Demonstrator aus PPS für Wärmetauscher-Anwendungen

Demonstrator aus PPS für Wärmetauscher-Anwendungen (Bild: Technoform)

Als Reaktion auf die zunehmenden Bedenken hinsichtlich der Umwelt- und Gesundheitsrisiken im Zusammenhang mit per- und polyfluorierten Alkylsubstanzen (PFAS) sucht die Industrie vermehrt nach Alternativmaterialien, die eine vergleichbare Leistung ohne die damit verbundenen Nachteile bieten. Unter den potenziellen Ersatzstoffen zeichnet sich Polyphenylensulfid (PPS) als vielversprechender Kandidat aus, der eine einzigartige Kombination von Eigenschaften aufweist, die ihn zu einer attraktiven Option für viele Anwendungen macht. Welche Vorteile bietet PPS und wann kann es Fluorpolymere ersetzen? Welche Nachhaltigkeitsbedenken müssen berücksichtigt werden?

Deshalb sollen PFAS reguliert werden

Der weit verbreitete Einsatz von PFAS in zahlreichen industriellen Anwendungen, von Löschschaum bis zu Antihaftbeschichtungen, hat zu einer Kontamination von Wasserquellen und Ökosystemen weltweit geführt. Angesichts der schädlichen Auswirkungen von PFAS auf die menschliche Gesundheit und die Umwelt hat beispielsweise die europäische Chemikalienagentur (Echa) einen Prozess begonnen, um den Einsatz stark einzuschränken oder zu verbieten. Aufgrund dieser Einschränkungen muss die Industrie ihre Abhängigkeit von fluorhaltigen Werkstoffen überdenken und nach Alternativmaterialien suchen.

Was Sie über PFAS wissen müssen

Übersichtsgrafik zu PFAS.
Wissenswertes zu PFAS finden Sie in unserem Übersichtsartikel. (Bild: Francesco Scatena – Stock.adobe.com)

Fluorpolymere und weitere fluorhaltige Substanzen sollen verboten werden. Eine ihrer herausragenden Eigenschaften – die Beständigkeit – könnte ihr Verbot bedeuten. Für Sie haben wir das Thema PFAS aus verschiedenen Blickwinkeln während der Widerspruchsfrist beleuchtet und halten Sie künftig zu PFAS-Alternativen auf dem Laufenden. Alles, was Sie zum Thema wissen sollten, erfahren Sie hier.

Weshalb es schwierig ist Fluorpolymere zu ersetzen

Obwohl das Vermeiden von PFAS unumgänglich ist, stellt die Suche nach geeigneten Alternativen eine komplexe Herausforderung dar. Fluorpolymere werden aufgrund ihrer herausragenden Eigenschaften in vielen unterschiedlichen Anwendungen eingesetzt. Sie bieten eine Kombination aus chemischer Stabilität, Hitzebeständigkeit, abweisenden Eigenschaften gegenüber Wasser und Öl, niedrigem Reibungskoeffizienten und vielen weiteren Vorteilen.

Bei der Auswahl von möglichen Alternativmaterialien müssen einerseits möglichst vergleichbare Vorteile vorhanden sein, andererseits aber auch Bedenken hinsichtlich Toxizität, Persistenz und Umweltauswirkungen berücksichtigt werden. Darüber hinaus ist die Kompatibilität mit vorhandenen Herstellungsprozessen und Lieferketten entscheidend, um einen reibungslosen Übergang zu ermöglichen. Dies macht eine Materialauswahl sehr komplex und führt dazu, dass bei jedem Ersatz von PFAS die vorhandenen Randbedingungen genau geprüft werden müssen. Diese Bedingungen führen zu einer individuell abgestimmten Auswahl eines Ersatzwerkstoffs, da kein anderer Werkstoff eine Kombination aller positiven Eigenschaften von Fluorpolymeren aufweist.

Eigenschaften des Alternativmaterials PPS

Eine vielversprechende Lösung für den Ersatz stellt das PPS dar. Es weist eine Reihe von Eigenschaften auf, die es für eine Vielzahl von Anwendungen als Werkstoff gut geeignet machen. Dazu gehören:

  1. Thermische Stabilität und Leistung: PPS besitzt eine hervorragende thermische Stabilität und weist einen Schmelzpunkt von über 280 °C auf. Diese inhärente Hitzebeständigkeit macht PPS zu einem Werkstoff für Hochtemperaturanwendungen in Branchen wie der Automobilindustrie, der Luft- und Raumfahrt, sowie der Elektronikindustrie. Der Hochleistungskunststoff behält auch unter extremen Bedingungen seine strukturelle Integrität und Leistung bei, was Zuverlässigkeit und Langlebigkeit gewährleistet.
  2. Chemische Beständigkeit und Haltbarkeit: PPS verfügt über eine außergewöhnliche Beständigkeit gegen eine Vielzahl von Chemikalien, einschließlich Säuren, Basen, Lösemitteln und andere aggressive Substanzen. Aufgrund dieser Eigenschaft ist es geeignet für Anwendungen in aggressiven und hochkorrosiven Umgebungen, wie beispielsweise in chemischen Verarbeitungsanlagen oder Kraftwerken.
  3. Mechanische Eigenschaften: PPS als Hochleistungskunststoff besitzt eine gute Formstabilität, Steifigkeit und Festigkeit. Die Eigenschaften können abhängig vom Einsatzzweck mit verschiedenen Füllstoffen wie Glasfasern modifiziert werden.

Diese Praxisanwendungen zeigen Potenziale auf

Während die Industrie beginnt nachhaltige Alternativen anzunehmen, werden Austausch und Innovation entscheidend sein, um das volle Potenzial zu entfalten. Forschung und Industrie müssen zusammenarbeiten, um PPS-Typen auf benötigte Eigenschaften einzustellen, neue Anwendungen zu entwickeln und Produktionsprozesse zu optimieren.

Das Technoform Kunststoffprofile hat sich auf die Extrusion von Kunststoffprofilen spezialisiert und verarbeitet hauptsächlich faserverstärkte Thermoplaste. Durch ein besonderes Extrusionsverfahren ist es dem Unternehmen möglich, eine Vielfalt von technischen und Hochleistungspolymeren (auch Spritzgusstypen) zu verarbeiten. Mit diesem Verfahren wird ebenso verstärktes und unverstärktes PPS extrudiert.

Ein Beispiel für die erfolgreiche Verwendung von PPS ist der Einsatz in hochkorrosiven Umgebungen wie in Wärmetauschern oder bei der Rauchgasreinigung in Kohlekraftwerken. Hierfür produziert das Unternehmen graphitverstärkte Rohre und glasfaserverstärkte Strukturbauteile („Support Tube Sheets“) aus PPS, um bei diesen Anwendungen PTFE zu ersetzen.

Die Kombination aus PPS-Rohren und PPS-Strukturbauteilen führt zu korrosiv optimierten Wärmetauschern. Diese besitzen einen langen Produktlebenszyklus und reduzieren die Investitionskosten.

Einsatzgebiet des zusammen mit W. L. Gore & Associates. entwickelten PPS-Rahmens.
Einsatzgebiet des zusammen mit W. L. Gore & Associates. entwickelten PPS-Rahmens. (Bild: Technoform)

Eine weitere Anwendung für PPS stellt eine Rahmenkonstruktion dar, welche in einem Entwicklungsprojekt für die Rauchgasbranche entstanden ist. Die Profile des Rahmens werden aus faserverstärktem PPS hergestellt und in Rauchgaswäschern in Kohlekraftwerken eingesetzt. Die Rahmen dienen dazu, Filter zu fixieren, welche Quecksilber und Schwefeldioxid aus den Abgasen der Kraftwerke filtern. Dabei sind die PPS-Profile sowohl einer erhöhten Temperatur als auch hochkorrosiven Chemikalien (HCl, H2SO4, HF, HNO3), die sich an den Filtern abscheiden, ausgesetzt.
Durch den Einsatz der aufgezeigten PPS-Lösung wird im Vergleich zu Rahmen aus teuren Speziallegierungen eine Verbesserung der Langlebigkeit sowie der mechanischen Eigenschaften bei gleichzeitiger Kostenersparnis erreicht.

Rahmenstruktur
PPS-Rahmenstruktur (Bild: Technoform)

Individuelle Entscheidung notwendig

Polyphenylensulfid erweist sich mit seiner außergewöhnlichen thermischen Stabilität, chemischen Beständigkeit und den Vorteilen für die Umwelt in vielen Anwendungen als nachhaltige und umweltverträgliche Alternative zu PFAS. Trotzdem muss in jedem Anwendungsfall eine individuelle Materialprüfung stattfinden, da PPS nicht in jedem Fall als Ersatz dienen kann. Es bietet eine überzeugende Lösung für viele Herausforderungen, die durch kommende PFAS-Verbote entstehen werden. Durch den Einsatz von PPS kann die Industrie regulatorische Anforderungen erfüllen, Risiken mindern und sich auf eine nachhaltigere Zukunft zubewegen.

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