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Polypropylen bzw. Polypropen (Kurzzeichen PP) ist ein teilkristalliner unpolarer Thermoplast und gehört zu der Gruppe der Polyolefine. Polypropylen wird durch Polymerisation des Monomers Propen mit Hilfe von Katalysatoren gewonnen. Für die Produktion von PP werden ungefähr zwei Drittel des weltweit hergestellten Propens verbraucht. Nach IUPAC ist die bevorzugte ausgangsmaterialbezogene Bezeichnung Polypropen; nach der Wiederholungseinheit lautet die Bezeichnung Poly(1-methylethylen), Molekülaufbau (s. "Chemischer Aufbau" Bild 1).

PP ist geruchlos und hautverträglich, für Anwendungen in der Trinkwasserversorgung, im Lebensmittelbereich und der Pharmazie ist es geeignet, da es physiologisch unbedenklich ist. Da im Gegensatz zu vielen anderen Kunststoffen die Molekülstruktur, die mittlere molare Masse, deren Verteilung, Co-Polymere sowie weitere Parameter stark variieren und somit auch die Eigenschaften beeinflusst werden können, existiert eine Vielzahl von PP-Sorten (s. Tabelle 3).

Polypropylen gehört zu den brennbaren Kunststoffen. Der Sauerstoffindex beträgt 19 % (unter 21 % gilt der Kunststoff als brennbar). PP tropft und brennt ohne zu rußen nach Entfernen der Flamme weiter. Grundsätzlich entstehen bei allen Verbrennungsprozessen toxische Substanzen, meist spielt hier Kohlenmonoxid die größte Rolle. Bei der Verbrennung von PP entstehen primär Kohlendioxid, Kohlenmonoxid und Wasser.
Nach UL94 ist PP als HB (Horizontal Burning) und nach DIN 53438-1 als K2 eingestuft. Nach DIN 4102-1 und EN 13501-1 ist PP B2 gelistet. Die Selbstentzündungstemperatur beträgt 360°C. Die Brandbekämpfung sollte mit Sprühwasser, Schaum oder Kohlendioxid vorgenommen werden.

Da es sich bei PP um ein unpolares Kohlenwasserstoffpolymerisat handelt, verhält sich Polypropylen als ausgezeichneter Isolator. Durch Verunreinigung, Einwirkung von Oxidationsmitteln oder Bewitterung können sich diese Eigenschaften wesentlich verschlechtern. Die elektrischen Eigenschaften sind nahezu unabhängig von Temperatur und Frequenz. Der spezifische Durchgangswiderstand beträgt >1016 Ωcm, die Durchschlagfestigkeit 75 kV/mm. Aufgrund der daraus resultierenden möglichen elektrostatischen Aufladung ist bei Anwendungen, bei denen Entzündungs- oder Explosionsgefahr besteht, Vorsicht geboten. Durch Verwendung eines elektrisch leitfähigen Materials wie PP-H-el kann die elektrostatische Aufladung sicher vermieden werden.

 

Chemikalien-, Witterungs- und UV-Beständigkeit

Wegen seiner unpolaren Natur weist Polypropylen eine hohe Beständigkeit gegen den Angriff durch Chemikalien auf. Die Beständigkeit von PP ist jedoch aufgrund der vorliegenden tertiären C-Atome geringer als bei PE. PP ist beständig gegen Säuren, Laugen, Lösungsmittel, Alkohol und Wasser. Fette und Öle quellen PP nur wenig an. Gegen oxidierende Säuren, Ketone, Benzin, Benzol, Halogene, aromatische Kohlenwasserstoffe, chlorierte Kohlenwasserstoffe und Kupferkontakt ist PP nicht beständig. Bei längerer Lagerung oder Verwendung im Freien wird Polypropylen wie die meisten Natur- und Kunststoffe vor allem durch die kurzwelligen UV-Anteile der Sonnenstrahlung unter Beteiligung des Luftsauerstoffs (Photooxidation) geschädigt.

 

PP-Sondertypen

Aufgrund der sehr zahlreichen spezifischen Anforderungen im chemischen Rohrleitungs- und Apparatebau wurden schwer entflammbare bzw. elektrisch leitfähige Sondertypen entwickelt. Beispielsweise können beim Betrieb von thermoplastischen Rohrleitungssystemen statische Aufladungen durch die Strömung von Flüssigkeiten oder Stäuben entstehen. Daher wurden elektrisch leitfähige Polypropylen-Typen entwickelt, damit diese Rohrleitungssysteme geerdet werden können. Durch Beimengung von Additiven werden die modifizierten Eigenschaften erreicht. Dadurch ergeben sich jedoch Veränderungen der mechanischen, thermischen und auch der chemischen Eigenschaften im Vergleich zur Standardtype.

Die Dichte von PP liegt zwischen 0,895 g/cm³ und 0,92 g/cm³. Der E-Modul von PP liegt zwischen 1.300 N/mm² und 1.800 N/mm² (bei Rohren wie z.B. Abwasserrohrsystem KG2000, Polypropylen PP-MD mit mineralischem Füllstoff modifiziert ist der E-Modul bei 3.600N/mm²). PP hat eine höhere Steifigkeit, Härte und Festigkeit als Polyethylen, diese sind jedoch niedriger als bei anderen Kunststoffen wie z.B. Polyamid. PP-H hat eine Glasübergangstemperatur von 0 bis −10°C und wird somit bei Kälte spröde. Die obere Gebrauchstemperatur liegt bei 95 bis 110°C. PP kann mit mineralischen Füllstoffen wie z.B. Talkum, Kreide oder Glasfasern gefüllt werden. Dadurch wird das Spektrum der mechanischen Eigenschaften (Steifigkeit, Gebrauchstemperaturen, etc.) deutlich erweitert. Polypropylen ist bei Raumtemperatur gegen Fette und fast alle organischen Lösungsmittel, abgesehen von starken Oxidationsmitteln, beständig. Nichtoxidierende Säuren und Laugen können in Behältern aus PP gelagert werden. Bei erhöhter Temperatur lässt sich PP in wenig polaren Lösungsmitteln (z.B. Xylol, Tetralin und Decalin) lösen.

Die Methyl-Seitengruppe kann a) isotaktisch, b) syndiotaktisch oder c) ataktisch eingebaut sein (s. Bilder 2, 3 und 4). Diese Anordnung hat Auswirkungen auf die physikalischen Eigenschaften. Der isotaktische Aufbau, welcher z.B. mit Hilfe von Ziegler-Natta-Katalysatoren erzeugt werden kann, resultiert in einer teilkristallinen Struktur des Polypropylen. Dies lässt sich auf den stets auf einer Seite der Molekülkette befindlichen Methylrest zurückführen, welcher das Makromolekül in eine Helix-Struktur zwingt. Die ataktische Variante des PP ist völlig amorph.

Für technische Anwendungen ist das isotaktische PP-H bedeutsamer, da mit steigender Isotaktizität eine Zunahme von Kristallinitätsgrad, Schmelzpunkt, Zugfestigkeit, Steifigkeit und Härte erfolgt. Sehr hohe Isotaktizität hingegen führt zu erhöhter Sprödigkeit. Im Vergleich zu Polyethylen hat Polypropylen andere Eigenschaften:

  • niedrigere Dichte
  • höhere Glasübergangstemperatur
  • öhere Schmelztemperatur und dadurch
  • höhere Formbeständigkeit in der Wärme
  • PP-Homopolymerisate sind in der Kälte spröder
  • PP-Copolymerisate mit Ethylen sind in der Kälte schlagzäher

In den einschlägigen Normen und Richtlinien wird grundsätzlich zwischen den PP-Typen: PP-H, PP-B und PP-R unterschieden. Hierbei ist PP-H das Homopolymerisat (Polymerisat des monomeren Propylen) mit den PP-typischen Eigenschaften. Die Copolymerisate (Polymerisate unterschiedlicher Monomere, hier in der Regel Propylen und Ethylen) PP-Block-Copolymer und PP-Random-Copolymer weisen dagegen ein zäheres Verhalten auf. Insbesondere PP-B verfügt bei Temperaturen unter 0°C über eine höhere Schlagzähigkeitsreserve. PP-B und PP-R besitzen jedoch eine geringere Steifigkeit insbesondere bei Temperaturen über 60°C. Dies erklärt sich durch den Einbau des Ethylens in die Molekülkette, das mit seinen Eigenschaften (höhere Zähigkeit bei niedrigeren Temperaturen, geringere Steifigkeit bei höheren Temperaturen) das Eigenschaftsprofil des Polypropylens beeinflusst. Der Unterschied zwischen einem Block-Copolymer (PP-B) und einem Random-Copolymer (PP-R) besteht dabei in der Art, wie das comonomere Ethylen in die Molekülkette eingebunden ist (s. Tabelle 1); beim PP-B geschieht dies „blockweise" und beim PP-R zufällig verteilt („random", engl.).

Kunststoff Bezeichnung Dichtebereich g/cm³ Molekülstruktur
PP-H Polypropylen Homopolymer 0,905 bis 0,915 P-P-P-P-P-P-P-P-P-P-P-P-
PP-B Polypropylen Block-Copolymer 0,900 bis 0,910 P-P-E-E-P-P-P-P-E-E-P-P-
PP-R Polypropylen Random-Copolymer 0,900 bis 0,910 P-P-E-P-P-P-E-E-P-P-P-E-P-

Tabelle 1: Dichtebereiche unterschiedlicher PP-Typen, je nach Quelle können die Grenzbereiche der Dichte leicht variieren; (P = Propylen, E = Ethylen)

 

Unterscheidung der drei häufigsten PP-Typen: PP-H, PP-B und PP-R

Button MehrHinweis: Aufgrund der Größe der Tabelle wird Ihnen hier nur ein Ausschnitt der Daten angezeigt. Die vollständige Tabelle können Sie sich durch anklicken der "Lupe" anzeigen lassen.

  Homopolymer
Herstellung
Homo-Polymere entstehen durch Polymerisation von ausschließlich PP-Molekülen.
Molekularaufbau
Aus der hohen Kristallinität und Isotaktizität (Regelmäßigkeit des Kettenaufbaus) resultieren die charakeristischen Eigenschaften.
Eigenschaften
  • Hohe Härte
  • Hohe Steifheit
  • Hohe Zugfestigkeit
  • Hohe Wärmeformbeständigkeit bei ausreichender Schlagzähigkeit

Tabelle 2: Einteilung des isotaktischen Polypropylens in 3 Klassen
Quelle: Lesch Consult, Würzburg

Polypropylen Modifikation 

Bild 1: Polypropylen-Modifikation durch unterschiedlichen molekularen Aufbau
Quelle: Lesch Consult, Würzburg

 

Taktizität

Polymere, bei denen alle Reste in eine Richtung ragen, also alle nach vorne oder alle nach hinten, werden isotaktisch genannt:

a) Isotaktisches Polypropylen (hohe teilkristalline Struktur)
Alle CH3-Gruppen befinden sich auf derselben Seite der Kohlenstoffkette bzw. weisen bei wendelförmiger Anordnung nach außen.

Polypropylen isotaktisches PPH

Bild 2: Schematische Darstellung eines isotaktischen PP-H

Polymere, bei denen die Reste abwechselnd nach vorne und nach hinten zeigen, werden syndiotaktisch bezeichnet:

b) Syndiotaktisches Polypropylen (weniger teilkristalline Struktur als bei isotaktischen Polypropylen)
Die CH3-Gruppen befinden sich in regelmäßiger Folge abwechselnd auf verschiedenen Seiten der Kohlenstoffkette.

Polypropylen syndiotaktisches PPH

Bild 3: Schematische Darstellung eines syndiotaktischen PP-H

Polymere, bei denen die Reste unregelmäßig angeordnet sind, d.h. zufällig mal vorne und mal hinten, werden ataktisch genannt:

c) Ataktisches Polypropylen (amorphe Struktur)
Die CH3-Gruppen folgen in ihrer räumlichen Lage zur Hauptkette keiner Regel.

Polypropylen ataktisches PPH

Bild 4: Schematische Darstellung eines ataktischen PP-H

Die Helixstrukturen bei PP-H bilden beim Abkühlen der Schmelze Kristallite (10 - 50 nm), die selbst verschiedene sphärolitische Überstrukturen (103 - 105 nm) ausbilden können. Die mechanischen Eigenschaften von Polypropylen werden auch von der Größe und Art der Kristallstrukturen beeinflußt. Dieser Prozess kann z.B. durch Nukleierung (Keimbildung) beeinflusst werden (s. Bild 5).

Der regelmäßige Aufbau dieser Molekülketten begünstigt das Entstehen kristalliner Bereiche. Die Makromoleküle werden jedoch selten in ganzer Länge in einen Kristallit eingebaut, da sie auch nichtisotaktische Anteile enthalten. Außerdem entstehen – besonders bei hohem Polymerisationsgrad - amorphe Anteile durch Verschlaufungen der Ketten in der Schmelze. Der kristalline Anteil liegt üblicherweise bei 45 - 65 %. Der teilkristalline Aufbau von PP-H bewirkt wegen der hohen Sekundärkräfte im kristallinen Bereich eine hohe Steifigkeit und aufgrund der Beweglichkeit der Makromoleküle in der amorphen Phase Flexibilität und Zähigkeit des Werkstoffes.

  • Die Polypropylen-Homopolymere PP-H besitzen eine hohe Isotaktizität und somit Kristallinität, daraus resultiert eine hohe Steifigkeit, Festigkeit und Wärmeformbeständigkeit. Der teilkristalline Aufbau von PP-H bewirkt wegen der hohen Sekundärkräfte im kristallinen Bereich eine hohe Steifigkeit und aufgrund der Beweglichkeit der Makromoleküle in der amorphen Phase Flexibilität und Zähigkeit des Werkstoffes. Die amorphen Bereiche beginnen bei etwa 0°C einzufrieren. Unterhalb dieser Temperatur ist PP-H relativ spröde. Die Homopolymere kristallisieren bevorzugt in der Form von Alpha- (α-) Sphäroliten. Die Zugabe spezieller Nukleierungsmittel ermöglicht jedoch die Bildung der flexibleren Beta- (β-) Sphärolite (s. Bild 5), die eine erhöhte Schlagzähigkeit für das Homopolymer zur Folge haben.
  • Bei der Herstellung der Blockcopolymere (PP-B) wird in einem zusätzlichen Polymerisationsprozeß ein Copolymer (in der Regel Ethen) in die Polypropylenkette eingebaut. Dadurch kann vor allem eine Erhöhung der Schlagzähigkeit bei tiefen Temperaturen erzielt werden, die obere Einsatztemperatur nimmt jedoch ab. Härte, Steifigkeit und Festigkeit sind ebenfalls gegenüber PP-H reduziert.
  • Die gleichzeitige Polymerisation von Propen mit Ethen erlaubt eine statistische Verteilung der eingebauten Monomere (PP-R). Damit wird die Helixstruktur der isotaktischen Polymerkette unterbrochen, wodurch die Kristallinität absinkt. Die Folge ist gegenüber PP-H eine größere Zähigkeit und Flexibilität bei Abnahme von Steifigkeit und Härte. Die maximalen Einsatztemperaturen von PP-R sind besonders bei langen Beanspruchungszeiten einer der wesentlichen Vorteile dieses PP-Typs.

Polypropylen lichtmikroskopische Aufnahmen

Bild 5: Lichtmikroskopische Aufnahmen verschiedener PP-Typen verdeutlichen die unterschiedlichen Kristallstrukturen
Quelle: SIMONA AG, Kirn

 

Übersicht modifizierte Polypropylen-Typen

PP-H Polypropylen Homopolymer – isotaktisch aufgebaut. PP-H wird überwiegend für industrielle Anwendungen aufgrund der hohen Zeitstandfestigkeit bevorzugt eingesetzt.
Beta (β)-PP-H
Polypropylen Homopolymer nukleiert (Da PP im Vergleich zu PE mind. 10 mal langsamer kristallisiert, werden die meisten Typen nukleiert angeboten.
Dadurch werden geringere Eigenspannungen und ein feineres Gefüge realisiert. Man unterscheidet zwischen α- und β-Nukleierung. Die Nukleierung entsteht durch Zugabe von Nukleierungsmitteln (Keimbildner), die in ppm (parts per million) – Mengen beigegeben werden. (Hersteller Georg Fischer Piping Systems)
Alpha (α)-PP-H
Polypropylen Homopolymer nukleiert (Mit speziellen Nukleierungsmitteln und einer angepassten Verfahrenstechnik ist es möglich ein Alpha (α)-PP-H mit extrem feinem Kristallgefüge herzustellen.) (Hersteller SIMONA AG)
PP-B
Polypropylen Block-Copolymerisat. PP-B kommt wegen der hohen Schlagzähigkeit, insbesondere bei niedrigenTemperaturen und der vergleichweise geringen Temperaturbelastbarkeit, überwiegend für die Abwasserentsorgung zum Einsatz.
PP-R natur
Polypropylen Random-Copolymerisat natur „statistisches Copolymerisat" (PP-R natur enthält keinerlei Farbadditive und wird vor allem für Reinstwasser-Rohrleitungssysteme verwendet. Jedoch ist dieses Material nicht UV-beständig).
PP-R schwarz
Polypropylen Random-Copolymerisat, schwarz eingefärbt (Der wesentliche Vorteil dieser schwarz eingefärbten Materialtype liegt in der UV-Beständigkeit, die bei grauen PP nicht vorhanden ist. Allerdings erfolgt eine geringe Abnahme der Schlagzähigkeit).
PP-R-el
Polypropylen-Random-Copolymerisat, elektrisch leitfähig (Dieses Material wird eingesetzt, wenn der Anwendungsfall die Erdung des Rohrleitungssystems erfordert. Aufgrund des hohen Rußgehaltes ist PP-R-el UV-beständig, weist jedoch eine reduzierte Schlagzähigkeit und Zeitstandfestigkeit auf.
PP-RP
Polypropylen mit erhöhter Druckfestigkeit (RP = Raised Pressure).
PP-RCT
Polypropylen Random-Copolymer mit modifizierter Kristallstruktur und erhöhter Temperaturbeständigkeit. Durch Nukleierung des Werkstoffes bilden sich beim PP-RCT noch kleinere und mehr Kristalle als beim PP-R. Dies bedeutet noch mehr Sicherheit im Dauereinsatz durch höhere Druckbeständigkeit bei hohen Temperaturen.
PP-HM
Polypropylen High Modulus (Polypropylene mit hoher Steifigkeit, E-Modul > 1700 N/mm² zählen zu der Materialklasse der Polypropylen-Block-Copolymerisate (PP-B) und sind gekennzeichnet durch einen vergleichsweise hohen E-Modul in Kombination mit einer hohen Kerbschlagzähigkeit bis zu -20°C. Diese Eigenschaften machen das PP-HM zum idealen Werkstoff für drucklose Abwasserleitungen. Ein weiterer Vorteil zeigt sich beispielsweise durch Vergleich von PP-HM mit PVC-U: Hier führt das geringe spezifische Gewicht von PP-HM (ca. 0,9 g/cm³) bei der Ringsteifigkeitsklasse SN 8 zu ca. 25 % geringeren Metergewichten).
PP-HT
Polypropylen Hoch Temperaturbeständig. PP-HT ist ein teilkristalliner Kunststoff, der sich durch eine hohe Säure- und Chemikalienbeständigkeit und mechanischen Belastbarkeit auszeichnet. PP-HT ist im Temperaturbereich von -30 bis kurzzeitig +140°C anwendbar. Durch die hohe Temperaturbeständigkeit werden PP-HT-Kunststoffe häufig in der Medizintechnik als Sterilisationsboxen oder für Analysegeräte eingesetzt.
PP-s
Polypropylen schwerentflammbar
PP-H-s
Polypropylen Homopolymer schwerentflammbar
(Aufgrund der höheren Steifheit von PP-H-s eignet es sich besonders für Lüftungsrohre und Abgasleitungen. Für den Einsatz im Freien ist es aber aufgrund der fehlenden UV-Stabilisierung ohne Schutzmaßnahmen nicht geeignet).
PP-R-s-el
Polypropylen Random-Copolymerisat, schwerentflammbar, elektrisch leitfähig (Dieses Material vereint die positiven Eigenschaften der schwer entflammbaren und elektrisch leitfähigen PP-Typen. Es wird daher aus Sicherheitsgründen vor allem für den Transport von leicht entzündbaren Medien eingesetzt. Eine reduzierten Schlagzähigkeit und Zeitstandfestigkeit sowie eine geringfügig veränderten chemischen Beständigkeit, ist in der Auslegung zu berücksichtigen.
PP-MD
Polypropylen mineralverstärkt, (Veredelung durch Modifier bzw. mineralische Füllstoffe), z.B. Abwasserrohr KG 2000.
PP-GF
Polypropylen Glasfaser verstärkt (z.B. PP-GF30, Polypropylen mit 30 % Glasfaseranteil).
PP-C
Polypropylen-Carbonat ist ein thermoplastisches Block Copolymer aus der Gruppe der Polycarbonate, hergestellt aus den Bausteinen Kohlendioxid und Propylenoxid. Katalysatoren wie Zinkglutarate werden für die Polymerisation genutzt.

Tabelle 3: Übersicht der häufigsten Polypropylen-Modifikationen für Kunststoffrohrsysteme
Quelle: Lesch Consult, Würzburg

 

Kunststoffklassifizierung / Handelsnamen

Kunststoffklassifizierung Polypropylen
Thermoplast Thermoplast
Makromolekülstruktur teilkristallin
Kunststoffgruppe Polyolefine
Polarität unpolar

 

Rohstoffhersteller Handelsnamen
Borealis Daplen
Dow Inspire
LyondellBasell Hostalen PP
Sabic Vestolen P
Solvay Eltex P