Ein Vergleich zu PTFE
Weshalb spielen Diffusionsvorgänge in der Getränkeabfüllung eine Rolle?
Abgefüllte Getränke, allen voran Bier, sollen auf dem Weg zum Verbraucher möglichst keinen Qualitätsverlust erleiden. Tritt während des Abfüllprozesses Sauerstoff hinzu, können chemische Prozesse in Gang gesetzt werden, die die Zusammensetzung und damit den Geschmack beeinflussen bzw. sogar die Haltbarkeit reduzieren können. Beides ist unerwünscht und wird deshalb versucht zu vermeiden. Bisher war es so, dass neben EPDM und FKM hauptsächlich PTFE und modifiziertes PTFE (z. Bsp. TFM®) als Dichtungs- bzw. flexibler Leitungswerkstoff (also sog. „Teflonleitung“) eingesetzt wurden. Insbesondere während anlagenbedingter Stillstände konnten Gase aus der Atmosphäre aufgrund des osmotischen Drucks eindiffundieren und nachweislich, beispielsweise, die Sauerstoffkonzentration in den Getränken erhöhen.
Weshalb ist Teflon nicht diffusionsdicht?
Obwohl der Thermoplast PTFE im Vergleich zu den verwendeten Elastomeren als diffusionsdichter gilt, weist ausgerechnet dieses Fluorpolymer, mit seinen herausragenden Eigenschaften, trotzdem noch Defizite auf. Das liegt zum einen daran, dass es sich um einen Press-Sinterwerkstoff mit Mikroporen handelt, die fertigungsbedingt entstehen. Zum Anderen, können sich die Makromoleküle wenig aneinander anschmiegen, woraus ein weniger dichtes Gefüge resultiert. Als letztes sind die zwischenmolekularen (sog. Van-der-Waals-) Kräfte aufgrund der starken C-F (Kohlenstoff-Fluor-) Verbindung äußerst gering. Diese Kohäsionskräfte sorgen normalerweise bei Thermoplasten dafür, dass die einzelnen Moleküle aneinanderhaften und so den Weg für Gase versperren.
Gibt es einen diffusionsdichteren, vergleichbaren Werkstoff zu PTFE, ohne erhebliche Nachteile zu riskieren?
UHMW-PE (ORGANOR® P1) ist vom Aufbau fast identischen zu PTFE. Auch UHMW-PE hat sehr langkettige, eindimensionale Polymere mit Kohlenstoff- Hauptketten, dessen Makromoleküle keine gegenseitigen Vernetzung besitzen. Bei UHMW-PE befinden sich lediglich Wasserstoffatome (H) statt Fluoratome (F) als Abschirmung an den Kohlenstoff-Hauptketten. Deshalb ist es auch frei von PFAS (per- und polyfluorierte Alkylsubstanzen). Die Van-der-Waals-Kräfte sind hier deutlich höher, was zu einem signifikant dichteren Gefüge führt. Dies wurde nun im Rahmen einer Abschlussarbeit in Zusammenarbeit mit der FH Münster, von einem Bacheloranten, auf Initiative der bock machining gmbh nachgewiesen.
Wie wird die Diffusionsdichte/Permeation von Gasen gemessen?
Gaspermeation
„Der Permeationskoeffizient ist eine Stoffkonstante, deshalb ist seine Bestimmung nicht an ein bestimmtes Prüfverfahren oder eine bestimmte Probenform gebunden.“[DIN 53536 Okt. 1992] Das Prüfkonzept ist an die DIN 53380-2 angelehnt. Zur Reduzierung der Messdauer und Erhöhung der Nachweisempfindlichkeit wurden Anpassungen im Konzept vorgenommen. Der Prüfaufbau besteht aus zwei Kammern, die durch den Prüfkörper voneinander getrennt sind. Eine Kammer wird mit dem Prüfgas beaufschlagt, während die gegenüberliegende Kammer evakuiert wird. Der daraus entstehende Konzentrationsgradient sorgt für einen definierten Diffusionsstrom durch den Probenkörper in eine Richtung. Nach einer materialspezifischen Einstellphase stellt sich ein stationärer Diffusionsstrom ein. Dieser konstante Diffusionsstrom dient als Grundlage zur Ermittlung der Permeationrate. Die nachfolgende Abbildung 1 zeigt eine Prinzipskizze des Prüfsystems.
Die Messung erfolgt im Wesentlichen durch die Zunahme des Partialdrucks in der Messkammer. Das evakuierte Volumen aus der Messkammer wird permanent massenspektrometrisch gemessen und gibt so die Konzentration des Prüfgases wieder. Die Permeationsmessung wird mit drei Druckstufen durchgeführt, 2bar, 4bar und 6bar. Durch die Druckbeaufschlagung der Kammer 1 und der Evakuierung von Kammer 2 ergibt sich jeweils eine Druckdifferenz von 3bar, 5bar und 7bar. Die Messung wird bei einer Raumtemperatur von 23°C durchgeführt.
Das Prüfgas ist Helium.
Permeationsmessung
In der folgenden Abbildung 2 ist die Permeationsmessung von M4b dargestellt, um das Vorgehen und die gewählten Messpunkte zu erläutern. Die dazu gehörige Tabelle 1 zeigt die genauen Messpunkte und Werte.
Die Messpunkte beginnen ca. 10min., nachdem sich ein konstanter Stoffstrom eingestellt hat. Die Druckstufe mit 6bar wurde für eine längere Zeit gehalten, um zu ermitteln, wie sich der Stoffstrom nach längerer Prüfzeit verändert. Nach einer Zeitdifferenz von 135,8min. von Messpunkt 3 zum Referenzpunkt besteht ein Unterschied von 3,9% in der Leckagerate. Daraus folgt, dass in den ersten 10min., nachdem sich ein konstanter Stoffstrom eingestellt hat, ein konstanter Volumenstrom entsteht und das Messsignal zu 95% ermittelt wird.
| Zeit [min] | Leckage [mbar⋅𝑙/𝑠] | |
| Messpunkt 1 | 20,3 | 1,39E-04 |
| Messpunkt 2 | 29,4 | 2,52E-04 |
| Messpunkt 3 | 43,5 | 3,68E-04 |
| Referenzpunkt | 179,3 | 3,83E-04 |
Kann der thermische Einsatz von UHMW-PE erweitert werden?
In der Getränkeabfüllung sind in den Anlagen zwei Temperaturniveaus als gegeben hinzunehmen: CiP (Clean in Process) bei bis zu 95°C. Dampfsterilisation bei bis zu 121° C. Bisher konnte UHMW-PE (ORGANOR® P1), selbst bei mäßiger mechanischer Beanspruchung, lediglich Anwendung bis ca. 80°C abdecken. Mit ORGANOR® P25 hat die bock machining gmbh ein modifiziertes UHMW-PE entwickelt, dass sich auch für diese Einsätze eignet und noch dazu diffusionsdichter als bekanntes PE 1000 ist. Überdies konnten die ohnehin herausragenden mechanischen Werte nochmals verbessert werden.
Siehe auch:
➥PFAS-freie, wärmeformbeständige Kunststoffe: Stand der Technik
Welche Bauteile lassen sich aus modifiziertem UHMW-PE herstellen?
ORGANOR® P25 ist ebenso ein Press-Sinterwerkstoff, der spangebend verarbeitet wird. Das macht ihn zur ersten Wahl bei Anwendungen in der Lebensmittelindustrie, wo es auf physiologische Unbedenklichkeit, Biegewechselfestigkeit und Reinigbarkeit (bis ca. 125°C) darauf ankommt. Egal ob Membranen, Faltenbälge, statische Dichtungen oder flexible Produktleitungen, alle Bauteile aus PTFE , die spangebend hergestellt werden, sind dafür prädestiniert, ersetzt zu werden. Damit hat man nicht nur ein, um den Faktor 10, diffusionsdichteres Gefüge, sondern ist nebenbei auch noch PFAS-frei unterwegs.
- P25 = ORGANOR® P25 = modifiziertes UHMW-PE
- P1 = ORGANOR® P1 =UHMW-PE
- M4b = ENDUFLON® M4b = modifiziertes PTFE
- V1 = ENDUFLON® V1 = PTFE
Teflon® ist ein eingetragenes Warenzeichen der The Chemours Company.
Ihr Stefan Bock
