Strahlenvernetzung
Kunststoffveredelung durch Bestrahlung
Kunststoff-upgrade: Eigenschaftsverbesserungen von Kunststoffen
Die Strahlenvernetzung ist ein etabliertes Verfahren, um mit ionisierenden Elektronen- und Gammastrahlen das Eigenschaftsspektrum von polymeren Werkstoffen zu optimieren. Dazu wird der Kunststoff einer festgelegten Strahlendosis ausgesetzt, um so die Vernetzung der Kunststoffmoleküle präzise zu steuern. Die Strahlenvernetzung ähnelt der weithin bekannten Vulkanisation bei Kautschuken. Als physikalisches Verfahren bietet die Bestrahlung den Vorteil, dass die Vernetzungseffekte bereits bei Raumtemperatur erzielt werden. Die Ergebnisse lassen sich außerdem im Vergleich zu chemischen Verfahren exakt und ohne qualitative Schwankungen erzielen lassen. Ein weiterer Vorteil der Vernetzung mit Strahlen: die Prozessgeschwindigkeit.
Bei der Strahlenvernetzung absorbiert das Material die eingebrachte Energie. In der Folge werden chemische Bindungen gespalten, es entstehen freie Radikale. Diese gehen im nächsten Schritt neue Molekularverbindungen ein, so dass in der Polymermatrix neue chemische Bindungen (radikalische Vernetzung) entstehen, die ein dreidimensionales irreversibles Netzwerk mit verbesserten Eigenschaften ausbilden.
Die gewünschten und im Voraus definierten Materialeigenschaften lassen sich über die Strahlendosis, die in das Material eingetragen wird, einstellen. Nach der Bestrahlung weisen die Kunststoffteile signifikant verbesserte Eigenschaften auf hinsichtlich
- Hitzebeständigkeit,
- Stabilität,
- Kriechverhalten und Abriebfestigkeit.
Die mechanischen, thermischen und chemischen Eigenschaften von Standardkunststoffen und technischen Kunststoffen erhalten durch die Strahlenvernetzung sozusagen ein Upgrading: Ihre Eigenschaften sind durch die Strahlenbehandlung derart optimiert, dass sie an das Eigenschaftsprofil von Hochleistungskunststoffen heranreichen und diese in zahlreichen Anwendungen ersetzen können.
Strahlenvernetzung: Anwendungsbereiche
Automotive & E-Mobilität
In zahlreichen Anwendungen in Verbrennern sowie E-Autos bietet sich die Strahlenvernetzung als wirtschaftliche Lösung an, um das Einsatzspektrum kostengünstigerer und bereits etablierter Materialien (z. B. PA) zu erweitern. Ob es um Leichtbau oder den Umgang mit hohen elektrischen Strömen geht: Strahlenvernetzt können die Werkstoffe auch komplexe Anforderungen erfüllen.
Infrastruktur & Gebäudetechnik
Kunststoffrohre werden seit Jahrzehnten strahlenvernetzt, um ihre Gebrauchseigenschaften über sehr lange Zeiträume sicherzustellen. Die Einsatzbereiche reichen von Fern- und Nahwärmenetzen über Flächen- und Industrieheizungen, die Wasserversorgung bis hin zu diversen Innen- und Außenanwendungen. Auch die Schrumpftechnologie ist ein wichtiges Anwendungsgebiet strahlenvernetzter Polyolefine.
Elektrik & Elektronik
In der Elektroindustrie sind Kunststoffe aufgrund ihrer guten Isolationseigenschaften und nahezu unbegrenzten Formgebungsmöglichkeiten seit langem wichtiger Basiswerkstoff. Durch Strahlenvernetzung lassen sich z. B. die thermischen Kurzzeit-Einsatzgrenzen von PA oder PBT wesentlich erweitern, so dass der Einsatz von Hochleistungskunststoffen nicht notwendig ist.
Maschinenbau
Das veränderte Werkstoffprofil und die bessere Haltbarkeit strahlenvernetzter Produkte erweitert die Anwendungsfelder auch im Maschinenbau: Zum Beispiel lassen sich Metalle in Funktionsbauteilen durch strahlenvernetzte, spritzgegossene Bauteile aus Kunststoff (z. B. PA oder PBT) ersetzen. Damit geht u. a. ein enormes Einsparpotenzial beim Gesamtgewicht von Bauteilen einher.
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Strahlenvernetzung
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Vernetzung von Kunststoffen: Beta- & Gammastrahlung
Bei der Vernetzung von Kunststoffen sind höhere Bestrahlungsintensitäten (50 bis 250 kGy) als bei der Sterilisation (i.d.R. zwischen 25 und 45 kGy) erforderlich. Daher werden überwiegend die hohen Dosisraten der Elektronenbeschleuniger genutzt, um in wirtschaftlichen Bestrahlungszeiten die erforderliche Dosis einzubringen. Bei strahlenempfindlichen Materialien kann die Bestrahlungszeit in Abhängigkeit von der Dosisrate auch einen negativen Einfluss auf das Eigenschaftsspektrum haben – ein weiterer Grund für die Nutzung von Betastrahlen (auch Elektronenstrahlen genannt) mit hoher Dosisrate und somit kurzen Bestrahlungszeiten. Bei kompakten Bauteilen mit dickeren Wandstärken kann wegen der erforderlichen höheren Eindringtiefe auch Gammabestrahlung zur Vernetzung genutzt werden.
Video: Einführung in die Strahlenvernetzung
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Mehr InformationenKunststoff-Upgrade: Materialseitige Voraussetzungen
Die Strahlenvernetzung eignet sich grundsätzlich für teilkristalline Thermoplaste. In Abhängigkeit der Molekularstruktur können diese ohne oder unter Verwendung von Vernetzungshilfsmitteln strahlenvernetzt werden, wobei in der Regel die amorphen und nicht die kristallinen Bereiche vernetzt werden. Mengenmäßig am bedeutendsten ist die Vernetzung von Polyethylen (PE), Polyamiden (PA), thermoplastischen Elastomeren (TPE) und Polyvinylchlorid (PVC). Auch der Einsatz von Bio-Polymeren nimmt zu. Insbesondere Bio-Polyamide weisen ein großes Potenzial für die Strahlenvernetzung auf.
Welches Eigenschaftsspektrum sich erzielen lässt, hängt von der Materialauswahl des Basispolymers ab. Sind Vernetzungshilfsmittel erforderlich, kann die Zugabe bei der Herstellung des Kunststoffgranulats, im Compoundierprozess oder vor der Formgebung als Masterbatch erfolgen. Diese Additive ermöglichen oder verbessern die Vernetzbarkeit und können die Eigenschaftsprofile des Kunststoffs weiter optimieren. Mehr zur Materialauswahl.
Wir arbeiten bei BGS stetig daran, vernetzbare Polymere und die Vernetzungstechnologie weiterzuentwickeln – sowohl auf der Materialseite als auch prozessseitig. Hierzu engagieren wir uns gemeinsam mit Hochschulen, Instituten und verschiedenen Forschungsnetzwerken. Schwerpunkte liegen derzeit auf der Entwicklung von neuen vernetzbaren Werkstoffen und alternativer Vernetzungshilfsmittel.
Kunststoffpyramide: Strahlenvernetzbare Polymere
Die Pyramide stellt technisch relevante Kunststoffe dar – alle fett markierten Polymere eignen sich für die Strahlenvernetzung. Basis sind preiswerte Standard- oder technische Kunststoffe, die mithilfe der Vernetzung die mechanischen, thermischen und chemischen Eigenschaften von Hochleistungskunststoffen erreichen können – in der Darstellung sind diese in der Pyramidenspitze versammelt.
Eigenschaftsverbesserung: Upgrading für Kunststoffe
Die Strahlenvernetzung verleiht preiswerten Standardkunststoffen oder technischen Kunststoffen die mechanischen, thermischen und chemischen Eigenschaften, die an Hochleistungskunststoffe heranreichen können. Nach der Strahlenvernetzung sind die Kunststoffe unter Bedingungen einsetzbar, denen sie ansonsten nicht standhalten würden. Kurzum: Bei der Strahlenvernetzung handelt es sich um ein Upgrading des Werkstoffs.
Materialoptimierung: Thermische Eigenschaftsverbesserung
Thermoplastische Materialien werden bei der Strahlenvernetzung bei höheren Temperaturen thermoelastisch. Durch die Vernetzungsreaktion entsteht ein Molekül-Netzwerk, das die Fließfähigkeit des Kunststoffs unterbindet. Die verbesserte Temperaturbeständigkeit und die bei erhöhten Temperaturen deutlich verbesserten mechanischen Kennwerte sind wesentliche Kennzeichen der Strahlenvernetzung. So fallen etwa bei unvernetztem verstärktem PA66 die Moduln oberhalb der Schmelztemperatur praktisch auf null. Dagegen gewährleisten die wesentlich höheren Moduln eines vernetzten Kunststoffes eine ausreichend hohe Festigkeit auch bei Temperaturen von mehr als 350 °C. Zusätzlich führt die Vernetzung zu einem verringerten thermischen Ausdehnungskoeffizienten und damit zu einer höheren Dimensionsstabilität. Weiterhin verbessert sich die Kriechfestigkeit bei höheren Temperaturen.
Materialoptimierung:
Mechanische Eigenschaftsverbesserung
Die Strahlenvernetzung verbessert die mechanische Festigkeit von Kunststoffen insbesondere bei höheren Temperaturen. Hierzu trägt die bessere Haftung der Füllstoffe an die Polymermatrix bei, verursacht durch eine Aktivierung der Grenzflächen. Auch die Schweißnahtfestigkeit an vibrationsgeschweißten Bauteilen sowie die Verbundfestigkeit zwischen Materialkombinationen (z. B. Polymer/Polymer und Polymer/Metall) werden durch die Strahlenvernetzung erhöht. Strahlenvernetzte Komponenten können eine wirtschaftliche Alternative zu metallischen Werkstoffen oder teuren Polymeren (PEEK, PAI etc.) sein.
Materialoptimierung: Tribologische Eigenschaftsverbesserung
Ein wichtiges Auswahlkriterium für Maschinenelemente aus Kunststoff ist deren Reibungs- und Verschleißverhalten. Bei immer höheren Einsatztemperaturen verkürzen Reibung und Verschleiß die Lebensdauer von Gleitlagern und Zahnrädern. In der Regel weisen die herstellungsbedingt an der Oberfläche von Kunststoffbauteilen erhöhten amorphen Anteile im Material ein ungünstiges Verschleißverhalten auf. Gerade diese amorphen Bereiche sind jedoch besonders gut strahlenvernetzbar, wodurch sich wesentlich höhere Gleitge-schwindigkeiten bei gleichzeitig reduziertem Verschleißkoeffizienten erzielen lassen. Beispielsweise hat unvernetztes Polyamid bei einer Belastung durch Reibung eine Einsatzgrenze von 120 °C. Die Strahlenvernetzung verhindert ein Aufschmelzen des Werkstoffs und erhöht die Dauereinsatztemperatur um bis zu 100 °C bei gleichzeitig verringerter Verschleißrate. Zahnräder aus strahlenvernetztem Kunststoff können somit Bauteile aus Metall ersetzen und sind dabei wesentlich leichter.
Materialoptimierung: Chemische Eigenschaftsverbesserung
Die Strahlenvernetzung erhöht die Beständigkeit gegen aggressive Medien und Hydrolyse. Dies zeigt sich z.B. in verbesserter Spannungsrissbeständigkeit und deutlich reduziertem Festigkeitsabfall nach der Einwirkung von Lösungsmitteln. Auch verringert die Vernetzung die Löslichkeit durch Lösungsmittel deutlich. Dies wird z.B. zur Bestimmung des Vernetzungsgrads durch den Extraktionsversuch genutzt. Der so ermittelte Gel-Wert korreliert direkt mit dem Vernetzungsgrad.
BROSCHÜRE
STRAHLENvernetzung
Unsere Fachbroschüre beantwortet zentrale Fragen zu Technologie, Verfahren und Prozessintegration.
Übersicht: Vorteile der Strahlenvernetzung
Über den Schmelzpunkt des Ausgangsmaterials hinaus bleiben strahlenvernetzte Werkstoffe unter Wärmeeinwirkung in hohem Maße formbeständig.
Durch Strahlenvernetzung wird eine höhere mechanische Belastbarkeit sowie geringeres Kriechen unter Last erzielt (wenn die Einsatztemperatur unter der ehemaligen
Schmelztemperatur des Ausgangsmaterials liegt).
Durch Strahlenvernetzung wird eine Verbesserung der Beständigkeit gegen aggressive Medien und viele Chemikalien erzielt.
Das Verschleißverhalten kann bzw. tribologische Eigenschaften können durch die Strahlenvernetzung positiv beeinflusst werden.
Formgebungsprozess (Extrusion, Spritzguss) und Vernetzungsprozess sind entkoppelt, demnach unabhängig auf bestmögliche Prozessperformance und Qualität optimierbar.
Strahlenvernetzbare Standard- und technische Kunststoffe ermöglichen die Substitution von Hochleistungskunststoffen – dadurch vereinfacht sich der Verarbeitungs-/ Formgebungsprozess, was sich günstig auf die gesamte Wirtschaftlichkeitsbetrachtung auswirkt (vernetzbarer Rohstoff, Formgebung, Vernetzung, Logistik).
Vernetzte Kunststoffe können in bestimmten Anwendungen Metalle ersetzen. Das schafft Gestaltungsfreiheit und macht die Formgebung flexibler, günstiger und leichter.
„Kalte“ Vernetzung = geringe Temperaturentwicklung bei der Strahlenvernetzung. Der Zustand der Formgebung wird quasi eingefroren und hat positiven Einfluss auf die Maßhaltigkeit bei Temperaturwechselprozessen in der Anwendung.
Reduzierung bzw. Verzicht auf Flammschutzmittel, denn durch eine Strahlenvernetzung verbessert sich die Schwerentflammbarkeit.
Optimierung von Verbundsystemen (Mehrschichtsysteme, auch Metallverbund) aufgrund der Durchstrahlungsfähigkeit bei hohen Energien.
Durch die Bestrahlung von Kunststoffgranulat und anderer Ausgangsmaterialien (z.B. Fasern) kann das Fließverhalten für den Verarbeitungsprozess gezielt eingestellt werden.
Strahlenvernetzung begünstigt die Thermoformung und bewirkt einen Memory-Effekt bzw. ein Formgedächtnis bei Schrumpfprodukten wie Schläuchen, Folien und Formteilen.
Recycling: Nachhaltigkeit der STrahlenvernetzung
Aufgrund der Verbesserung der Materialeigenschaften durch Strahlenvernetzung sind entsprechende Kunststoffbauteile extrem widerstandsfähig und können über sehr lange Zeiträume eingesetzt werden. So halten strahlenvernetzte Rohre 30 Jahre und länger, ähnliches gilt für Bauteile in Autos – das senkt den Ressourceneinsatz und ist ein aktiver Beitrag zu mehr Nachhaltigkeit.
Hat eines der langlebigen Kunststoffteile das Ende seiner Nutzungsdauer erreicht, gibt es, wie für Kunststoffe generell, auch für strahlenvernetzte Werkstoffe drei Aufbereitungsoptionen: die rohstoffliche (chemische), die energetische (thermische) sowie innerhalb bestimmter Grenzen auch eine werkstoffliche (physikalische oder auch mechanische) Verwertung.
Das werkstoffliche Recycling strahlenvernetzter Polyamide war zuletzt Gegenstand eines zweistufigen Forschungsprojektes, das BGS gemeinsam mit Partnern durchgeführt hat. Der Ansatz des Projektteams war dabei, durch Vermahlen der strahlenvernetzten, sortenreinen Polymermaterialien einen wertvollen Füllstoff zu erhalten, der dem Virgin-Material zusammen mit einem Vernetzungsadditiv in der Compoundierung zugesetzt wird. Die Ergebnisse zeigen nicht nur die technische Machbarkeit des Recyclings strahlenvernetzter Polyamide auf, sondern belegen auch Materialeinsparungen und eine verbesserte CO2 -Bilanz durch Reduzierung von Neuware. Gemeinsame weitere Anstrengung wird sein, geeignete Wertstoffkreisläufe zu identifizieren und zu etablieren. Mehr zum Recycling-Projekt „RayCycle“.
Produktionsprozess: Strahlenvernetzung in der Logistikkette
Ein besonderer Vorteil der Strahlenvernetzung besteht darin, dass das Veredelungsverfahren am fertigen Bauteil nach der Formgebung (z. B. Spritzguss, Extrusion und Blasformen) stattfindet. Da sich die Vernetzung bei BGS als externer Schritt an den Produktionsprozess anschließt, wird die optimale Prozessgeschwindigkeit nicht durch Erfordernisse der Fertigung beeinträchtigt. Dementsprechend fallen keine Kosten für die Anschaffung neuer Werkzeuge oder Maschinen an. Die nachgelagerte Bestrahlung fertiger Spritzgussteile hat auch den Vorteil, dass sich z. B. Angussstücke gut in den Produktionsprozess zurückführen lassen.
FAQ: Strahlenvernetzung: Häufige Fragen
Abhängig von der angewandten Strahlendosis findet keine nennenswerte Erwärmung der Produkte während der Bestrahlung statt. Bei der Einbringung höherer Dosen kann der Prozess entsprechend optimiert werden, um eine Erwärmung des Materials zu vermeiden.
Die Energie der Strahlen wird in Millionen Elektronenvolt (MeV) ausgedrückt, was die Stärke des elektrischen Feldes zur Beschleunigung der Elektronen beschreibt. Sie steht in direktem Zusammenhang mit der Durchdringungstiefe der Strahlen. Sie ist durch die Konstruktion unserer Anlagen auf ein Maximum von 10 MeV beschränkt, um eine Aktivierung der Produkte zu verhindern. Die Dosis der Strahlung wird durch die Einheit Gray (Gy) ausgedrückt, die den gewünschten Effekt der Bestrahlung bestimmt. Für die Sterilisation ist oftmals bereits eine Dosis im Bereich von 25 kGy ausreichend, während für die Vernetzung eine Dosis von über 100 kGy typisch ist.
Produkte oder Rohstoffe können als verpackte Einheiten, als Schüttgut oder als aufgewickelte Endlosstränge, Profile oder Rohre angeliefert werden. Wir akzeptieren Industrieverpackungen wie Kartons auf Standard-Paletten, Paletten, Schüttgüter in wiederverwertbaren Behältern oder Wickelprodukte auf Standard-Trommeln. Wir können ebenfalls Sonderformen wie Rohre auf Transportgestellen oder andere Formen annehmen – bitte sprechen Sie mit unseren Experten. Aus Sicherheitsgründen nehmen wir keine entzündbaren Flüssigkeiten oder unter Druck stehende Container in unseren Anlagen an.
Die übliche Anlieferform sind Europaletten (80 cm x 120 cm), wobei es auch möglich ist, Abmessungen bis zu einem Maximum von 12,0 m x 1,6 m, abhängig von Gewicht und Beschaffenheit, zu behandeln.
BGS hat Anlagen- und Wartungssysteme entwickelt, die eine hohe Zuverlässigkeit gewährleisten. In den meisten Fällen sind redundante Produktionsanlagen verfügbar, um eine kontinuierlich hohe Verfügbarkeit unserer Produktionskapazität sicherzustellen. Die Reproduzierbarkeit des E-Beam-Prozesses ist extrem hoch, da alle Parameter physikalische Eigenschaften sind, die elektrisch gesteuert und dokumentiert werden.
Wir versichern Ihnen, dass wir die Dosis und Verarbeitungsbedingungen für Ihr Produkt mit der größten Reproduzierbarkeit erfüllen. Wir garantieren jedoch keine endgültigen Produkteigenschaften, da diese von einer Vielzahl von Parametern abhängig sind, die sich außerhalb unserer Kontrolle befinden. Hierzu gehören zum Beispiel Verarbeitungsschwankungen bei der Herstellung sowie Schwankungen in der Rohstoffqualität oder -zusammensetzung, auf die wir keinen Einfluss haben.
Weitere Informationen: Wissenswertes
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