Ermittlung verfahrenstechnischer Grundlagen für eine Innenbeschichtung nach dem Sol-Gel-Verfahren für hydraulische Systeme wie Kunststoffrohre zur Vermeidung von Inkrustationen
©2006
Bachelorarbeit
99 Seiten
Zusammenfassung
Inhaltsangabe:Zusammenfassung:
Die inhaltlich logische Gliederung der überwiegend als Recherche durchzuführenden und daher in ihrem Ergebnis sehr umfangreichen Arbeit ergibt sich aus den laut Aufgabenstellung zu behandelnden Themenbereichen. Nachfolgend sei der Gedankengang beim Entwickeln der inhaltlichen Struktur kurz zusammengefasst dargestellt. Dieser wird auch in der Untergliederung gemäß Inhaltsverzeichnis deutlich.
Unter bestimmten Zielsetzungen sollen Kunststoff-Abwasserrohre auf ihrer Innenseite mit einem Material, das sich gegenwärtig noch in der Entwicklung befindet, beschichtet werden. Es erfolgt eine kurze Einleitung zur behandelten Thematik, in welcher auch die zu untersuchenden und nicht zu untersuchenden Bestandteile der Arbeit und deren Gestalt klar dargestellt werden.
Um ein Beschichtungsverfahren zu entwickeln, muss einerseits bekannt sein, womit beschichtet werden und andererseits worauf dies erfolgen soll. Deswegen wird zunächst kurz dargestellt, was Sol-Gel-Materialien sind und worin deren Vorteile liegen. Eine spezielle Stoffgruppe von diesen wird anschließend näher betrachtet. Somit konnte die Frage, womit beschichtet werden soll, beantwortet werden, wobei darauf hingewiesen wird, dass Informationen zu diesen speziellen Materialien aufgrund deren gegenwärtiger Entwicklung kaum zugänglich sind.
Als nächstes war zu klären, was beschichtet werden soll bzw. was unter Kunststoff-Abwasserrohren genau zu verstehen ist. Hierfür wurde eine umfangreiche Recherche durchgeführt und ausgewertet. Nach dem Klären dieser Grundlagen war zu untersuchen, an welcher Stelle im Produktlebenszyklus eines Rohres das Beschichten vorgenommen werden kann. Es wurden das Inline- und Offline-Beschichten ausgewählt.
Schwerpunktmäßig sollte davon das Offline-Beschichten untersucht werden, weshalb das Inline-Beschichten, mehr als Ergänzung, an das Ende der Arbeit gesetzt wurde. Der Offline-Beschichtungsvorgang gliedert sich in verschiedene, umzusetzende Prozessschritte, wie in Kapitel neun dargestellt. Diese Prozessschritte werden in der genannten Abfolge anschließend einzeln behandelt.
Daran schließt sich die Betrachtung des Inline-Beschichtens an. Somit ergibt sich der Vorteil, dass alle für das Verständnis der Ansätze zum Beschichten im Inline-Verfahren notwendigen Grundlagenkenntnisse dem Leser über die Darstellungen zum Offline-Beschichten bekannt sind. Die Arbeit schließt mit einer Zusammenfassung ab.
Im gesamten Aufbau der Arbeit und in den […]
Die inhaltlich logische Gliederung der überwiegend als Recherche durchzuführenden und daher in ihrem Ergebnis sehr umfangreichen Arbeit ergibt sich aus den laut Aufgabenstellung zu behandelnden Themenbereichen. Nachfolgend sei der Gedankengang beim Entwickeln der inhaltlichen Struktur kurz zusammengefasst dargestellt. Dieser wird auch in der Untergliederung gemäß Inhaltsverzeichnis deutlich.
Unter bestimmten Zielsetzungen sollen Kunststoff-Abwasserrohre auf ihrer Innenseite mit einem Material, das sich gegenwärtig noch in der Entwicklung befindet, beschichtet werden. Es erfolgt eine kurze Einleitung zur behandelten Thematik, in welcher auch die zu untersuchenden und nicht zu untersuchenden Bestandteile der Arbeit und deren Gestalt klar dargestellt werden.
Um ein Beschichtungsverfahren zu entwickeln, muss einerseits bekannt sein, womit beschichtet werden und andererseits worauf dies erfolgen soll. Deswegen wird zunächst kurz dargestellt, was Sol-Gel-Materialien sind und worin deren Vorteile liegen. Eine spezielle Stoffgruppe von diesen wird anschließend näher betrachtet. Somit konnte die Frage, womit beschichtet werden soll, beantwortet werden, wobei darauf hingewiesen wird, dass Informationen zu diesen speziellen Materialien aufgrund deren gegenwärtiger Entwicklung kaum zugänglich sind.
Als nächstes war zu klären, was beschichtet werden soll bzw. was unter Kunststoff-Abwasserrohren genau zu verstehen ist. Hierfür wurde eine umfangreiche Recherche durchgeführt und ausgewertet. Nach dem Klären dieser Grundlagen war zu untersuchen, an welcher Stelle im Produktlebenszyklus eines Rohres das Beschichten vorgenommen werden kann. Es wurden das Inline- und Offline-Beschichten ausgewählt.
Schwerpunktmäßig sollte davon das Offline-Beschichten untersucht werden, weshalb das Inline-Beschichten, mehr als Ergänzung, an das Ende der Arbeit gesetzt wurde. Der Offline-Beschichtungsvorgang gliedert sich in verschiedene, umzusetzende Prozessschritte, wie in Kapitel neun dargestellt. Diese Prozessschritte werden in der genannten Abfolge anschließend einzeln behandelt.
Daran schließt sich die Betrachtung des Inline-Beschichtens an. Somit ergibt sich der Vorteil, dass alle für das Verständnis der Ansätze zum Beschichten im Inline-Verfahren notwendigen Grundlagenkenntnisse dem Leser über die Darstellungen zum Offline-Beschichten bekannt sind. Die Arbeit schließt mit einer Zusammenfassung ab.
Im gesamten Aufbau der Arbeit und in den […]
Leseprobe
Inhaltsverzeichnis
Tom Mühle
Ermittlung verfahrenstechnischer Grundlagen für eine Innenbeschichtung nach dem
Sol-Gel-Verfahren für hydraulische Systeme wie Kunststoffrohre zur Vermeidung von
Inkrustationen
ISBN: 978-3-8366-0136-8
Druck Diplomica® GmbH, Hamburg, 2007
Zugl. Universität Duisburg-Essen, Standort Duisburg, Duisburg, Deutschland,
Bachelorarbeit, 2006
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Printed in Germany
2
Die vorliegende Arbeit schließt mein Studium an der Universität Duisburg-Essen ab. Sie
entstand unter der Zusammenarbeit zwischen dem Institut für Energie- und
Umweltverfahrenstechnik auf Seiten der Universität und dem Institut für Energie- und
Umwelttechnik e.V. (IUTA) in Duisburg. Ich möchte mich an dieser Stelle bei allen Beteiligten
für die Betreuung, das zur Verfügung stellen von Informationen und für die gegebenen
Anregungen bedanken. Mein besonderer Dank gilt dabei Herrn Prof. Dr. Herbell, Herrn
Dr. Pasel und Frau Dipl.-Ing. Vogt, welche für die direkte Betreuung als Ansprechpartner
jederzeit zur Verfügung standen.
Duisburg, den 20. März 2006
3
1. Einleitung zur behandelten Thematik ...
5
2. Darstellung eines Lösungsansatzes zur Vermeidung von Inkrustationen ...
7
3. Anforderungen an eine Beschichtung zur Vermeidung von Inkrustationen ...
8
4. Herstellung und Eigenschaften von Sol-Gel-Materialien ...
9
5. Eigenschaften von ORMOCER
®
-Verbindungen ... 12
6. Geometrien und Materialien von Kunststoffrohren im Abwasserbereich ... 17
7. Mögliche Beschichtungsverfahren für ORMOCER
®
-Verbindungen ... 30
8. Beschichtung der Innenseite von Kunststoff-Abwasserrohren mit
anorganisch-organischen Hybridpolymeren ... 32
9. Offline-Beschichten der Innenseite von Kunststoff-Abwasserrohren mit
anorganisch-organischen Hybridpolymeren ... 35
9.1. Reinigung der Oberfläche ... 36
9.1.1. Reinigungsverfahren für Kunststoffoberflächen im Allgemeinen ... 37
9.1.2. Reinigungsverfahren für die Innenseite von Kunststoffrohren ... 40
9.2. Oberflächenaktivierung durch Fluorieren ... 43
9.3. Beschichten mit ORMOCER
®
-Verbindungen ... 51
9.3.1. Industriell eingesetzte Beschichtungsverfahren im Allgemeinen ... 52
9.3.2. Beschichtungsverfahren für die Innenseite von Kunststoffrohren ... 62
9.4. Trocknung der ORMOCER
®
-Beschichtungen ... 70
9.5. Härtung der ORMOCER
®
-Beschichtungen ... 74
10. Inline-Beschichten der Innenseite von Kunststoff-Abwasserrohren mit
anorganisch-organischen Hybridpolymeren ... 77
10.1. Der Herstellungsprozess von Kunststoffrohren ... 77
10.2. Möglichkeiten zur Eingliederung des Beschichtungsvorganges ... 84
11. Abschließende Betrachtungen ... 88
12. Quellenverzeichnis ... 90
Anlagen ... 96
4
Inhaltliche Gliederung der Arbeit
Die inhaltlich logische Gliederung der überwiegend als Recherche durchzuführenden und
daher in ihrem Ergebnis sehr umfangreichen Arbeit ergibt sich aus den laut Aufgabenstellung
zu behandelnden Themenbereichen. Nachfolgend sei der Gedankengang beim Entwickeln
der inhaltlichen Struktur kurz zusammengefasst dargestellt. Dieser wird auch in der
Untergliederung gemäß Inhaltsverzeichnis deutlich.
Unter bestimmten Zielsetzungen sollen Kunststoff-Abwasserrohre auf ihrer Innenseite mit
einem Material, das sich gegenwärtig noch in der Entwicklung befindet, beschichtet werden.
Es erfolgt eine kurze Einleitung zur behandelten Thematik, in welcher auch die zu
untersuchenden und nicht zu untersuchenden Bestandteile der Arbeit und deren Gestalt klar
dargestellt werden. Um ein Beschichtungsverfahren zu entwickeln, muss einerseits bekannt
sein, womit beschichtet werden und andererseits worauf dies erfolgen soll. Deswegen wird
zunächst kurz dargestellt, was Sol-Gel-Materialien sind und worin deren Vorteile liegen. Eine
spezielle Stoffgruppe von diesen wird anschließend näher betrachtet. Somit konnte die
Frage, womit beschichtet werden soll, beantwortet werden, wobei darauf hingewiesen wird,
dass Informationen zu diesen speziellen Materialien aufgrund deren gegenwärtiger
Entwicklung kaum zugänglich sind. Als nächstes war zu klären, was beschichtet werden soll
bzw. was unter Kunststoff-Abwasserrohren genau zu verstehen ist. Hierfür wurde eine
umfangreiche Recherche durchgeführt und ausgewertet. Nach dem Klären dieser
Grundlagen war zu untersuchen, an welcher Stelle im Produktlebenszyklus eines Rohres
das Beschichten vorgenommen werden kann. Es wurden das Inline- und Offline-Beschichten
ausgewählt. Schwerpunktmäßig sollte davon das Offline-Beschichten untersucht werden,
weshalb das Inline-Beschichten, mehr als Ergänzung, an das Ende der Arbeit gesetzt wurde.
Der Offline-Beschichtungsvorgang gliedert sich in verschiedene, umzusetzende
Prozessschritte, wie in Kapitel neun dargestellt. Diese Prozessschritte werden in der
genannten Abfolge anschließend einzeln behandelt. Daran schließt sich die Betrachtung des
Inline-Beschichtens an. Somit ergibt sich der Vorteil, dass alle für das Verständnis der
Ansätze zum Beschichten im Inline-Verfahren notwendigen Grundlagenkenntnisse dem
Leser über die Darstellungen zum Offline-Beschichten bekannt sind. Die Arbeit schließt mit
einer Zusammenfassung ab.
Im gesamten Aufbau der Arbeit und in den einzelnen Kapiteln wurde das Vorgehen vom
Schaffen allgemeiner Grundlagen hin zu jeweils speziellen Ergebnissen oder
Schlussfolgerungen gewählt, weil überwiegend die Übertragung von in anderen Bereichen
bisher eingesetztem Wissen auf neue, spezielle Themen zu untersuchen war.
5
1. Einleitung zur behandelten Thematik
Im Betrieb von hydraulischen Systemen können in diesen Verschmutzungen
unterschiedlichster Art auftreten. Insbesondere Leitungen zur Aufnahme und Ableitung von
Abwasser sind hiervon betroffen [10].
Von den Verschmutzungen stellen in hydraulischen Systemen Inkrustationen eines der
wesentlichen Probleme hinsichtlich Betriebssicherheit, Lebensdauer und Hygiene dar. Deren
Entfernung
verursacht
den
Betreibern
von
Wasserversorgungs-
und
Wasserentsorgungsnetzen jährlich hohe Kosten und erfordert einen beträchtlichen Aufwand
für die Sicherstellung der Verfügbarkeit. Insbesondere die Einleitung von warmen, sulfat- und
carbonatreichen Abwässern begünstigt das Entstehen von Inkrustationen. Die
Betriebsbedingungen von Dränsystemen für Deponien stellen hierbei den ,,worst case" dar
[1].
Mineralische, feste, an den Rohr- bzw. Kanalinnenwänden haftenden Ablagerungen werden
als Inkrustationen bezeichnet und bilden sich unter anderem in kommunalen Trinkwasser-
und Abwassersystemen, in Bauwerksdrainagen sowie in Deponien und führen dort zu [1]:
-
Verengung der hydraulischen Querschnitte,
-
Verringerung der Durchflusskapazität,
-
Rückstaueffekten und Überflutungen,
-
Begünstigung von Korrosion,
-
verbesserten Siedlungsbedingungen für Mikroorganismen (z.B. Legionellen).
Durch die Verengung des Fließquerschnittes wird die Durchflusskapazität so weit verringert,
dass dies z.B. bei Regenereignissen zu Rückstaueffekten und Überflutungen führt. Im
Grenzfall kann es sogar zu einem vollständigen Kanalverschluss kommen. Die mit dem
Rückstau verbundene Reduzierung der Fließgeschwindigkeit und Abflussmenge führt
wiederum zu einer gesteigerten Bildung von Ablagerungen. Weil diese eine rauere
Oberfläche aufweisen als die Rohrwandungen, erfolgt eine Reduzierung der hydraulischen
Leistungsfähigkeit des Rohrnetzes. Die bisher meist auf mechanischem Wege umgesetzten
Reinigungsmaßnahmen führen zu einem verstärkten Verschleiß oder gar der teilweisen
Zerstörung der Rohrsysteme. Je nach Art der Ablagerungen können ferner Situationen
entstehen, die zu einer Gefährdung und Belästigung von Wartungs- und Reinigungskräften
und Anwohnern führt [1] [2] [10].
Diese Abschlussarbeit soll die verfahrenstechnischen Grundlagen für die Beschichtung der
Innenseite von geraden Kunststoffrohren, insbesondere auch aus hochdichtem Polyethylen
(HDPE)
mit
speziellen,
oberflächenaktiv
wirksamen
anorganisch-organischen
Hybridpolymeren als Vertreter der Sol-Gel-Materialien ermitteln. Diese Beschichtungen
Erscheinen für das Erreichen der Zielsetzung, das Anhaften von Inkrustationen zu
verhindern oder, längerfristig, zumindest stark zu reduzieren besonders geeignet, so dass
die Reinigungsintervalle für Wasserver- und Entsorgungsnetze verlängert und der
Reinigungsaufwand minimiert werden kann.
Im Vorfeld dieser Arbeit wurde eine Projektarbeit [63] durchgeführt, die untersuchen sollte,
welche Materialien generell für das Beschichten verschiedener Substrate zur Vermeidung
der Biofilmbildung auf diesen verwendet werden könnten. Die durchgeführten
Untersuchungen sollten auch für Sol-Gel-Materialien umgesetzt werden, was aufgrund von
Lieferverzögerungen aber erst nach Abschluss des Projektes durch andere Personen
möglich war. Aus deren Untersuchungen, den bis zu diesem Zeitpunkt vorliegenden
Ergebnissen und weiteren Forschungsresultaten kam man insgesamt zu dem Schluss, dass
besonders Sol-Gel-Materialien auch speziell für die Vermeidung von Inkrustationen geeignet
sind, was an dieser Stelle aber nicht näher zu begründen oder zu untersuchen ist, wie
nachfolgend dargestellt. Von diesen Sol-Gel-Materialien erscheinen besonders die
6
anorganisch-organischen Hybridpolymere zum Erreichen der Zielsetzung geeignet,
Inkrustationen zu vermeiden. Es sei dabei auch auf die Kapitel vier und fünf hingewiesen.
Der Schwerpunkt der Arbeit liegt auf dem Zusammenstellen von Informationen zu gemäß
Aufgabenstellung vorgegebenen Themen für eine mögliche technische Umsetzung des
Beschichtungsvorganges und soll als Grundlage für ein angedachtes Forschungsvorhaben
dienen. Es sollen geeignete Beschichtungsverfahren für anorganisch-organische
Hybridpolymere bestimmt, die dazu verfügbaren Informationen zusammengestellt und
ergänzend erste, grundlegende Ansätze für die Umsetzung eines Beschichtungsvorganges
hergeleitet werden. Es ist nicht Gegenstand der Arbeit zu begründen, warum gerade mit
anorganisch-organischen hybriden Polymeren beschichtet werden soll. Die genauen
Mechanismen für bzw. während deren Herstellung und Verarbeitung sowie
Oberflächeneffekte während dem Einsatz dieser Materialien sollen und können nicht
untersucht werden, weil sie gegenwärtig Forschungsgegenstand und dahingehende
Informationen deswegen praktisch nicht zugänglich sind. Es ist nur möglich, aus deren
grundlegenden Eigenschaften Ansätze für mögliche Beschichtungsverfahren herzuleiten, die
hierzu verfügbaren Informationen zusammenzustellen und erste Ansätze für deren
Anpassung an den Beschichtungsvorgang speziell mit diesen Materialien auf der Innenseite
von Kunststoff-Abwasserrohren abzuleiten. Die genaue Verfahrensentwicklung ist nur bei
exakter Kenntnis der genauen Eigenschaften der speziell für die Inkrustationsvermeidung in
Kunststoff-Abwasserrohren
noch
zu
entwickelnden
anorganisch-organischen
Hybridpolymere möglich und somit nicht Bestandteil dieser Arbeit. Die Feineinstellung von
verfahrenstechnischen Parametern muss in der Praxis erfolgen.
Es ergeben sich vielfältigste Einsatzgebiete für inkrustationshemmend beschichtete
Kunststoff-Abwasserohre. Eine Anwendung der Beschichtungen soll zunächst nur für
Abwassersysteme erfolgen. In einem weiteren Schritt wäre die Einsetzbarkeit der neuartigen
Beschichtungen für Trinkwassersysteme zu untersuchen.
7
2. Darstellung eines Lösungsansatzes zur Vermeidung von Inkrustationen
Hierbei sind verschiedene Ansätze denkbar, von welchen im Vorfeld der Arbeit ein spezieller
ausgewählt wurde, wie nachfolgend kurz begründet.
Die Inkrustationsbildung ist ein sehr komplexer Prozess, welcher von vielen chemischen,
mechanischen, hydromechanischen und auch biologischen Einflussfaktoren bestimmt wird.
Das Abwasser, welches die Bildung von Inkrustationen begünstigt, ist meist sulfat- und
carbonatreich und mit den gelösten Stoffen zum Teil übersättigt [1].
Oft handelt es sich um
Warmwasser; im Kaltwasserbereich treten Inkrustationen wesentlich seltener oder gar nicht
auf. Die genau Zusammensetzung des Abwassers ist meist zeitlich veränderlich und oft nicht
genau bekannt [10] [12] [30].
Im Abwasserbereich werden zunehmend verschiedene Kunststoffrohre eingesetzt. Trotz
günstiger Eigenschaften der für die Rohrherstellung verwendeten Materialien, wie
beispielsweise die hohe chemische und biologische Beständigkeit oder der hydrophobe
Charakter der Oberflächen, bilden sich in diesen Rohren Inkrustationen. Bisher war es nicht
möglich nur durch Auswahl eines geeigneten Rohrmaterials die Bildung von Inkrustationen
zu vermeiden oder zufriedenstellend zu reduzieren.
Vor allem aus Kosten-, aber auch aus technologisch-materialwissenschaftlichen Gründen
verbietet sich eine vollständige Substitution der für Abwasserrohre gegenwärtig eingesetzten
Massenkunststoffe gegen andere, möglicherweise hinsichtlich der Inkrustationsneigung
besser geeignete Materialien [1]. Hierzu zählen beispielsweise mit Silberpartikeln versetzte
Kunststoffe, ein Forschungsbereich an der Universität Erlangen-Nürnberg, welche eine
Keimbesiedlung verhindern und somit biogene Einflüsse für die Inkrustationsbildung für eine
gewisse Zeit reduzieren können oder spezielle Fluorpolymere diverser Anbieter, welche
unter anderem eine gute Benetzbarkeit aufweisen und somit vor allem leicht zu reinigen sind.
Somit stellt die Modifizierung der Innenfläche der Rohre durch eine geeignete Behandlung
oder Beschichtung eine interessante Alternative dar. Hierbei kommt prinzipiell eine Reihe
von antiadhäsiven Beschichtungssystemen in Frage, die sich zur Beschichtung auf
Kunststoffen eignen. Insbesondere Beschichtungen auf Basis von Fluorpolymeren, Siliconen
oder auch Sol-Gel-Materialien sind zu nennen.
Sol-Gel-Materialien sind gegenwärtig Forschungsgegenstand. Sie bieten insbesondere die
Möglichkeit, unterschiedlichste Eigenschaften in einem Material miteinander zu kombinieren
und könnten somit als neuartiger Lösungsansatz dazu beitragen, die Zielsetzung einer
Inkrustationsreduzierung oder -vermeidung zu erreichen.
8
3. Anforderungen an eine Beschichtung zur Vermeidung von Inkrustationen
Weil Beschichtungen mit Sol-Gel-Materialien in hohem Maße in ihren Eigenschaften
angepasst werden können, muss in weiteren Untersuchungen insbesondere untersucht
werden, welche genauen Anforderung an eine solche zu stellen sind.
Das Material der Innenwandung der Abwasserrohre ist ein wichtiger Einflussfaktor im
Prozess der Inkrustationsbildung. So wird die Haftung der Ablagerungen unter anderem
durch die Art der chemischen Bindungen an der Rohroberfläche, die Oberflächenspannung
des Werkstoffes sowie von der Topografie der Oberfläche (Rauhigkeit) beeinflusst [1].
Grundsätzlich sind zwei Ansätze für das Vermeiden von Inkrustationen durch eine
Oberflächenbeschichtung möglich. Einerseits könnten hydrophile Eigenschaften genutzt
werden, um somit die Benetzbarkeit der Oberfläche zu steigern, wodurch diese leichter zu
reinigen ist. Andererseits ist es möglich, hydrophobe Effekte zu nutzen, wodurch
verschmutztes Wasser von der Oberfläche abperlt und sich somit keine Verschmutzungen
anlagern können. Nach den Ergebnissen von zuvor erfolgten Untersuchungen am Institut für
Energie- und Umwelttechnik e.V. (IUTA) kann davon ausgegangen werden, dass vor allem
antiadhäsive und hydrophobe Oberflächen für eine Verringerung der Inkrustationsbildung
speziell in Kunststoff-Abwasserrohren vorteilhaft sind.
Obwohl Polyolefine (PE, PP, PEX) und Polyvinylchlorid bereits ein materialspezifisches,
hydrophobes, antiadhäsives und gleichzeitig chemikalienbeständiges Verhalten aufweisen,
genügt dies nicht, um das Anhaften von Inkrustationen zu vermeiden. Der hydrophobe
Charakter der Polymeroberflächen nimmt bei Kontakt mit Luft zeitlich ab [1].
Folgende Langzeiteigenschaften sollte die Beschichtung aufweisen [1] [63]:
-
möglichst keine chemischen Bindungsmöglichkeiten an der Oberfläche;
-
günstige Oberflächenrauhigkeit;
-
hohe Oberflächenspannung;
-
weitere hydrophobe, oleophobe und antiadhäsive Eigenschaften;
-
chemikalienbeständig;
-
keine Abgabe von Beschichtungsbestandteilen in das Abwasser;
-
haftend bei Biege-, Zug-, Druck-, Kratz-, Abrasions- und Druckspülbeanspruchung;
-
ähnlicher thermischer Längenausdehnungskoeffizient wie das beschichtete Material.
Ziel ist es, eine auf der Oberfläche der Rohrinnenseite fest haftende Schicht herzustellen,
welche die genannten Anforderungen erfüllt, diese über einen langen oder nahezu
unbegrenzten Zeitraum beibehält um somit das Anhaften von Inkrustationen zu vermeiden
oder zu reduzieren.
Sol-Gel-Materialien können in einem wesentlich höheren Maß als andere Stoffgruppen an
diese für die Beschichtung gestellten Anforderungen und zusätzlich auch an spezielle
Beschichtungstechnologien angepasst werden. Deswegen erscheint das Beschichten mit
diesen Materialien und insbesondere mit anorganisch-organischen Hybridpolymeren
gegenwärtig besonders aussichtsreich zum Vermeiden von Inkrustationen [1]. Für das
Erzeugen bestimmter Beschichtungseigenschaften ist nicht nur das aufgetragene Material,
sondern auch das beschichtete Material und das Beschichtungsverfahren von
entscheidender Bedeutung [80].
9
4. Herstellung und Eigenschaften von Sol-Gel-Materialien
Nachfolgend eine kurze, allgemeine Einführung zu Sol-Gel-Materialien bzw. hybriden
Polymeren als deren Vertreter.
Sol-Gel-Verfahren sind nasschemische Verfahren zur Herstellung keramischer, keramisch-
organischer, anorganischer sowie, als neueste Entwicklung, hybrider Werkstoffe. Diese
Verfahren sind Gegenstand aktueller Grundlagenforschung als auch der angewandten
Forschung und wurden bisher vor allem zur Herstellung keramischer Bulkmaterialien,
keramischer Nanopulver und Fasern sowie zur Abscheidung homogener, nanokristalliner,
oxidkeramischer oder auch keramisch-organischer Beschichtungen genutzt, allgemeiner als
Sol-Gel-Materialien bezeichnet [32] [35].
Die Herstellung bzw. Abscheidung der Werkstoffe geht von einem flüssigen Sol-Zustand aus,
der durch eine Sol-Gel-Transformation in einen festen Gel-Zustand überführt wird [32].
Als Sole werden Dispersionen fester Partikel im Größenbereich zwischen 1 nm bis 100 nm
bezeichnet, die sich feinst verteilt (dispergiert) in Wasser oder organischen Lösungsmitteln
befinden. Sol-Gel-Verfahren gehen allgemein von Solsystemen auf Basis metallorganischer
Polymere aus, insbesondere solche zur Herstellung oxidkeramischer Schichten. Speziell für
die Herstellung anorganisch-organischer Hybrid-Schichten kommen neben Alkoholaten und
Metallalkoholaten insbesondere netzwerkbildende sowie netzwerkmodifizierende ORMOSILe
(organisch modifizierte Silane) als Ausgangschemikalien zum Einsatz [32].
Der Übergang vom flüssigen Sol zum oxidkeramischen Werkstoff oder anorganisch-
organischen Hybridwerkstoff erfolgt über einen Gelzustand [32].
Während der Sol-Gel-Transformation kommt es zu einer 3-dimensionalen Vernetzung im die
Nanopartikel umgebenden Lösungsmittel, wodurch das Gel Festkörpereigenschaften erhält.
Die Überführung des Gels in einen oxidkeramischen oder hybriden Werkstoff erfolgt durch
eine kontrollierte Wärmebehandlung unter Luft [32]. Ein zusätzliches Härten durch Strahlung
kann anschließend notwendig sein [37].
Detailliert betrachtet gliedert sich das Herstellungsverfahren für Sol-Gel-Materialien in zwei
Teile. Zuerst wird aus metallorganischen Verbindungen, organischen Lösungsmitteln und
speziellen Verbindungen ein Sol hergestellt. Danach reagiert das Sol zu einem Gel. Die
nachfolgende Abbildung verdeutlicht die Herstellungsschritte von den Ausgangsstoffen bis,
in
diesem
Fall,
hin
zur
fertigen
Keramik
[36].
10
In den meisten Fällen stellt man das Sol aus Metallalkoholaten her. Dies sind organische
Verbindungen, bei denen an ein Metallion Alkoholreste angelagert sind. Hergestellt werden
diese durch die Reaktion von elementaren Metallen mit Alkoholen unter Abspaltung von
Wasserstoff. Metallalkoholate sind äußerst reaktionsfreudig. Die Alkoholate können
beispielsweise mit Wasser oder organischen Verbindungen reagieren. Dabei werden die
Alkoholreste abgespalten. Dies nutzt man aus, um Sole mit polymeren Strukturen
herzustellen. Durch Zugabe von Wasser erreicht man eine Hydrolyse des Alkoholats. Eine
organische Verbindung, z.B. Essigsäure, die dem Alkoholat vor der Hydrolyse zugegeben
wird, verhindert, dass der Komplex vollständig hydrolysiert und als Hydroxid ausfällt, das
heißt man stabilisiert das Alkoholat. Die Gleichungen 1 und 2 verdeutlichen am Beispiel des
Zirkonium-n-Propylates diese Reaktionen. Gleichung 1 beschreibt die Stabilisierung und
Gleichung 2 die Hydrolyse [36].
Diese teilhydrolysierten Metallalkoholate können anschließend miteinander polymerisieren.
Es bilden sich Ketten und, abhängig von der Stabilisierung, dreidimensionale Netzwerke. Die
möglichen Polymerisationsreaktionen verdeutlichen die Gleichungen 3 und 4. Das durch die
Reaktion gemäß Gleichung 3 entstehende Wasser kann für eine weitere Hydrolyse sorgen
[36].
11
Wird ein Sol destabilisiert, zum Beispiel durch Entzug des Lösungsmittels, kann eine
Polymerisation über das gesamte Volumen des Sols stattfinden. Es bildet sich ein Gel.
Kennzeichen eines Gels ist, dass jedes Teilchen im Netzwerk eingebaut ist und alle Teilchen
miteinander verbunden sind. Ein anschauliches Beispiel sind Sole und Gele aus Graphit. Die
Sole leiten, abhängig vom Lösungsmittel, keinen Strom, die Gele sind elektrisch leitfähig
[36].
Der Übergang vom Sol über das Gel zum endgültigen Produkt kann in der Praxis vereinfacht
als thermische Trocknung durch Konvektion bezeichnet werden. Diese Trocknung bzw. der
Lösungsmittelentzug kann bereits gleichzeitig zum Härten des Materials führen. Sol-Gel-
Materialien sind eine Stoffgruppe unterschiedlichster Eigenschaften. So kann es auch nötig
sein, dass als letzter Verfahrensschritt nach dem Trocknen noch ein zusätzliches Härten
durch Strahlung, z.B. durch ultraviolette Strahlung, angewandt werden muss [33] [34].
Bei der Herstellung oxidkeramischer Schichten wird der feste Gel-Film z.B. nur einer
Wärmebehandlung unter sauerstoffhaltiger Atmosphäre (Luft) unterzogen. Es erfolgt hierbei
ein Zersetzen der organischen Bestandteile der metallorganischen Polymere, welche in
Form von CO
2
und H
2
0 entweichen. Am Ende dieser Wärmebehandlung steht hier ein
(nano-) kristalliner, dichter, oxidkeramischer Film [32]. Der Vorgang kann, zur besseren
bildlichen Vorstellung, mit einem ,,Setzen" der Beschichtung verglichen werden, wobei der
Abstand der metallischen Bestandteile des Materials zueinander durch das Entweichen der
organischen Bestandteile aus der Beschichtung bis auf ein gewisses Maß reduziert wird [35].
Auch wenn Sole unterhalb ihres Fließpunktes abgekühlt werden, kann sich nach einer
gewissen Zeit eine Gelstruktur ausbilden. Diese bildet sich nach Erwärmen über den
Fließpunkt meist zurück [80].
Durch die Vielzahl an möglichen chemischen Verbindungen ergibt sich eine hohe Bandbreite
an Einsatzmöglichkeiten für Sol-Gel-Materialien, insbesondere für hybride Materialien [36].
Aufgebrachte Schichten von Sol-Gel-Materialien können bis zu einige Mikrometer dünn sein
[35]. Rissfrei können oxidkeramische Schichten bis maximal ca. 0,4 µm, anorganisch-
organische Hybridschichten bis maximal ca. 30 µm abgeschieden werden. Viele
Hybridschichten sind, im Gegensatz zu oxidkeramischen Werkstoffen, hydrophob. Es ist
unter anderem möglich Schichthärten von ca. 3,5 GPa (3,5 kN/mm
2
) einzustellen, welche, im
Gegensatz zu technischen Eisen- bzw. Nickelbasislegierungen, mit Diamantwerkzeugen zu
bearbeiten sind [32]. Die Härte der Hybridschichten liegt über der von gewöhnlichen
Kunststoffen. Gleichzeitig wird eine höhere Duktilität bzw. Bruchdehnung im Vergleich zu
keramischen Werkstoffen erreicht [32].
Die Stoffgruppe der Sol-Gel-Materialien ermöglicht multifunktionale Schichten, weil die
Eigenschaften bisher getrennt eingesetzter Materialien oder Verbindungen miteinander
kombiniert werden können. Sie sind somit in hohem Maße an die Anforderungen spezieller
Einsatzgebiete anpassbar. Sie können auch, unter Einhaltung der gesetzlichen
Rahmenbedingungen, für die Beschichtung der Innenseite von Kunststoffrohren im
Abwassersystem zur Vermeidung von Inkrustationen eingesetzt werden [35].
Die Ausgangsstoffe der Sol-Gel-Technik sind in großer Vielfalt meist kommerziell erhältlich.
Die kolloidalen Lösungen bzw. Sole sind mit zum Teil mit bereits vorhandenen, ausgereiften
Beschichtungstechnologien verarbeitbar [35].
12
5. Eigenschaften von ORMOCER
®
-Verbindungen
Genauere als die zuvor gemachten Angaben zu Eigenschaften von durch Sol-Gel-Chemie
hergestellten anorganisch-organischen Hybridmaterialien sind nicht frei verfügbar. Eine
bessere Kenntnis von deren Eigenschaften ist aber für die Untersuchung möglicher
Beschichtungsverfahren für die Innenseite von Kunststoff-Abwasserrohren notwendig. Dies
war nur durch das Entgegenkommen der nachfolgend genannten Einrichtungen möglich.
Diese
waren
bereit,
Produktdatenblätter
zu
einigen
anorganisch-organischen
Hybridmaterialien zur Verfügung zu stellen.
Neben anderen Forschungseinrichtungen beschäftigt sich auch das Fraunhofer-Institut für
Silicatforschung, gemeinsam mit anderen Forschungsinstituten, zusammengeschlossen im
Forschungsverbund POLO, schwerpunktmäßig unter anderem mit der Herstellung und der
Einsetzbarkeit von anorganisch-organischen hybriden Polymeren (ORMOCEREN
®
) und
Keramiken auf Basis von Sol-Gel-Verfahren [35]. Der genaue Herstellungsprozess für
ORMOCER
®
-Verbindungen ist nur den Mitarbeitern des Fraunhofer-Instituts für
Silicatforschung [35] und der T_O_P Oberflächen GmbH [37], beide in Würzburg ansässig,
bekannt. Diese speziellen Verbindungen sind als eingetragene Marke geschützt.
Die T_O_P Oberflächen GmbH in Würzburg ist eine Ausgründung des Fraunhofer-Institutes
für Silicatforschung. Hauptproduktlinie des Unternehmens ist das anorganisch-organische
Hybridpolymer ORMOCER
®
, welches auch als Nano-Lacksystem bezeichnet wird. Das
Unternehmen vertreibt dieses als eine Reihe von Standardprodukten oder als
kundenspezifisch angepasste Produktvariante [37].
Leider sind gegenwärtig keine Angaben zu Eigenschaften anorganisch-organischer
Hybridpolymere anderer Hersteller verfügbar. Es ist aber zu erwarten, dass diese
anorganisch-organischen hybriden Polymere vergleichbare Eigenschaften aufweisen [35].
ORMOCERE
®
sind eine Stoffgruppe von zur Zeit ca. 157 unterschiedlichen Materialien und
werden allgemein wie folgt beschrieben [35] [37]:
-
funktionalisierbar und anpassbar an individuelle Anforderungen,
-
mit allen bekannten Beschichtungsverfahren verarbeitbar,
-
UV- oder thermisch härtend,
-
sehr hohe Haftfestigkeit durch atomare Vernetzung mit dem Substratmaterial,
-
sehr hohe Kratzfestigkeit, die derjenigen von Glas nahe kommt,
-
behandelte Oberflächen weisen Glascharakter auf (Härte, Optik),
-
optisch transparent,
-
speziell entwickelt zum Einsatz im Innenbereich (keine ausgasenden Weichmacher).
ORMOCER
®
-Beschichtungen können neben einer Erhöhung der mechanischen und
chemischen Beständigkeit des beschichteten Substrates verschiedene zusätzliche
Funktionen an dessen Oberfläche ermöglichen. Bisher konnten
-
hydrophile/-phobe und oleophile/-phobe Funktionen (Antihaft-Schichten);
-
Schmutz abweisende Schichten;
-
mechanische Schutzschichten (kratz- und abriebfest);
-
(Hoch-) Barriereschichten für Gase, Lösungsmittel und Aromastoffe;
-
Korrosionsschutzschichten;
-
Antireflexschichten und Antistatikschichten
erzeugt werden. Auch die Kombination mehrerer Eigenschaften in einer Schicht oder einem
Schichtsystem ist möglich [35].
13
Wegen den bereits gezielt einstellbaren Effekten an der Beschichtungsoberfläche und auf
Grund der weiteren, hohen Anpassungsfähigkeit von ORMOCEREN
®
an den jeweiligen
Anwendungsfall insbesondere in ihren Oberflächeneigenschaften und gleichzeitig auch an
die Verarbeitungstechnologie erscheinen diese, als hybride anorganisch-organische
Polymere, für die Vermeidung von Inkrustationen in Abwassersystemen interessant. Die
zuvor gestellten Anforderungen an eine Beschichtung auf der Rohrinnenseite zur
Vermeidung von Inkrustationen können in hohem Maße speziell durch diese Hybridpolymere
erfüllt werden [37].
Durch den Hersteller dieser anorganisch-organischen Hybridpolymere wurden vier
Datenblätter zur Verfügung gestellt, welche die Eigenschaften der gesamten Stoffgruppe
erfassen. Die Datenblätter zu diesen Lacksystemen befinden sich in den Anlagen zu dieser
Arbeit, deren Inhalt wird nachfolgend zusammengefasst wiedergegeben. Bisher stehen
Parameter zur Verarbeitung von ORMOCEREN
®
nur in wenigen Datenblätter zu bereits
vertriebenen Standardsystemen und gegebenenfalls in Veröffentlichungen zur Verfügung
[37].
Folgende ORMOCER
®
-Standardsysteme sind gegenwärtig lieferbar [37]:
ABRASIL VM-18-IP
-
transparenter Kratzfestlack zur Beschichtung von PMMA, PS,
ABS etc.
-
gibt Kunststoffoberflächen bereits bei Schichtdicken von
wenigen Mikrometern glasähnliche Kratzfestigkeit
-
UV-härtend
-
Verarbeitung im Spincoat-Verfahren
ABRASIL VM-22-IPA
-
transparenter Kratzfestlack zur Beschichtung von PMMA, PS,
ABS, PC etc.
-
gibt Kunststoffoberflächen bereits bei Schichtdicken von
wenigen Mikrometern glasähnliche Kratzfestigkeit
-
UV-härtend
-
Verarbeitung im Sprüh-Verfahren
ABRASIL VM-30-IPB
-
transparenter Kratzfestlack zur Beschichtung von PMMA, PS,
ABS etc.
-
gibt Kunststoffoberflächen bereits bei Schichtdicken von
wenigen Mikrometern glasähnliche Kratzfestigkeit
-
UV-härtend
-
Verarbeitung im Flut-Verfahren
ABRASIL GA3-28-xxx
-
Kratzfestlack (farbig, glänzend oder matt) mit hoher
Medienbeständigkeit zur dauerhaften, dekorativen Glas- und
Metallbeschichtung
-
thermisch härtend (0,5 bis 1 h bei160°C)
-
Verarbeitung im Sprüh-Verfahren
-
Einfärbung nach Kundenvorgabe
ABRASIL GA2-30-xxx
-
Kratzfestlack (farbig, glänzend) mit hoher Medienbeständigkeit
zur dauerhaften, dekorativen Glas- und Metallbeschichtung
-
thermisch härtend (0,5 bis 1 h bei160°C)
-
Verarbeitung im Tauch- oder Flut-Verfahren
-
Einfärbung nach Kundenvorgabe
14
CLEANOSIL VMF22-IPA
-
transparenter Kratzfestlack mit zusätzlicher Antihaftfunktion,
macht Oberflächen aus Kunststoff schmutzabweisend und
reinigungsfreundlich
-
UV-härtend
-
Verarbeitung im Sprüh-Verfahren
CLEANOSILVMF-29-IP2
-
transparenter Kratzfestlack mit zusätzlicher Antihaftfunktion,
macht Oberflächen aus Kunststoff schmutzabweisend und
reinigungsfreundlich
-
UV-härtend
-
Verarbeitung im Flut-Verfahren
(Tab.: T_O_P Oberflächen GmbH [37])
Vor deren Verarbeitung sind ORMOCERE
®
im Allgemeinen niedrig viskos, vergleichbar mit
Alkohol (Ethanol). Dies trifft auf 60% bis 70% der Stoffgruppe zu. Ein hoher
Lösungsmittelanteil führt zu einer hohen Menge von Lösungsmitteldämpfen während der
Trocknung und gegebenenfalls auch der Härtung. Diese sind organisch und im Allgemeinen
nicht gesundheitsschädlich, aber unbedingt abzuführen, weil ab einer gewissen
Konzentration ein Entzünden der Dämpfe möglich ist [35].
Zusammenfassung der Parameter für die Verarbeitung von ORMOCER
®
-Verbindungen
In Anlehnung an die zur Verfügung gestellten Stoffdatenblätter lassen sich die folgenden,
genaueren Aussagen zu ORMOCEREN
®
zusammenstellen:
Auftrags-/Beschichtungsverfahren
Sprühen, Fluten oder Tauchen. Laut Herstellerangaben ist auch das Spin Coaten als
Verarbeitungsverfahren möglich.
Gegebenenfalls ist der Lack mit Lösemitteln gemäß Stoffdatenblatt zu verdünnen.
Bei Führen im Kreislauf (kontinuierliches Fluten) ist der Lack zu filtrieren, regelmäßig auf
Viskosität und Feststoffgehalt zu überprüfen und gegebenenfalls rückzuverdünnen.
Exakte Verfahrensparameter sind von den Verhältnissen vor Ort abhängig und vom
Anwender in Vorversuchen zu ermitteln.
Für den durch Sprühen aufzutragenden Lack ORMOCER
®
-Lack ABRASIL
®
GA2-30 werden
eine Düsengröße von 0,2 - 1,4 mm und ein Druck von 1,5 - 3 bar empfohlen.
Stoffliche Eigenschaften der Lacksysteme
Farbe: klare, farblose bis leicht gelbliche Flüssigkeit, individuelle Einfärbung möglich
Feststoffgehalt nach DIN 53216-A: 28 - 33 %
Lieferviskosität nach DIN 51550 Ubbelohde: 5 - 15 mm
2
/s bei 20 °C
Dichte nach DIN 51757: ca. 0,90 - 0,97 g/cm
3
bei 20 °C
15
Lagerung der Lacke
Eine dunkle Lagerung zwischen -25 °C bis maximal +2 5 °C im ungeöffneten oder
verschlossenen Originalgebinde ist notwendig. Die Lacke sind dann im Allgemeinen
mindestens einen Monat lagerstabil.
Die Verarbeitungstopfzeit bei 18 - 20 °C beträgt mi ndestens drei Tage im dunklen,
geschlossenen Gebinde.
Gegebenenfalls kann der Kontakt mit Metallen zum vorzeitigen Vergelen des Lackes führen
und ist daher zu vermeiden.
Lackvorbereitung
Den Lack im verschlossenen Originalgebinde auf Raumtemperatur (18 - 22 °C) erwärmen.
Bei hohen optischen Ansprüchen und gegebenenfalls auch generell ist der Lack vor der
Verarbeitung mit Vorfilter (3 - 25 µm) und/oder Feinfilter (0,5 2 µm) zu filtrieren.
Substrat-Vorbehandlung
Die zu beschichtenden Oberflächen müssen frei von Trennmitteln, Ölen, Fetten, Wachsen
und sonstigen Verunreinigungen sein.
Verarbeitungsbedingungen
Staubfreie Umgebung, keine Zugluft. Temperatur: 20 - 25 °C, relative Luftfeuchte: 40 - 55 %.
Thermische Trocknung
Mindestens 15 Minuten bei 22 - 26 °C, forcierte Tro cknung bei Temperaturen bis zu 80 °C
möglich.
Thermische Härtung
Ofenhärtung:
bei 160 °C eine Stunde oder bei 180 °C 30 Minuten.
UV-Härtung:
UV-Bestrahlung: Hg-Hochdrucklampen (80 W/cm), UV-Bestrahlungsstärke: ca. 4 - 6 J/cm
2
.
Die Lackschicht muss vor der UV-Härtung durchgetrocknet sein.
Trocknungs- und Härtverfahren sind vom Lacksystem abhängig und können gegebenenfalls
an Kundenwünsche angepasst werden.
Reinigung der Geräte
Die Reinigung der Geräte ist vor dem Trocknen mit geeigneten Lösemitteln möglich.
Eigenschaften der ausgehärteten Beschichtung
Schichtdicke nach DIN 50933: 4 - 20 µm
Gitterschnittprüfung nach DIN ISO 2409: GT 0 - GT 1
16
Schwitzwasserbeständigkeit nach DIN 50017: mindestens 5 Tage
Eine Oberflächenspannung unter 20 mN/m konnte eingestellt werden.
Mit dem Gitterschnitttest nach DIN ISO 2409 wird die Haftung einer Beschichtung auf einem
Substrat untersucht. Diese Norm legt fest, wie hierfür ein schachbrettartiges Gitter in die
Beschichtung in ihrem Endzustand einzuschneiden, anschließend ein spezielles Klebeband
auf dieses Gitter aufzudrücken und wieder abzuziehen ist. Danach wird das Gitter mit einer
Handlupe auf ein Ablösen der Beschichtung untersucht. Hierbei bedeutet ein Wert von
-
GT0: kein Ablösen der Beschichtung vom Substrat,
-
GT1: maximal rund 5% des Beschichtungsmaterials wurden vom Substrat abgelöst.
Die Bestimmung der genannten Werte für die Oberflächenspannung erfolgte mit Testtinte.
DIN 53364 besagt hierzu, dass die zu prüfende Oberfläche schrittweise mit verschiedenen
Flüssigkeiten von definiert abgestufter Oberflächenspannung bestrichen und festgestellt
wird, durch welche Flüssigkeit das Substrat gerade noch benetzbar ist. Der Begriff
,,benetzbar" beschreibt, dass sich die aufgetragene Flüssigkeit nach dem Auftragen als
dünner Film innerhalb von zwei Sekunden nicht mehr zusammenzieht. Eine hohe
Oberflächenspannung
bewirkt
eine
schlechte
Benetzbarkeit,
eine
niedrige
Oberflächenspannung das Gegenteil. Die Werte für die Oberflächenspannung von
Materialien für die Herstellung von Kunststoff-Abwasserrohren wurden nachfolgend tabelliert.
Sie hängen auch von der verwendeten Prüfflüssigkeit ab und können daher variieren [82].
PP
PE-HD
PVC
PTFE
31,2 mN/m
35,1 mN/m
45,2 mN/m
19,1 mN/m
PTFE ist demnach besser benetzbar und dadurch leichter von anhaftenden
Verunreinigungen zu säubern als die anderen Materialien. PVC ist am stärksten hydrophob,
wodurch verschmutztes Wasser von Oberflächen aus diesem Material abperlt. Die
Beschichtungsmaterialien sollten im flüssigen Zustand die zu beschichtenden Werkstoffe gut
benetzten können, nach ihrem Aushärten aber eine hydrophobe Oberfläche schaffen.
Des weiteren wird angegeben, dass Beschichtungen für mindestens 24 Stunden eine
chemische Beständigkeit gegenüber basischen und sauren Reinigungs- und Lösemitteln,
Ethanol, Reinigungsbenzin, fett- und/oder ölhaltige Substanzen, Getränken und heißem
Wasser aufweisen können.
17
6. Geometrien und Materialien von Kunststoffrohren im Abwasserbereich
Gegenwärtig existiert eine nahezu unüberschaubare Vielfalt an Kunststoff-Abwasserrohren,
für die es, aus verschiedensten Gründen, bisher kein klar strukturiertes System für eine
übersichtliche Darstellung von insgesamt eingesetzten
-
Materialien,
-
Baulängen,
-
Durchmessern,
-
Querschnittsformen,
-
Wandungsgestaltungen und Wanddicken
gibt. Deswegen wurde eine Recherche für deren Ermittlung durchgeführt, wodurch eine
wesentliche
Grundlage
für
die
erfolgreiche
Entwicklung
möglicher
Beschichtungstechnologien für die Innenseite von Kunststoff-Abwasserrohren geschaffen
werden konnte. Diese stützt sich auf Deutsche- (DIN-) , Europäische- (EN-) und
Internationale (ISO-) Normen, welche von Unternehmen und Bildungseinrichtungen für die
Kennzeichnung der zuvor genannten Parameter genutzt werden. Für deren Einsichtnahme
konnte nur die von der DIN-Auslegungsstelle Duisburg zur Verfügung stehende Datenbank
PERINORM genutzt werden.
Der Ansatz, diese drei Normarten zur Grundlage der Recherche zu machen, wird wie folgt
begründet:
In der Vergangenheit war die Erstellung von Normen bzw. Standards für Rohrprodukte in
spezifischen Anwendungen die Aufgabe der nationalen Normungsstellen, beispielsweise des
Britischen Instituts für Normung (BSI) oder des Deutschen Instituts für Normung (DIN). Vor
allem
zur
Überwindung
von
Handelsbarrieren
hat
unter
anderem
die
Wettbewerbskommission der Europäischen Union eine Harmonsierung dieser zu EN-
(Europäische Normung) und ISO-Normen (Internationale Organisation für Normen und
Standards) vorangetrieben. Dieser Prozess ist für Rohrleitungssysteme in Warm- und
Kaltwasseranwendungen bei weitem noch abgeschlossen. Man kann aber davon ausgehen,
dass in Zukunft die Leistung von Rohrleitungssystemen gemäß EN- und/oder ISO-Normen
geprüft und genehmigt wird [61].
Von den für die Rohrherstellung eingesetzten Polymeren zeichnen sich Polyolefine (PE, PP,
PEX) durch eine gute Verarbeitbarkeit, hohe chemisch-mechanische Beständigkeit, geringe
Sprödbruchanfälligkeit, in gewissen Grenzen antiadhäsives Verhalten und niedrige
Materialkosten aus. Deswegen werden diese, mit hochdichtem Polyethylen als deren
Vertreter, bevorzugt für die Herstellung von Kunststoff-Abwasserrohren verwendet. Die
Materialeigenschaften der im Abwasserbereich insgesamt eingesetzten Kunststoffe sind den
zuvor genannten ähnlich und weisen deshalb die selben Vorzüge gegenüber anderen
Materialien auf.
Die ermittelten Informationen zu Kunststoff-Rohrleitungssystemen für die Ableitung von
Abwasser müssen einerseits umfassend, auf der anderen Seite aber nicht zu tiefgründig
dargestellt werden, da dies den Rahmen der Abschlussarbeit sprengen würde. Deswegen
werden nachfolgend die wichtigsten Aussagen zusammengefasst wiedergegeben. Eine
Übersicht zu allen recherchierten Normen und deren Anwendungsgebieten befindet sich in
den Anlagen zu dieser Arbeit.
Im Bedarfsfall liefert die jeweilige Norm meist weitere Informationen zu Festlegungen für
Kunststoff-Rohrleitungssysteme bezüglich [45] [48] [54]:
18
-
Zusammensetzung des Formmaterials,
-
mechanischen und physikalischen Eigenschaften:
- Elastizitäts- und Kriechmodul,
- Ringsteifigkeit,
- Schlagfestigkeitsmessung,
- Wärmeleitfähigkeit,
- Schmelzindex,
- mittlere Dichte,
- mittlerer Längenausdehnungskoeffizient.
-
chemische und biologische Beständigkeit,
-
Wurzelfestigkeit,
-
Verhalten nach Warmbehandlung,
-
Wasserdichtheit der Rohre (Dichtheit bei innerem und/oder äußerem Überdruck),
-
Bestimmung der Wassereintrittsfläche für Dränrohre,
-
Oberflächenbeschaffenheit,
-
Einfärbung,
-
Geometrie,
-
Maße und Grenzabmaße,
-
Schweißbarkeit,
-
Prüfung von Beschaffenheit und Festigkeitseigenschaften (Biegung, Zug, Druck),
-
Kennzeichnung,
-
technische Lieferbedingungen,
-
Verlegehinweise/Installation,
-
Klebstoffe,
-
Eigen- und Fremdüberwachung,
-
weitere Bauteile (Krümmer, Abzweige, Muffen, Dichtringe, Schächte).
Die wichtigsten Festlegungen für Kunststoffrohre zur Ableitung von Abwasser
Entsprechend der Norm für den jeweiligen Rohrtyp sind Maße in Millimeter [mm] anzugeben.
Sollmaße und die zugehörigen Grenzabmaße sind gemäß Norm festgelegt und vom
Hersteller im Produktdatenblatt zu nennen. Baulängen der Rohre sind Rohrlängen abzüglich
Muffentiefen [38]. Nennweiten DN müssen in den Produktnormen als DN/ID (inner diameter)
oder DN/OD (outer diameter) angegeben werden [49].
Die Bezeichnung der Rohre muss in einer der nachfolgend dargestellten Formen erfolgen
[42].
19
Bezeichnung
R
oh
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A
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du
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S
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B
au
lä
ng
e
(l)
Rohr DIN 8074 - 110 x 10,0 - PE 80
PE 80 110 mm
10,0 mm
Rohr DIN 8074 - 110 - SDR 11 - PE 80 PE 80 110 mm
11
Rohr DIN 8074 - 110 - S5 - PE 80
PE 80 110 mm
S5
Rohr DIN 19 537 - DN 500 x 12 - 4
HDPE
DN 500
4
12 m
Für Rohre aus hochdichtem Polyethylen werden analog zu DIN 1986 Teil 2 für die
Nennweite 125 (DN 125) innerhalb einer Reihe zwei Außendurchmesser angegeben. Diese
Norm enthält zwei weitere Nennweiten (DN 200 und DN 250), für die zwei
Außendurchmesser angegeben werden. Bei Bestellung eines solchen Rohres ist der
Außendurchmesser d
1
zusätzlich anzugeben. Die Bezeichnung lautet dann z.B. für ein Rohr
aus HDPE mit der Nennweite DN 125, dem Außendurchmesser d
1
= 140 mm und der
Baulänge l = 6 m der Reihe 4: Rohr DIN 19 537 - DN 125 - 140 x 6 - 4 [44].
Für das Erscheinungsbild von Kunststoffrohren gilt:
Die Rohre müssen außen und innen eine dem Herstellungsverfahren entsprechend glatte
Oberfläche haben und sollen gerade sein. Sie müssen frei von Inhomogenitäten (auch
Fremdkörper) sein und keine Poren, Blasen, Risse oder sonstige Fehler enthalten. Die
Funktion der Rohre darf nicht beeinträchtigt werden. Geringfügige Wellen und flache Riefen
sowie dadurch bedingte Unregelmäßigkeiten in der Wanddicke sind zulässig, soweit die
Grenzabmaße eingehalten, die Mindestwanddicke nicht unterschritten und die sonstigen
Anforderungen hierdurch nicht beeinträchtigt werden. Unzulässig sind in jedem Fall
scharfkantige Riefen. Die Rohrenden müssen senkrecht zur Rohrachse geschnitten, glatt
und gratfrei sein [40] [43] [44]. Daraus folgt, dass zur Beschichtung nach abgeschlossenem
Rohrherstellungsprozess keine weiteren Bearbeitungsmaßnahmen am Rohr notwendig sind
und einfache Reinigungsmaßnahmen wie z.B. Spülen mit Reinigungslösungen zum Lösen
von Verunreinigungen von der Oberfläche der Innenseite der Rohre genügen.
Gerade Rohre werden entweder mit zwei glatten Enden oder einem glatten Ende und Muffe
oder beidseitigem Verbindungselement, z.B. Gewinde, ausgeführt. Glatte Enden können
unter einem Winkel von 15° bis 45° zur Rohrachse an geschrägt werden, wobei eine
Mindestwanddicke gemäß Norm gewährleistet sein muss. Glatte Rohrenden müssen
entgratet sein [45] [48] [54]. Die nachfolgenden Abbildungen stellen die wichtigsten
Rohrausführungen bezüglich ihrer Enden dar. Diese müssen gegebenenfalls frei von
Details
- Seiten
- Erscheinungsform
- Originalausgabe
- Jahr
- 2006
- ISBN (eBook)
- 9783836601368
- ISBN (Paperback)
- 9783836651363
- DOI
- 10.3239/9783836601368
- Dateigröße
- 3.7 MB
- Sprache
- Deutsch
- Institution / Hochschule
- Universität Duisburg-Essen – Fakultät für Ingenieurswissenschaften, Energie- und Umweltverfahrenstechnik
- Erscheinungsdatum
- 2007 (Januar)
- Note
- 2,3
- Schlagworte
- ingenieurswissenschaft maschinenbau sol-gel beschichtung mechanical engineering
