Reichelt Chemietechnik Magazin
Edelstahl gilt in der Chemietechnik als Standardwerkstoff. Bei Salzsäure und vielen chloridhaltigen Medien stößt er jedoch an seine Grenzen. Rohre und Armaturen für solche Medien sind deshalb häufig mit Fluorkunststoffen wie PTFE oder PFA ausgekleidet. Das wirft eine naheliegende Frage auf: Warum nicht gleich das ganze Bauteil aus Kunststoff fertigen? Der Vergleich zeigt, wo Kunststoff die bessere Wahl ist und wo Edelstahl seine Stärken behält. In unserem Fachbeitrag geht es um chemische Beständigkeit, Temperaturgrenzen, Verarbeitung, Sterilisierbarkeit und Lebensmittelzulassungen.
Kunststoff ist nicht gleich Kunststoff
Heute lassen sich Kunststoffe in drei Hauptgruppen einteilen: Thermoplaste, Duroplaste und Elastomere. Thermoplaste wie beispielsweise PE und PP bestehen aus langen linearen oder verzweigten Molekülketten. Sie bestechen unter anderem durch ihre Formbarkeit, Standard-Thermoplaste sind jedoch nicht sehr hitzebeständig. Duroplaste wie zum Beispiel vernetztes PU schmelzen bei Hitze hingegen nicht, sondern zersetzen sich. Sie sind zudem deutlich härter und spröder als Thermoplaste. Zu den Elastomeren gehören alle Arten von vernetztem Kautschuk wie z. B. FKM. Sie lassen sich bereits bei geringer Zug- oder Druckbelastung elastisch verformen.
Kunststoff und Edelstahl im Vergleich
Temperaturbeständigkeit und Herstellungsverfahren
Kunststoffe zeichnen sich, verglichen mit metallischen Werkstoffen, durch eine Reihe von ungewöhnlichen Eigenschaften aus: Im Unterschied zu Standardkunststoffen behalten Hochleistungskunststoffe auch bei erhöhten Temperaturen ihre Festigkeit und Steifigkeit. Während Edelstahl aufwändig gegossen oder spanend bearbeitet werden muss und die Gussformen die möglichen Geometrien einschränken, lassen sich aus Thermoplasten auch kompliziertere Formteile mit vergleichsweise geringem Aufwand fertigen. Kunststoffbauteile sind zudem leicht zu montieren und zu demontieren.
Heutzutage lassen sich auch Prototypen oder Einsätze aus Kunststoff mit einem 3D-Drucker einfacher und flexibler herstellen. Die Druckersoftware berechnet nach Eingabe der Zeichnung die genaue Druckzeit. Somit können Prototypen auch über Nacht gedruckt werden und am nächsten Morgen direkt zum Einsatz kommen. Ein weiterer Vorteil: Hochauflösende Drucker arbeiten präzise mit Schichtdicken von nur 0,016 mm. Gerade für Kleinstserien können nun Einsätze für die Spritzgießerei gefertigt werden.
Hier können mehrere Kunststoffe mit unterschiedlichen Eigenschaften durch das Mehrkomponenten-Spritzgießen gezielt kombiniert werden. So kann beispielsweise ein Elastomer in einen Spritzgusskunststoff eingebracht werden, damit z. B. ein O-Ring direkt eingespritzt werden kann. Ebenso lässt sich eine weiche Grifffläche auf Rändelknöpfe aufspritzen. Somit wird die Härte des Kunststoffes mit der Flexibilität des Gummis kombiniert. Bei Edelstahl sind dagegen meist mechanische Verbindungsverfahren wie das Bördeln nötig.
Was bei der Herstellung der Edelstahlprodukte ein Nachteil ist, ist in der Verwendung ein Vorteil: Edelstahl ist weitaus hitzebeständiger als Kunststoff und bleibt auch bei Temperaturen belastbar, denen kein Kunststoff standhält. Betrachtet man die gesamte Wertschöpfungskette, spielt jedoch auch das Gewicht eine Rolle. Durch das hohe Gewicht von Edelstahl steigen unter anderem die Transportkosten, die bei Kunststoffprodukten vergleichsweise niedrig ausfallen.
Chemische Beständigkeit und Leitfähigkeit
Hochleistungskunststoffe bestechen vor allem durch ihre hohe Beständigkeit gegenüber vielen aggressiven Chemikalien. Da Kunststoffe nicht elektrochemisch korrodieren, sind viele von ihnen beständig gegenüber anorganischen Medien wie z. B. Mineralsäuren, Laugen sowie wässrigen Salzlösungen.
Gerade im Umgang mit höchst aggressiven Chemikalien ermöglichen geeignete Kunststoffe einen korrosionsfreien Dauereinsatz. In der Praxis haben sich beispielsweise Kugelhähne mit einer Lebensdauer von 35 Jahren bewährt.
Im Gegensatz zu Metallen reagieren einige Kunststoffe allerdings empfindlich auf organische Lösungsmittel wie Alkohole, Aceton oder Benzin. Dennoch gelang es auch auf diesem Gebiet, beständige Kunststoffe zu entwickeln.
Wo aggressive Medien in explosionsgefährdeten Bereichen zum Einsatz kommen, sind elektrisch leitfähige Kunststoffe gefragt, beispielsweise leitfähige Typen aus PP, PVDF oder PTFE. Um eine statische Aufladung zu vermeiden, sind diese Materialien mit elektrisch leitfähigen Partikeln ausgerüstet. Für Anwendungen im Außenbereich eignen sich Fluorkunststoffe wie PTFE gut, da sie gegen UV-Strahlung beständig sind.
Kunststoffe überzeugen in Sterilisierbarkeit und Reinigung
Viele Kunststoffe sind nach verschiedenen Verfahren sterilisierbar und überzeugen auch bei häufigem Reinigen. Die Materialien PVDF und PFA sind aufgrund ihrer hohen Hitze- und Druckbeständigkeit für die Heißdampfsterilisation geeignet (autoklavierbar bei 134 °C). PVDF lässt sich zudem mit γ-Strahlen (Gammastrahlen) bei üblichen Dosen von 25 bis 50 kGy sterilisieren, ohne seine mechanischen Eigenschaften zu verlieren. Im Einsatztemperaturbereich bis 150 °C ist PVDF physiologisch unbedenklich und bietet keinen Nährboden für Mikroorganismen, da sich seine Oberfläche ähnlich wie Glas verhält. Auch in diesem Punkt kann Kunststoff mit Edelstahl mithalten.
Mit ihren Materialeigenschaften tragen Hochleistungskunststoffe wesentlich zur Sicherheit in der Chemietechnik bei. Produkte wie Schlauchverbinder, Kunststoffschläuche und Durchflussmesser finden ihren Einsatz in diversen Anwendungen: In Reinigungsprozessen wie z. B. der CIP-/SIP-Reinigung sorgen sie für eine sichere Zu- und Abfuhr der Reinigungschemikalien und Konzentrate. In der Desinfektion werden beispielsweise Rückschlagventile mit Schlauchverbindern eingebaut, damit die Medien aus der Anlage nicht zurückfließen können.
FDA-Konformität und Lebensmitteltauglichkeit von Plastik
In der Trinkwasseraufbereitung überzeugen die Produkte bei der Verwendung von Ozon, Chlor/Chlordioxid oder ECA-Wasser und sind zudem meist resistent gegen UV-Strahlen. Die verwendeten Produkte müssen dabei den Normen und Zulassungen der jeweiligen Branche entsprechen. Für Bauteile mit Trinkwasserkontakt gelten eigene europäische und nationale Anforderungen, in Deutschland etwa die Bewertungsgrundlagen des Umweltbundesamtes (UBA). Im Lebensmittelbereich sind eine FDA-Konformität sowie die Einhaltung der Verordnung (EG) Nr. 1935/2004 ein Muss.
Die FDA ist die US-Bundesbehörde für Lebensmittelsicherheit und Arzneimittelzulassung. Sie kontrolliert die Sicherheit und Wirksamkeit von Human- und Tierarzneimitteln, biologischen Produkten und Medizinprodukten. Zudem überwacht sie Lebensmittel und strahlenemittierende Geräte. Dies gilt sowohl für in den USA hergestellte als auch für importierte Produkte.
Die Verordnung (EG) Nr. 1935/2004 legt einheitliche Vorschriften für Materialien und Gegenstände einschließlich Verpackungen fest, die direkt oder indirekt mit Lebensmitteln in Berührung kommen. Sie soll die menschliche Gesundheit sowie die Verbraucherinteressen schützen und sicherstellen, dass die verwendeten Produkte überall in der EU verkauft werden können. Viele Kunststoffe erfüllen zudem weitere Normen und Zulassungen.
PVDF und PFA erfüllen je nach Hersteller die Anforderungen an die Biokompatibilität von Kunststoffen für pharmazeutische und medizinische Anwendungen (USP Class VI). Viele Werkstoffe wie ECTFE, PA-Bio oder PVDF sind ADI-free, enthalten also keine Bestandteile tierischen Ursprungs. Das verhindert, dass über den Werkstoff Kontaminationen mit tierischen Bestandteilen wie z. B. BSE-Erregern in den Produktionsprozess gelangen.
Kunststoff kann in vielen Anwendungsbereichen Edelstahl das Wasser reichen und dient längst nicht mehr nur als Ersatzprodukt. Mit seinen vielen positiven Eigenschaften kann er vor allem in der Chemietechnik überzeugen.
