Spezifische Eigenschaften

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Polypropylen Prüfnorm
1. Physikalische Eigenschaften  
Dichte δ DIN 53479 / ISO 1183
Schmelzindex (Schmelzindexgruppe) EN ISO 1133
Streckspannung σ S bei 23°C EN ISO 527-1 oder ISO 2039-1
Reißdehnung ε R bei 23°C EN ISO 527-1
Zug-E-Modul bei 23°C EN ISO 527-1/2
Kugeldruckhärte (132 N) EN ISO 2039-1
Shorehärte DIN EN ISO 868
Kebschlagzähigkeit bei 0°C EN ISO 179/1eA
Kerbschlagzähigkeit bei 23°C EN ISO 179/1eA
Wäremleitfähigkeit bei 23°C EN 12664
Wasseraufnahme bei 23°C EN ISO 62
Sauerstoffindex (LOI) Limiting Oxgen Index ISO 4589-1
Gleitreibungskoeffizient gegen Stahl  

 

Tabelle 1: Spezifische Eigenschaften von Polypropylen PP-H sowie von modifizierten Polypropylen-Typen
Quelle: Lesch Consult, Würzburg und KRV-Mitgliedsunternehmen

 

Zeitstandinnendruckfestigkeit und zulässige Betriebsüberdrücke für die verschiedenen PP-Typen

Für die Betriebssicherheit und die Lebensdauer (Nutzungsdauer) ist die Wahl des Werkstoffes und der Druckstufe der Rohrleitungsteile sehr wichtig. Außerdem müssen Sie Betriebstemperatur, Fördermedien und Dauer der Beanspruchung beachten.
Bei der Bestimmung der zulässigen Betriebsüberdrücke von Rohrleitungssystemen aus PP wird die Zeitstandfestigkeit als Berechnungsgrundlage herangezogen. Sie ist deshalb eine der wichtigsten Eigenschaften von Kunststoffrohren. Die Zeitstandinnnendruckfestigkeit beschreibt die Lebenserwartung eines Rohres, das unter Innendruck steht. Dabei hängt bei Thermoplasten die zum Bruch führende Spannung von der Temperatur und der Beanspruchungsdauer ab.

Die Zeitstandfestigkeit wird für verschiedene Temperaturen ermittelt und im Zeitstanddiagramm doppeltlogarithmisch (Spannung als Funktion der Zeit) dargestellt (s. Diagramme 1, 2 und 3). In der DIN 8078 sind die Mindest-Zeitstandkurven für die drei oben beschriebenen PP-Typen festgelegt. Diese Mindestkurven müssen von allen zur Verwendung kommenden Formmassen erfüllt werden. Dabei werden abhängig von der Temperatur an die einzelnen Polymertypen unterschiedliche Anforderungen gestellt.Button Mehr

Polypropylen Zeitstandinnendruckfestigkeit1 klein Polypropylen Zeitstandinnendruckfestigkeit2 klein

Diagramme 1, 2 und 3: Zeitstandinnendruckfestigkeit-Diagramm von Kunststoffrohren aus PP-H (links), PP-B (mittig) und PP-R (rechts) nach DIN 8078
Quelle: Georg Fischer GmbH, Albershausen

Besonders bei hohen Temperaturen (die Temperaturobergrenze liegt bei druckbeaufschlagten PP-H-Rohrsystemen in der Regel bei ca. 95°C) tritt die unterschiedliche Zeitstandfestigkeit (Belastbarkeit) der einzelnen Polymertypen zu Tage. Polypropylen PP-B-Blockcopolymerisat weist in diesem Bereich eine geringere Lebenserwartung auf (s. Diagramme 1 und 2). Dies und die hohe Zähigkeit dieses Werkstoffes sind die Hauptgründe dafür, dass PP-B im Hausabflussbereich ein großes Anwendungsgebiet hat.

Die Neufassung der DIN 8078 von April 1996 berücksichtigt die Tatsache, dass mittlerweile die Wärmealterungsstabilisatoren für Polypropylen eine hohe Wärmealterungsbeständigkeit ermöglichen. Dadurch kann die generelle Oxidationsempfindlichkeit des tertiären C-Atoms (z.B. im Vergleich zu Polyethylen) ausgeglichen werden.

Ein ausgezeichnetes Zeitstandverhalten bei höheren Temperaturen besitzt PP-R (s. Diagramm 3). Dies ist die Hauptursache für den großen Erfolg des PP-R im Bereich der Warmwasseranwendungen. Aber auch im industriellen Anwendungsbereich können diese Vorteile sinnvoll ausgenutzt werden.

Die nachfolgenden Diagramme 4 und 5 zeigen das Zeitstandverhalten der verschiedenen PP-Typen bei zwei ausgewählten Anwendungstemperaturen (60°C und 80°C) im Vergleich. Button Mehr

Polypropylen Zeitstandinnendruckfestigkeit3 klein Polypropylen Zeitstandinnendruckfestigkeit4 klein

Diagramme 4 und 5: Zeitstandinnendruckfestigkeit-Diagramm von Kunststoffrohren aus PP-H, PP-B, PP-R bei 60°C (links) und 80°C (rechts)
Quelle: Frank GmbH, Mörfelden-Walldorf

Charakteristisch für Thermoplaste ist das Abknicken der einzelnen Kurven im Zeitstand-Diagramm. Der Knick stellt den Übergang vom in der Praxis erwünschten duktilen (flacher Ast der Kurve, Versagen durch Zähbruch) zum spröden Werkstoffverhalten (steiler Ast der Kurve, Versagen durch Sprödbruch) dar. Ein an einer Rohrleitung aufgebrachter Innendruck erzeugt einen dreiachsigen Spannungszustand, wobei die Spannung in Umfangsrichtung σu die größte der drei Einzelspannungen darstellt, siehe Kessel-Formel (die Umfangsspannung bei Rohren ist doppelt so hoch wie die Axialspannung). Diese wird (nach der Hauptspannungshypothese) für die Dimensionierung von Druckrohrleitungen zugrunde gelegt. Die maximal zulässige Spannung σzul kann aus dem werkstoffspezifischen Zeitstand-Diagramm entnommen werden. Wobei der im Diagramm für eine bestimmte Temperatur und Belastungszeitraum angegebene Wert noch mit dem erforderlichen Sicherheitsfaktor abgemindert werden muss.

Der für Kunststoffrohrsysteme zulässige Betriebsüberdruck hängt also nicht alleine vom in der Herstellung verwendeten Polymer, sondern auch von den erforderlichen Sicherheitsbeiwerten ab. In diesen Sicherheitsbeiwerten wird überwiegend die Zähigkeit der Polymere berücksichtigt. In DIN 8078 wurden erstmals keine pauschalen (über den gesamten Temperaturbereich konstanten) Sicherheitsbeiwerte festgelegt, sondern die Temperaturabhängigkeit des Werkstoffverhaltens bei Polypropylen Homopolymerisat PP-H berücksichtigt. Diagramm 6 zeigt die zulässigen Betriebsüberdrücke eines Rohres mit dem Durchmesser-Wanddicken-Verhältnis 11 (kurz SDR 11) in Abhängigkeit von der Temperatur für die unterschiedlichen Polypropylen-Produktklassen bei einer Beanspruchungsdauer von 50 Jahren (25 Jahre bei 80°C sowie 10 Jahre bei 95°C) nach DIN 8077.

Polypropylen Zulaessiger Betriebsueberdruck

Diagramm 6: Zulässiger Betriebsüberdruck für Kunststoffrohre aus PP-H, PP-B, PP-R nach DIN 8078 in Abhängigkeit von der Betriebstemperatur
Quelle: Frank GmbH, Mörfelden-Walldorf

Die Sicherheitsbeiwerte, die dem Diagramm zugrunde liegen, sind in Tabelle 2 angegeben. Dem Diagramm 6 kann man entnehmen, dass die zulässigen Betriebsüberdrücke für PP-R über den gesamten Temperaturanwendungsbereich am höchsten sind. PP-H muss bei Temperaturen unterhalb 60°C mit einem höheren Sicherheitsbeiwert bemessen werden. Dadurch werden die bei diesen Temperaturen vorhandenen Vorteile im Zeitstandverhalten mehr als aufgezehrt. Die im Vergleich niedrigste Zeitstandfestigkeit von PP-B drückt sich auch in der geringsten Druckbelastbarkeit aus.

Werkstoff Temperatur
10 bis unter 40°C 40 bis 60°C über 60°C
PP-H 1,6 1,4 1,25
PP-B / PP-R   1,25  

Tabelle 2: Sicherheitsfaktoren für Kunststoffrohre aus PP-H, PP-B, PP-R nach DIN 8078 in Abhängigkeit von der Betriebstemperatur
Quelle: Frank GmbH, Mörfelden-Walldorf