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24.03.2010

Gesetze kurbeln Innovationen an

Benzintanks – Polyamid 6 hält dicht

Ein neues Polyamid 6 erfüllt kürzlich verschärfte und kommende strengere Auflagen an das Permeationsverhalten und die Zähigkeit von Kraftstofftanks für Motorräder und kleinere Otto-Motoren. Der blasformbare Werkstoff ist eine Alternative zu bisher für Tanks eingesetzte Materialien wie Polyethylen hoher Dichte, Kunststoff-Mehrschichtverbünde, Stahlblech und Aluminium.

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Die Verwendung von Kunststoff-Benzintanks ist in vielen Fällen problematisch, weil beträchtliche Mengen an Kraftstoff durch die Tankwände diffundieren. Der als Permeation bezeichnete Vorgang ist unter anderem für die Verschmutzung der Atmosphäre mit Kohlenwasserstoffen verantwortlich. Grund ist die weltweit große Zahl an Otto-Motoren, mit denen nicht nur Autos, sondern auch Motorräder und nicht straßengebundene Verbrennungsmaschinen wie Rasenmäher, Laubsauger oder auch motorbetriebene Wassersportgeräte ausgestattet sind.

Angesichts der Umweltbelastung durch diese Emissionen und ihren Einfluss auf das Klima werden weltweit die Auflagen an das Permeationsverhalten von Tanks für Otto-Motoren verschärft.
So hat die US-Umweltbehörde EPA (Environmental Protection Agency) in ihrer Richtlinie EPA 40 CFR auch den Grenzwert für die Permeation aus Kunststoff-Motorradtanks auf 1,5 Gramm pro Quadratmeter Innenoberfläche und Tag (g/m2/d) herabgesetzt. Diese Regelung gilt auch für Treibstoff-Kanister und für Tanks kleinerer Otto-Motoren etwa in Gartengeräten, Motorsägen, Baumaschinen, mobilen Stromgeneratoren, Booten und anderen Wasserfahrzeugen. In Europa ist nach der Richtlinie 97/24/EG des Europäischen Parlaments und des Rates derzeit für Kunststoff-Motorradtanks noch ein Grenzwert von 20 g/m2/d gültig. Doch wird die zuständige UN-Wirtschaftskommission für Europa (ECE, Economic Commission for Europe) in Kürze den Grenzwert deutlich senken und sich dabei an der EPA orientieren.

Alternative zu HDPE

Für die Tanks vieler mit Otto-Motoren betriebener Geräte und Fahrzeuge, aber auch für die Tanks von Motorrädern wurde als Kunststoff bisher Polyethylen hoher Dichte (HDPE) eingesetzt. Dieses stößt aber mit seinem Permeationsverhalten an seine Grenzen, denn die entsprechenden Raten liegen um ein Vielfaches über dem von der EPA geforderten Grenzwert. Zwar verbessert ein nachträgliches Fluorieren des blasgeformten Tankbehälters deutlich dessen Sperrwirkung gegen Kohlenwasserstoffe. Doch bedeutet dies einen weiteren Prozessschritt in der Fertigung, der auch wegen der chemischen Aggressivität von Fluor und aus Gründen des Umweltschutzes mit einem kostenintensiven apparativen und sicherheitstechnischen Aufwand verbunden ist. Zudem haben Tanks aus HDPE den Nachteil, dass ihre Wände hohe Mengen an Kraftstoff aufnehmen. Das Materialrecycling am „Lebensende“ des Bauteils ist dadurch erschwert.

Ein neuerer Ansatz in der Materialentwicklung für Kunststofftanks sind Blends aus HDPE und Polyamid. Deren Permeationsverhalten ist zwar besser, doch sind die Tanks wegen der schlechten Verträglichkeit beider Materialien vergleichsweise spröde, was zu schlechten Ergebnissen in Aufpralltests führt.

Hohe Permeationsbeständigkeit und Zähigkeit

Als Alternative zu HDPE und anderen Tankmaterialien entwickelt Lanxess deshalb neue Werkstoffe auf Basis von Polyamid 6. Sehr vielversprechend ist zurzeit das unverstärkte, schlagzähmodifizierte Durethan TP 142–011. Es zeigt eine hohe Sperrwirkung gegen Otto-Kraftstoffe, weshalb der in der EPA-Prüfvorschrift geforderte Permeationsgrenzwert deutlich unterschritten wird. Bei der Materialentwicklung wurde darüber hinaus großer Wert auf die Schlagzähigkeit des Polyamids gelegt. Hintergrund sind die strengen Auflagen, die der Verband US-amerikanischer Automobilingenieure (Society of Automotive Engineers) in seiner Empfehlung SAE J1241 an die Aufprallbeständigkeit von Motorradtanks stellt. So sind unter anderem Pendelschlagversuche an gealterten Tanks bei –20 °C und 60 °C unter verschiedenen Aufprallwinkeln vorgeschrieben, die nicht zu Lecks führen dürfen.

Der Werkstoff ist als „Einstofflösung“ eine wirtschaftliche Alternative zur Herstellung von Tanks im Coex-Blasverfahren, bei dem mehrere Schichten verschiedener Kunststoffe miteinander verbunden werden. Die Permeationssperre dieser Verbünde beruht meist auf einer polaren Schicht aus Ethylenvinylalkohol-Copolymer (EVA). Das auch bei der Produktion von Automobiltanks verbreitete Verfahren ist allerdings aufwendig und teuer.

Beständig gegen ethanolhaltige Benzine

Aluminium hat den Nachteil, dass es empfindlich auf das in Biokraftstoffen enthaltene Ethanol reagiert. Letzteres ist hygroskopisch. Steigende Ethanol-Gehalte bedeuten daher auch einen höheren Wasseranteil im Benzin, der Auslöser von Korrosionsprozessen im Tank sein kann. Es bilden sich Partikel, die etwa Filter und Leitungen verstopfen und dem Motor schaden. Der Effekt lässt sich mit einer Innenbeschichtung der Tanks oder durch den Einsatz von Aluminiumlegierungen unterdrücken. Allerdings verursachen diese Maßnahmen höhere Bauteilkosten. Das weichmacherfreie Polyamid 6 ist dagegen den zurzeit in Biotreibstoffen üblichen Ethanol-Gehalten gewachsen. Es kann davon ausgegangen werden, dass es sich als Tankmaterial ebenfalls für Benziner der Klasse E85 (85 Prozent Ethanol-Gehalt) eignet.

Damit ist es auch eine Alternative zu Bootstanks aus duroplastischen Compositen, die in der Vergangenheit oft eine Unverträglichkeit gegenüber Ethanol-haltigen Kraftstoffen zeigten. Letztere lösten teilweise Komponenten der Kunststoffmatrix auf, die sich dann in den Ansaugventilen ablagerten und zu Motorschäden führten.
Das strukturviskose Polyamid zeigt eine hohe Schmelzesteifigkeit. Selbst große extrudierte Vorformlinge längen sich daher unter ihrem Gewicht vor dem Aufblasen im Werkzeug kaum aus, so dass entsprechend große Tanks blasformbar sind. Der Werkstoff ergibt gleichmäßige, direkt lackierbare Oberflächen und gute Quetschnahtqualitäten. Produktionsbedingte Abfälle wie Butzen lassen sich gut rezyklieren und können mit Neuware ohne größere Eigenschaftsverluste wieder in den Fertigungsprozess zurückgeführt werden.
Eine Unterstützung der Tankhersteller mit umfangreichen Leistungen sind Teil von HiAnt, einer neuen Marke, die für den maßgeschneiderten Service und das profunde Produkt-, Anwendungs-, Verfahrens- und Technologie-Know-how, das sich hinter den entsprechenden Polyamiden und PBT-Kunststoffen verbirgt, steht. Zum Beispiel helfen Konstrukteure des Unternehmens, Tanksysteme mit Hilfe von CAE-Tools geometrisch richtig auszulegen, damit sie die mechanisch-dynamischen Anforderungen erfüllen.

Support für Anwender nach Maß

So können etwa Aufschlag-, Einschlag- und Kugelfalltests simuliert werden. Der Kundensupport erstreckt sich auch auf Bauteilprüfungen. Beispielsweise werden Druckwechselprüfungen sowie Tests durchgeführt, die das Permeationsverhalten von Tanks untersuchen. Im Shaker-Technikum in Dormagen können an Tanks verschiedenste Schwingprüfungen vorgenommen werden – auf Wunsch in Kombination etwa mit Klimatests.

Außerdem begleitet das Unternehmen den für Tankhersteller wichtigen Trend zur Nutzung von Biokraftstoffen durch Materialentwicklungen und beschleunigte Langzeituntersuchungen. So wurden verschiedene Polyamid 6- und 66-Compounds bis zu 5.000 Stunden bei 60 °C in den Ethanol-haltigen Kraftstoffen E10, E24, E85 und E100 gelagert. Fazit dieser Studien ist, dass die untersuchten Materialien gegenüber diesen Kraftstoffen beständig sind. Dabei ist ein reversibler Konditionierungseffekt zu berücksichtigen, der durch die Aufnahme von Wasser und Ethanol bedingt ist.


Kosteneffizienz
Kunststoff versus Metall

Im Vergleich zu Aluminium und Stahlblech, die ebenfalls bei der Tankfertigung zum Einsatz kommen, bietet das neue Polyamid 6 als Thermoplast mehr Freiheit in der Formgebung der oft geometrisch komplexen Tankgeometrien. Kostenintensive Umform-, Stanz-, Schweiß- und Lötschritte wie bei der Verarbeitung von Stahlblech entfallen. Kostensenkend wirkt sich das Integrationspotenzial des Kunststoffs aus. So sind bei der Tankfertigung direkt Befestigungselemente integrierbar, wobei die entsprechenden Einleger gut eingeformt werden.

 

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