Verschleiß von Thermoelasten

Unter Oxidation eines Kunststoffes versteht man eine Versprödung durch Einwirkung von Sauerstoff und Wärme. Sie führt zum Abbau der Molekülkettenstruktur (siehe auch Alterung). Da man die Eigenschaft kennt, gibt man bei der Rohrherstellung dem Rohstoff Antioxidantien hinzu, d. h. die Rohre erhalten eine spezielle Wärmestabilisierung. Dadurch wird die Alterungsbeständigkeit auf ein so hohes Niveau gehoben, dass mit einer thermisch oxidativen Änderung bei bestimmungsgemäßer Anwendung über den Gebrauchszeitraum nicht zu rechnen ist.

Das Wort „Kriechen“ wird sehr oft im Zusammenhang mit Verbindungsteilen, z. B. Kupplungen, Klemmverbindungen genannt. Es bedeutet im Prinzip nichts anderes als die Auswirkung einer Relaxation. An metallischen Rohrverbindern nach DIN 8076 wird der Kunststoff durch Anpressen und Klemmen gehalten. Unter Einwirkung der Kraft verändert der Werkstoff seine Form, ein Vorgang, der temperatur-, zeit- und werkstoffabhängig ist. Aufgrund der unterschiedlichen Molekülstruktur der verschiedenen Rohrwerkstoffe, zeigen diese im Hinblick auf „Kriechen“ ein unterschiedliches Verhalten. PE-X-Werkstoffe zeigen aufgrund der Raumnetzgitterstruktur nur ein geringes Kriechverhalten (siehe auch Kapitel 29, Rohrverbindungen).

Wird ein Heizrohr aus PP oder PB beim Biegen abgeknickt, so wird unmittelbar an der Knickstelle eine weiße Verfärbung sichtbar. Diese Zone nennt man Weißbruch. Er beruht auf der Bildung sog. „crazes“, das sind im Material verteilte mikroskopisch kleine Fehlstellen, die im allgemeinen nicht leer sind, sondern polymeres Material wesentlich niedrigerer Dichte als die des ungestörten Materials enthalten. Durch die übermäßige Dehnung der Außenfaser kommt es besonders in den kristallinen Bereichen zu Verstreckungen. Diese Verstreckungen erscheinen bei entsprechender Lichteinwirkung als Trübung. Diese Trübung tritt beim Knicken von PE-X-Rohren, die in der Schmelze vernetzt wurden, nicht auf. Das Raumnetzgitter behindert bei der Abkühlung die Ausbildung ausgeprägter kristalliner Strukturen, wie sie vor der Vernetzung in PE vorhanden waren. Die zurückgebildeten Kristallite sind kleiner. Bei allen PE-X-Rohren, gleichgültig nach welchem Verfahren hergestellt, lassen sich Knickstellen durch Erwärmung über den Kristallitschmelzpunkt beseitigen. Da die Kristallinität eines elektronenstrahlvernetzten Rohres größer ist, entsteht hier beim Aufbiegen eine Trübung, die sich jedoch durch örtliche Erwärmung über den Kristallitschmelzpunkt beseitigen lässt. Die kristallinen Bereiche sind nur gering vernetzt und ermöglichen daher bei Aufwärmung eine Rekombination der Kristallite. Im Umluftofen zeigen sich jedoch nach Warmlagerung unter erhöhten Temperaturen Unterschiede in der Wärmealterungsstabilität der reparierten Knickstellen im Vergleich zum unbehandelten Rohr. Die kurz zeitig thermisch hoch beanspruchten Stellen altern schneller. Deshalb können nur sehr gut wärmealterungsstabilisierte PE-X-Rohre einer derartigen Behandlung unterzogen werden.

Der Umgang mit Heizrohren erfordert eine besondere Sorgfalt. Dennoch können Kratzer, Kerben, Schläge und Stöße die Rohroberfläche beschädigen, sowohl beim Transport als auch während und nach der Verlegung. Von diesen kleinsten Beeinträchtigungen der Heizrohroberfläche können insbesondere bei PP- und PB-Rohren in gebogenen Rohrstücken Risse und Schädigungen ausgehen. Dieser Vorgang lässt sich besonders gut am Beispiel eines gebogenen Zweiges eines Baumes erläutern. Er wird sich zunächst bis zu einem entsprechenden Punkt ohne Bruch biegen lassen. Wird der gleiche Versuch mit einem leichten Ein schnitt der Oberfläche durchgeführt, so bricht er vorzeitig ab. Bei niedrigen Verlegetemperaturen ist die Kerbschlagzähigkeit besonders wichtig. Polypropylenheizrohre (PP) können bereits bei kleinen Kerben und Umgebungstemperaturen von ca. 5 °C, wenn sie zu eng gebogen werden, wie ein Glasstab auseinanderbrechen. Deshalb empfiehlt sich bei tiefen Verlegetemperaturen die Warmverlegung.

Unter Einwirkung innerer und äußerer Spannung (Verlegung !) können in Verbindung mit spannungsrissbildenden (oberflächenaktiven) Mitteln an Kunststoffen Spannungsrisse entstehen. Eine besonders starke Wirkung haben Siliconöle und ätherische Öle sowie wässrige Lösungen von oberflächenaktiven Substanzen, wie Spül- und Waschmittel, Seifen, Emulgatoren und dergleichen. Ferner Alkohole, organische Säuren u. a. Auch wässrige Lösungen von Alkalien, z. B. von Ätznatron, Soda und Wasserglas können, wenn auch in geringem Maß, diese Rissbildung verursachen. Die Wirkung dieser Stoffe beruht vermutlich darauf, dass unter der Einwirkung der Substanzen eine Quellung des Kunststoffes einsetzt und dass niedermolekulare Bestandteile aus dem Kunststoff herausgelöst werden. Dadurch können in den unter Spannung stehenden Zonen Gleitvorgänge ausgelöst werden, deren Folge dann Rissbildung ist. Ein Werkstoff ist um so mehr gefährdet, je größer die Strukturgrenzen, die Dehnung und die Quell- und Lösungstendenzen sind. Durch die Raumnetzgitterstruktur sind die Quell- und Lösungstendenzen beim PE-X nur gering. Sie sind deshalb gegen Spannungsrissbildung weitgehendst beständig. Bei Verwendung von PP-Rohren ist besonders darauf zu achten, dass sie nicht zu eng gebogen werden und nicht mit den zuvor genannten Stoffen in Berührung kommen.

Werden Heizrohre im kalten Zustand gebogen, so stellen sich im Inneren des Werkstoffes Spannungen ein. Wird das gebogene Heizrohr nicht in seiner Lage befestigt, so wird es aufgrund der inneren Spannungen nahezu bis zum Ausgangszustand zurückfedern. Die Werkstoffe zeigen in diesem Punkt ein unterschiedliches Verhalten. Durch Einwirkung von Wärme können sich vorhandene Spannungen in Bögen schneller abbauen. Diesen Vorgang bezeichnet man als Relaxation; sie ist temperatur-, werkstoff- und zeitabhängig. Deshalb wird u. a. aufgrund der geringen Flexibilität von PP-Rohr im kalten Zustand die Warmverlegung bei erhöhten Temperaturen empfohlen. Untersuchungen des Süddeutschen Kunststoffzentrums SKZ haben ergeben, dass Rohre aus PP und PE-X relativ schnell relaxieren, während PB-Rohre zwar eine hervorragende Flexibilität aufweisen, im Hinblick auf Relaxation jedoch ungünstiger abschneiden.

Bei PE-X-Rohren spricht man von vernetztem Polyethylen. Die Bezeichnung „Vernetzung“ bedeutet keineswegs eine äußerlich sichtbare Veränderung des Werkstoffes bzw. Ergänzung eines Gewebenetzes oder einer mechanisch festigenden Einlage. Polypropylen (PP) und Polybutylen (PB) bestehen aus unvernetzten Molekülketten, die eine Aufschmelzung und erneute Formgebung ermöglichen (daher auch schweißbar). Auch der Werkstoff Polyethylen (PE) hat diese vorgenannte Struktur. Die Gebrauchseigenschaften zur Verwendung als Heizrohr lassen sich durch Vernetzung verbessern, es entsteht ein PE-X (alte Bezeichnung VPE). Unter Vernetzung versteht man die gegenseitige Verknüpfung von Molekülketten durch Hauptvalenzbindungen. Die ursprünglich verbundenen Molekülketten werden so untereinander verknüpft, dass ein dreidimensionales Raumnetzwerk entsteht. Durch diese Molekularstruktur entstehen die besonderen Eigenschaften (siehe auch Kapitel 5.4. Rohre aus PE-X).

Es ist eine bekannte Tatsache, daß Kunststoffe gasdurchlässig sind. Bei unbeschichteten Rohren besteht die Möglichkeit, dass von außen her Sauerstoff durch die Rohrwand hindurch in das Heizungswasser eindringt. Dort kann er möglicherweise mit Stahlbauteilen der Anlage reagieren. Durch die Verbindung wird dem Heizungswasser der Sauerstoff entzogen, so dass erneut Sauerstoff eindiffundieren kann. Neben dem Eindringen von Sauerstoff durch Diffusionsvorgänge am Kunststoff-Heizrohr gibt es jedoch noch zusätzliche Möglichkeiten der Einschleusung.

Unter Alterung ist bei Kunststoffen eine Versprödung durch den Molekularkettenabbau zu verstehen. Unter Kettenabbau versteht man ein Zerschneiden oder Brechen der langen Molekülketten. Dieser Abbau wird sowohl durch Wärme in Verbindung mit Sauerstoff (thermische Oxidation) als auch durch ultraviolette Bestrahlung hervorgerufen. Auch Metallionen können durch ihren katalytischen Einfluss die Alterung beschleunigen. Deshalb werden Heizrohre durch geeignete Antioxidantien stabilisiert. Um eine Aussage über das Langzeitverhalten bei hohen Temperaturen treffen zu können, wird u. a. die Thermostabilität bei erhöhten Temperaturen festgestellt. Kurzzeitprüfwerte allein lassen noch keine Rückschlüsse auf die Beständigkeit eines Werkstoffes gegen Wärmealterung zu. Zusätzlich muss auch die Extraktionsstabilität (Stabilisatorauswaschung, durch fließendes Wasser) untersucht werden. In dieser Hinsicht sind PP- und PB-Rohre empfindlicher als PE-X-Rohre.