfläche. SIMONA hat Heizelementstumpfschweißversuche

durchgeführt, die zeigen, dass sich die EVOH-Sperrschicht in der Schweißnaht so übereinander legt, dass die Sperrwirkung in der Schweißnaht gewährleistet ist.

Dr. Jochen Coutandinjochen.coutandin@simona.de

Kunststoffwissen

Unter Permeation versteht man den Vorgang, bei dem ein Stoff (Permeat) einen Festkörper, z. B. einen Kunst-stoff durchwandert. Die treibende Kraft ist ein Konzentrations- oder Druck-gradient.

Im Falle eines Kraftstofftanks haben wir einen Konzentrationsgradienten vom Inneren des mit Kraftstoff gefüllten Tanks durch die Tankwand zur äußeren Atmosphäre. Der Kraftstoff will durch die Tankwand nach außen wandern, wobei die Menge des austretenden Kraftstoffs von der Löslichkeit des Kraftstoffs und seiner Diffusionsge-schwindigkeit im HDPE-Tankwandma-terial abhängt.

Die Durchlässigkeit (Permeabilität) eines Kunststoffes gegenüber einer Flüssig-keit oder einem Gas wird durch den Permeationskoeffizient bei 0 % rela tiver Feuchte und 23 °C angegeben. Im Falle eines Gases haben wir die Einheit [m³•20 μm/m²/d/atm].  Der  Wert  gibt

das Gasvolumen cm³ an, das eine 20 µm dicke und 1 m² große Folie bei einer Druckdifferenz von 1 atm pro Tag hindurch lässt. Bei Flüssigkeiten wird das Gewicht (in g) des Mediums bestimmt, das den Probekörper pro Tag durchwandert. Die Einheit ist [g•20 μm/m²/d].

Zur Messung der Kohlenwasserstoff-emissionen von KFZs wird die sogenann-te SHED-Messung durchgeführt, bei der das zu messende Objekt in eine Kammer gestellt wird, und der Gewichtsverlust durch Permeation des Kraftstoffes durch die Tankwand pro Tag gemessen wird. Es können komplette Autos aber auch nur einzelne Komponenten (Mini-SHED) gemessen werden. Die zulässige Ge- samtemission von KFZs in Kalifornien (CARB: California Air Resources Board), das die Benchmark weltweit ist, beträgt gemäß der PZEV (Partial Zero Emission Vehicle) nur 0,35 g/d. Auf das Tank-system darf definitionsgemäß dabei nur 0,054 g/d entfallen.

Permeation bei Kunststoffen

Fortsetzung von Seite 2

Abbildung 3: Quetschnaht

.report 3/2009Seite 4

Ihr Ansprechpartner

Dr. Jochen Coutandin ist seit über neun Jahren bei der SIMONA AG beschäftigt. Nach seinem Eintritt in die SIMONA AG war er sechs Jahre Leiter ‚Forschung und Entwicklung’. Danach wurde die Abteilung Business Development gründet, deren Leitung er übernahm. Seit dem 1. Juli hat Herr Dr. Jochen Coutandin die Leitung der neu geschaffenen Business Unit Mobilität, Life Science & Umwelt-technik inne.

Phone: +49 (0) 67 52 14-721E-Mail: jochen.coutandin@simona.de

Dr. Jochen CoutandinLeiter der Business Unit Mobilität, Life Science und Umwelttechnik

SIMONA etabliert eine neue Business Unit für Kunststoffanwendungen in den Branchen Mobilität, Life Science und Umwelttechnik, welche als zentraler An- sprechpartner für Kunden aus diesen Bereichen fungiert.

Der Begriff Mobilität bezieht sich dabei auf die Automobilbranche, auf Nutz- und landwirtschaftliche Fahrzeuge, Flugzeuge sowie Schienen- und Wasserfahrzeuge. Life Science steht für die Medizin- und Orthopädietechnik sowie die Bio- und Pharmatechnologie. Hinter dem Begriff Umwelttechnik verbergen sich die Produkte SIMONA® PVC-C, SIMONA® E-CTFE und zukünftig die vollfluorierten Kunststoffe wie PFA und FEP, die sich bei SIMONA

derzeit in der Entwicklung befinden. Die Einsatzgebiete der Produkte liegen in den beiden Bereichen Energiegewinnung und chemische Prozessindustrie. Gemeint sind hier alle Arten von Energietechnik, wie beispielsweise Kohlekraftwerke, die Geothermie, die Solarenergie und die Windkraft. Innerhalb der chemischen Prozessindustrie deckt die neue Business Unit mit den genannten Produkten den ‚High-End‘-Bereich des Verbundbaus ab. Das heißt, die neuen Werkstoffe verfü-gen über eine höhere Temperatur- und Chemikalienbeständigkeit.

Individuelle LösungenSIMONA konzentriert sich konsequent auf Kundenanforderungen nach individuellen Produkten und Dienstleistungen. Dem Kunden wird ein Mehrwert durch eine kundenspezifische Weiterverarbeitung der SIMONA® Halbzeuge geboten. Für die neue Business Unit sind neben den etablierten Standardwerkstoffen vor allem neue und moderne technische Werkstoffe relevant.

AnwendungsbeispieleIm Bereich Mobilität ist die SIMONA® PE Mehrschichtplatte für KFZ-Tanks ein erfolg- reiches Anwendungsbeispiel. Ein aktu-elles Beispiel für die Erhöhung der Wert- schöpfung der SIMONA® Produkte sind gefräste Scheiben aus PE Mehrschicht-

platten, die im Tanksystem des neuen BMW Z4 verbaut werden. Eine weitere Anwendung aus dem Bereich Automotive sind Kofferraumauskleidungen aus ther-mogeformtem SIMONA®PE-AR, die im Zubehörhandel für viele Auto-Modelle erhältlich sind. Es handelt sich um PE-HD Platten mit coextrudierter Deckschicht, die eine rutschhemmende Wirkung haben.

Im Bereich Life Science liefert SIMONA beispielsweise APET Röhrchen für mobile Dialysegeräte und Platten aus unterschied- lichen Werkstoffen für die Orthopädie- und Rehatechnik.

Einen Zukunftsmarkt für die neue Business Unit sieht SIMONA z. B. im Flugzeugbau. Die Innenausstattung von Flugzeugen wird aufgrund der gestiegenen Anforderungen an geringeres Gewicht und der zuneh-menden Designfreiheit verstärkt aus thermoplastischen Kunststoffen gefer-tigt, die beispielsweise in Gepäckfächern, Seitenverkleidungen und Tischen der Kabinensitze ihre Verwendung finden. Hierbei sind die Anforderungen an die Brandschutzeigenschaften, die individuelle Farbgebung und Oberflächengestaltung echte Herausforderungen.

Dr. Jochen Coutandinjochen.coutandin@simona.de

Neue Business Unit

SIMONA bündelt Aktivitäten für Mobilität, Life Science und Umwelttechnik

Zukunftsmärkte stehen bei der neuen Business Unit im Fokus.

Der Simplonpass gehört zu den wich-tigsten Verkehrs wegen der europäischen Nord-Süd-Achse und verbindet Deutschland mit Italien. Dieser Teil der Nationalstraße A9 mit 42,5 km Länge verläuft auf über 2.000 Meter Höhe zwischen Brig (CH) und Gondo nach Italien. Die Straße wurde in den 1970er und 1980er Jahren für das erhöhte Verkehrsaufkommen ausgebaut. Jährlich überqueren 850.000 Fahrzeuge, davon 10 % Schwerverkehr, diese Straße. Aufgrund der extremen Umwelteinflüsse und des steigenden Wasser be darfs müs-sen die Lösch- und Versorgungsleitungen erneuert werden.

Die AufgabeAuf dem Simplonpass soll für die Region Bergalpe-Brig und die Nationalstraße A9 eine alte Gussleitung (d 90 mm) durch ein modernes Kunststoff rohr ersetzt werden.

Auf dieser Höhe ist der Boden sehr karg und steinig. Für die offene Neuverlegung von Druckrohrleitungen ist der Transport von feinsandigem Bettungsmaterial auf diese Höhe nicht wirtschaftlich. Somit stellte die Firma Debrunner Acifer AG Visp als Lieferant der beauftragten Installa- tionsfirma Reinhard Heinzen hohe Anforde-rungen an das neue Druckrohr:

gute Abriebfestigkeit hohe Spannungsrissbeständigkeit gute Beständigkeit gegen Punktlasten

(z. B. Steine, Scherben) bei offener Verlegung soll der Boden-

aushub als Verfüllmaterial dienen hoher Widerstand gegen langsames

Risswachstum

Die LösungSIMONA®PE 100 SPC RC-Line Trinkwasser-rohre mit SVGW- und DVGW-Zulas sung erfüllen diese Anforderungen. Das Mehr-schichtrohr besteht aus einem Kernrohr aus PE 100 RC (RC = „high resistance to crack“)

und einem Schutzmantel aus modifiziertem Polypropylen (SIMONA®PP Protect). Die Oberfläche des Rohres schützt vor gefähr-lichen Kerben und Rissen durch Steine und Scherben. Selbst tiefste Riefen übertragen sich bei späteren Betriebsbelastungen nicht in das Kernrohr. Die gelieferten Einzelrohre wurden von Reinhard Heinzen am Boden zu 60-m-Rohrsträngen ver-schweißt und dann von einem Hubschrauber in Position geflogen. Insgesamt wurden 3.000 m SIMONA® PE 100 SPC RC-Line Trinkwasserrohre d 200 – 250 mm verlegt. Um während der Bauphase die Wasserver-sorgung weiter aufrecht zu erhalten, wurde eine Leitung aus PE 100 provisorisch installiert.

Jörg Kellerhalsjoerg.kellerhals@simona-ch.com

.report 3/2009Seite 5

Projektbericht

Härteste Bedingungen am Simplonpass für SIMONA®Rohre

Impressum

SIMONA AG Teichweg 16, 55606 Kirn

Verantwortlich für den Inhalt Dr. Jochen Coutandin Phone +49 (0) 67 52 14–721 jochen.coutandin@simona.de

www.simona.de

Interesse an künftigen Ausgaben? Registrieren unter: www.simona.de

Unwegsames Gebiet erfordert Rohre mit höchsten Schutzeigenschaften. Die Rohr stränge von 60 Metern wurden mit dem Helikopter transportiert.

Das 40 Jahre alte Gussrohr (oben) wird durch ein neues Druckrohr (unten) ersetzt; ein Provisorium aus PE (Mitte) dient zur vorüberge-henden Versorgung.