Kunststoff vs. Edelstahl – Was eignet sich besser zum Durchleiten von Chemikalien?
Bereits seit Mitte des neunzehnten Jahrhunderts lassen sich aufwändig geförderte und verarbeitete Metalle durch effiziente Ersatzprodukte, wie zum Beispiel Kunststoffe, ersetzen. Dabei sind Kunststoffe im Vergleich nicht nur günstiger in der Beschaffung als Edelstahl, ihre Produkteigenschaften bieten gegenüber Edelstahl zudem Vorteile in den unterschiedlichsten Einsatzgebieten.
Sie werden beispielsweise als Auskleidung für Metallrohre und Ventile in der Chemietechnik eingesetzt, da sie (z. B. Chlorwasserstoff-Gas oder Salzsäure bei 180°C) sind. Die Frage, weshalb man in bestimmten Bereichen nicht völlig auf den Einsatz von Metallen verzichtet, ist somit durchaus berechtigt.
Einteilung von Kunststoffen
Heute lassen sich die Kunststoffe in drei Hauptgruppen einteilen: Thermoplaste, Duroplaste und Elastomere. Zu den Thermoplasten zählen beispielsweise Stoffe wie Polyethylen (PE) und Polypropylen (PP). Charakteristisch für Thermoplaste ist ihre Formbarkeit in bestimmten Temperaurbereichen, abhängig von der jeweiligen Kettenstruktur. Duroplaste, wie beispielsweise Polyurethane (PU), hingegen zersetzen sich bei Hitze und sind deutlich härter und spröder als Thermoplaste. Zu den Elastomeren gehören alle Arten von vernetztem Kautschuk wie, z. B. Fluorkarbon-Kautschuk (FKM). Sie lassen sich bereits bei geringer Zug- oder Druckbelastung verformen.
Kunststoffe zeichnen sich durch eine Vielzahl an Materialeigenschaften aus, wodurch sie sich im Vergleich mit metallischen Werkstoffen vielseitiger und effizienter einsetzen lassen:
Selbst bei hohen Temperaturen behalten Hochleistungskunststoffe weiterhin ihre Festigkeit und Steifigkeit. Dies birgt bereits bei der Fertigung von Teilen einen wesentlichen Vorteil. Während Edelstahl aufwändig gegossen werden muss und Einschränkungen bezüglich der Gussformen bestehen, lassen sich aus Thermoplasten auch komplexe Formteile mit vergleichsweise geringem Aufwand fertigen. Die Kunststoffe sind zudem auch leicht zu montieren und demontieren.
Durch den 3D-Druck wird auch die Fertigung von Prototypen oder Einsätzen aus Kunststoff flexibler und effizienter. Durch die exakte Bestimmung von Druckzeiten lassen sich Prototypen termingerecht produzieren, selbst über Nacht. Zudem arbeitet der Drucker sehr präzise, sodass sogar Modelle mit einer Schichtdicke von 0,016 mm, produziert werden können. Gerade für Kleinstserien können nun Einsätze für die Spritzgießerei gefertigt werden. Es können mehrere Kunststoffe mit unterschiedlichen Eigenschaften durch das Mehrkomponenten-Spritzgießen gezielt kombiniert werden. So kann beispielsweise ein Elastomer in einen Spritzgusskunststoff eingelassen werden, damit z.B. ein O-Ring eingespritzt werden kann. Auch könnte ein Griff auf Rändelknöpfe eingelassen werden. Somit wird die Härte des Kunststoffes mit der Flexibilität des Gummis kombiniert. Edelstahl müsste dahingegen im Vergleich gebördelt werden. Die enorme Hitzebeständigkeit von Edelstahl ist zwar ein Nachteil bei der Herstellung von Produkten, bringt jedoch bei der Verwendung der Produkte einen großen Nutzen. Edelstahl ist in seiner Anwendung weitaus hitzebeständiger als Kunststoff und erreicht auch bei hohen Temperaturen seine volle Leistungsstärke.
Vorteile von Kunststoffen in der Produktion
Die Vorteile von Kunststoffen in der Herstellung und bei der Fertigung von Teilen werden ergänzt durch ihre besonderen Stoffeigenschaften in seinen unterschiedlichen Einsatzbereichen: In der Chemiebranche zeichnen sich Hochleistungskunststoffe vor allem durch ihre hohe Beständigkeit gegenüber aggressiven Chemikalien aus.
Aufgrund ihrer organischen Natur eignen sich Kunststoffe hervorragend für den Einsatz bei anorganischen Medien wie Mineralsäuren, Laugen oder wässrigen Salzlösungen. Gerade im Umgang mit höchst aggressiven Chemikalien garantieren 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. Jedoch konnten auch auf diesem Gebiet bereits beständige Kunststoffe entwickelt werden.
Wo aggressive Medien in explosionsgefährdeten Bereichen zum Einsatz kommen, sind elektrisch leitfähige Hochleistungskunststoffe aus bspw. PP, Polyvinylidenfluorid (PVDF) oder Polytetrafluorethylen (PTFE) gefragt. Elektrisch leitfähige Partikel in den Materialien vermeiden eine statische Aufladung.
Kunststoffe sind nach verschiedenen Verfahren sterilisierbar und überzeugen auch bei häufigem Reinigen. Die Materialien PVDF und Perfluoralkoxy-Polymere (PFA) sind aufgrund ihrer hohen Hitze- und Druckbeständigkeit für die Heißdampfsterilisation geeignet (autoklavierbar bei 134°C) oder können mit γ-Strahlen sterilisiert werden, und das bei vollem Erhalt der mechanischen Eigenschaften (max. Dosis 25-50 kGy). PVDF ist im Bereich <150°C nicht toxisch und bietet keinen Nährboden für Mikroorganismen, wie Bakterien, da es sich ähnlich wie Glas verhält.
Praktische Anwendungsgebiete von Kunststoffen
In der Lebensmitteltechnik sorgen Hochleistungskunststoffe mit ihren erstklassigen Materialeigenschaften für höchste Sicherheit. Produkte wie Schlauchverbinder, Kunststoffschläuche und Durchflussmesser finden ihren Einsatz in diversen Anwendungen: in Reinigungsprozessen, wie z.B. in der CIP-/ SIP-Reinigung, gewährleisten sie eine sichere Zu- und Abfuhr der Reinigungschemikalien und Konzentrate. In der Desinfektion werden bspw. Rückschlagventile inklusive Schlauchverbinder verbaut, damit die Medien nicht wieder in die Anlage zurück fließen können.
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 hierbei insbesondere den Normen und Zulassungen der Branche entsprechen. FDA-Konformität sowie das Einhalten der Reglementierung EG 1935/2004 sind daher zwingend.
Die FDA ist die Behördliche Lebensmittelüberwachung und Arzneimittelzulassungsbehörde der Vereinigten Staaten von Amerika. Sie kontrolliert die Sicherheit und Wirksamkeit von Human- und Tierarzneimitteln, biologischen Produkten, Medizinprodukten, Lebensmitteln und strahlenemittierenden Geräten. Dies gilt sowohl für in den USA hergestellte als auch importierte Produkte.
Die EG 1935/2004 legt einheitliche Vorschriften in Bezug auf Verpackungsmaterialien und Gegenstände 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 im Europäischen Raum verkauft werden können.
Viele Kunststoffe verfügen noch über weitere Normen und Zulassungen. PVDF und PFA z. B. entsprechen je nach Hersteller den höchsten Standards bezüglich der Qualität von Medikamenten und anderen medizinischen Produkten (USP Class VI). Die meisten Werkstoffe wie ECTFE, PA-Bio oder PVDF sind ADI-free. Dies vermeidet bei der Verwendung im Produktionsprozess jegliche Kontamination mit Bakterien oder tierischen Bestandteilen, wie z.B. BSE-Erregern.
Kunststoff ist längst nicht mehr ein reines Ersatzprodukt für Edelstahl. In unterschiedlichen Einsatzbereichen übertreffen die Materialeigenschaften von Kunststoffen die von Edelstahl, wodurch Kunststoff universeller einsetzbar wird. Daher kann es in vielen Branchen wie Chemietechnik, Lebensmitteltechnik, Wasseraufbereitung oder Prozessanalysentechnik zunehmend überzeugen. emtechnik ist dabei weltweit führender Hersteller von Verschraubungen und Armaturen aus Spezialkunststoffen.
