BGS: Kunststoffkomponenten für die Energieinfrastruktur – strahlenvernetzte Kunststoffe in der Praxis

Verbesserung der Eigenschaften von Kunststoffkomponenten durch Strahlenvernetzung

Hochenergetische ionisierende Elektronenstrahlung kann gezielt genutzt werden, um die Eigenschaften von Kunststoffkomponenten wie Kabeln, Rohren, Formteilen und Manschetten zu verbessern. Die auf diese Weise geschaffene Netzwerkstruktur führt zu einer deutlich höheren Beständigkeit gegen Temperatur und Spannungsrissbildung sowie zu einer erhöhten Chemikalienbeständigkeit gegenüber aggressiven Medien. Diese Eigenschaften tragen maßgeblich zur Betriebssicherheit und Langlebigkeit unter anspruchsvollen Bedingungen bei. Von besonderer Bedeutung ist insbesondere die verbesserte Kriechfestigkeit bei erhöhten Temperaturen und Innendrücken. Darüber hinaus kann die Strahlenvernetzung auch genutzt werden, um reversible Materialeigenschaften, den sogenannten Memory-Effekt, einzustellen – zum Beispiel bei Schrumpfmanschetten, die in Fernwärmenetzen eingesetzt werden.

Zur Bestrahlung wird üblicherweise Beta-Strahlung aus Elektronenbeschleunigern mit einer maximalen Energie von 10 Megaelektronenvolt (MeV) verwendet. Während des Vernetzungsprozesses durchläuft die Komponente die ionisierende Beta-Strahlung in einer Elektronenbeschleunigeranlage. Das Ergebnis ist ein homogen vernetztes Material. Das bedeutet: deutlich verbesserte Temperaturbeständigkeit, Chemikalienbeständigkeit, besseres Kriechverhalten und erhöhte Abriebfestigkeit – bei gleichzeitig nachhaltiger Verlängerung der Lebensdauer unter härtesten Bedingungen. Die Strahlenvernetzung ist ein präzise steuerbarer Prozess. Durch die Einstellung der Strahlendosis können die gewünschten Materialparameter exakt festgelegt und reproduziert werden. Damit ist diese Technologie ideal für leistungsfähige und zuverlässige Komponenten in der kritischen Energieinfrastruktur.

Übersicht der verbesserten Eigenschaften strahlenvernetzter Kunststoffe

Um die Erfüllung der notwendigen Anforderungen sicherzustellen, werden Kunststoffkomponenten in der Energieinfrastruktur seit Jahrzehnten durch Strahlenvernetzung optimiert. Besonders wichtig ist insbesondere das exzellente Kriechverhalten (Creep) – vor allem bei Rohrsystemen, die bei hohen Temperaturen und Innendrücken betrieben werden. Allgemein lassen sich bei der Strahlenvernetzung von Kunststoffkomponenten vier wesentliche Eigenschaftsverbesserungen erwarten:

• Die Vernetzung von Kunststoffen verringert deutlich die Löslichkeit und Quellung durch Lösungsmittel. Gleichzeitig verbessert die Strahlenvernetzung die Beständigkeit gegenüber aggressiven Medien und Hydrolyse. Dies zeigt sich unter anderem in einer besseren Beständigkeit gegen Spannungsrissbildung und einem deutlich geringeren Festigkeitsverlust nach Einwirkung von Lösungsmitteln.
  
  
• Ein weiterer Vorteil ist die verbesserte Temperaturbeständigkeit und deutlich bessere mechanische Eigenschaften bei erhöhten Temperaturen. Dies ist relevant für Hochspannungskabel, Muffen für Fernwärmenetze und Komponenten für die Elektrolyse.
  
  
• Darüber hinaus ist bei äußerer Punktbelastung ein deutlich langsameres Wachstum von Spannungsrissen zu erwarten.
  
  
• Ein zusätzlicher Vorteil von strahlenvernetzten Rohren und anderen flexiblen Komponenten ist ihre verbesserte Formbarkeit, was die Montage erleichtert – insbesondere bei engen Biegeradien – und nach dem Einbau die mechanische Belastung reduziert.

Vernetzung von Kunststoffkomponenten für die Energieinfrastruktur durch ionisierende Beta-Strahlung

Die Strahlenvernetzung erfolgt nach der Extrusion oder Formgebung mittels beschleunigter hochenergetischer Elektronen. Die Vernetzung sorgt dafür, dass die typischen Nachteile unvernetzter Thermoplaste – insbesondere der drastische Abfall der Eigenschaften bei hohen Temperaturen und unter Druck – nicht auftreten.

Auch mehrschichtige Verbundsysteme, wie sie beispielsweise bei vorgedämmten Rohren verwendet werden, können in einem Prozessschritt strahlenvernetzt werden. Die Strahlung kann auch metallische Komponenten durchdringen, was zu einer deutlichen Verbesserung des Verbundzusammenhalts führt – ein kritischer Faktor für die Lebensdauer und Zuverlässigkeit unter Betriebsbedingungen.

Im Gegensatz zu chemisch vernetzten Kunststoffen (PE-Xa und PE-Xb) besteht bei strahlenvernetzten Komponenten (PE-Xc) kein Risiko durch Rückstände chemischer Vernetzungsmittel. Im Vergleich zu chemischen Vernetzungsprozessen bietet die physikalische Strahlenvernetzung zudem eine sehr hohe Prozesssicherheit und deutlich höhere Produktionsgeschwindigkeiten – ein Vorteil bei der industriellen Fertigung von Hochleistungs-Energiekomponenten.

Einen technischen Vergleich von Peroxid-, Silan- und Strahlenvernetzung finden Sie im Artikel auf der BGS-Webseite.

Memory-Effekt von Schrumpfprodukten

Ein besonderer Vorteil der Strahlenvernetzung zeigt sich bei Schrumpfprodukten: Durch die gezielte Erzeugung von Vernetzungspunkten erhalten teilkristalline Materialien ein Formgedächtnis, den sogenannten Memory-Effekt. Das Formgedächtnis entsteht, weil die Strahlenvernetzung vorwiegend in den amorphen Bereichen stattfindet, in denen die verschlungenen langkettigen PE-Moleküle vernetzt werden. Wenn ein so vernetztes Produkt im warmen Zustand gedehnt wird, lässt sich diese Form durch Abkühlen unter die Schmelztemperatur der Kristallite temporär „einfrieren“. Wenn das Produkt beim Anwender wieder über die Schmelztemperatur der Kristallite erwärmt wird, stellt sich die ursprüngliche Form vom Zeitpunkt der Vernetzung wieder ein. Dieser Effekt ist besonders wertvoll bei Anwendungen wie Schrumpfmanschetten in Fernwärmenetzen oder Korrosionsschutzsystemen für Metallrohre: Die Manschette wird im kalten Zustand über die Verbindung geschoben, anschließend durch Wärme aktiviert und dichtet die Verbindung dauerhaft durch einen formstabilen und dichten Sitz ab.

Einsatz von strahlenvernetzten Kunststoffen in der Energieinfrastruktur

Fernwärmeinfrastruktur mit strahlenvernetzten Komponenten. Bild: iStock/Sergii Zhmurchak

Strahlenvernetzte Kunststoffe werden in verschiedenen Bereichen der Energieinfrastruktur eingesetzt.

1. Kabel- und Verteilungssysteme

Isolierungen und Mäntel von Hoch- und Mittelspannungskabeln sind häufig strahlenvernetzt. Zu den Vorteilen zählen höhere Temperaturbeständigkeit, geringeres Brandrisiko und eine längere Lebensdauer. Diese Eigenschaften sind insbesondere in intelligenten Stromnetzen (Smart Grids) und bei der Anbindung erneuerbarer Energiequellen entscheidend. Von der Strahlenvernetzung profitieren auch Wärmeschrumpfschläuche und Steckverbinder für wetterfeste, dichte und mechanisch robuste Verbindungen in Energieverteilungs- und Kommunikationsnetzen, da diese Technologie die Herstellung von wärmeschrumpfbaren Materialien ermöglicht.

2. Photovoltaik und Windenergie

Strahlenvernetzte Materialien in Modulgehäusen, Steckverbindern und Kabeln erhöhen die Beständigkeit gegen UV-Strahlung, Witterungseinflüsse und mechanische Beanspruchung. Diese Eigenschaften sind insbesondere für die lange Lebensdauer und Betriebssicherheit in Offshore-Windparks oder alpinen Photovoltaikanlagen unerlässlich.

3. Fernwärme

Schrumpfprodukte für vorgedämmte Fernwärmesysteme werden auf eine Lebensdauer von mehr als 50 Jahren ausgelegt und üblicherweise unterirdisch verlegt. Hier kommen strahlenvernetzte Schrumpfmanschetten und Muffen zum Einsatz, die dank des oben beschriebenen Memory-Effekts eine dauerhafte und dichte Verbindung zwischen den Rohrabschnitten gewährleisten. Die Schrumpfkraft bleibt auch bei Überhitzungsbedingungen erhalten, wodurch die Zuverlässigkeit über Jahrzehnte sichergestellt ist. Mit dem Ausbau der auf CO₂-Reduktion ausgerichteten Fernwärmeinfrastruktur wächst auch die Nachfrage nach diesen Komponenten weiter.

4. Batteriespeicher

Für stationäre Energiespeicher in Netzen und dezentralen Systemen sind strahlenvernetzte Kunststoffe eine bewährte Materiallösung. Diese Technologie wird hier insbesondere bei Hochspannungskabeln eingesetzt, die strenge Anforderungen an die Flammwidrigkeit und Temperaturbeständigkeit erfüllen müssen. Die Strahlenvernetzung ermöglicht die Herstellung von Kunststoffen mit flammhemmenden bzw. selbstverlöschenden Eigenschaften, die ihre Sicherheit auch bei mechanischer und thermischer Belastung behalten. Damit ist diese Technologie eine Schlüssellösung für zuverlässige und langfristig funktionierende Energiespeichersysteme.

5. Wasserstoff und Elektrolyse

In der Wasserstoffinfrastruktur einschließlich Elektrolyseanlagen werden Leistungshalbleiter und selbstregelnde Heizkabel verwendet. Beide Komponententypen können diese extremen Anforderungen erst durch Elektronenstrahlvernetzung erfüllen. Leistungshalbleiter schalten während des Elektrolyseprozesses hohe Leistungen, und Heizkabel sorgen beispielsweise dafür, dass Betonfundamente bei der kryogenen Speicherung von Wasserstoff nicht dauerhaft kondensieren oder feucht werden.

Strahlenvernetzte Komponenten in der Lieferkette

Bei Kunststoffkomponenten erfolgt die Strahlenvernetzung als finaler Schritt nach der Formgebung, während des Transports zum Endanwender. Der Vorteil der Behandlung mit ionisierender Strahlung ist, dass die Produkte nach einem einfachen Freigabeprozess sofort verwendet oder weiterverarbeitet werden können.

Die Bestrahlung erfolgt in der Regel durch spezialisierte Dienstleister, da der Betrieb und der Bau solcher Anlagen komplex sind. Betreiber von Elektronenbeschleunigern müssen beispielsweise hohe Anforderungen an die baulich-technische Sicherheit erfüllen und umfangreiche Überwachungssysteme unterhalten. Externe Dienstleister bieten einen klaren Vorteil, der sich insbesondere in der Serienfertigung zeigt. Durch die Kapazitätsauslastung und das Expertenwissen sind ihre Prozesse hochgradig automatisiert, wodurch die notwendige Geschwindigkeit und ein hoher Qualitätsstandard bei der Umsetzung sichergestellt werden.

Der Durchlauf des Produkts durch die Bestrahlungseinheit in der Anlage dauert nur wenige Sekunden. Nach der Bestrahlung erfolgt eine Freigabeprüfung basierend auf dem Barcode und den Systemdaten. Abhängig vom Produkt und der jeweiligen Anwendung können auch Materialprüfungen durchgeführt werden – anschließend ist das Produkt ohne jegliche Wartezeit sofort einsatzbereit. Im Idealfall erfasst und dokumentiert der Dienstleister jeden Auftrag vom Wareneingang über den Bestrahlungsprozess bis zur Auslieferung, um eine vollständige Rückverfolgbarkeit sicherzustellen.

Nachhaltige Energieinfrastruktur dank strahlenvernetzter Kunststoffe

Im Interesse des Umweltschutzes sind künftig verschärfte regulatorische Anforderungen an Kunststoffe zu erwarten. Nachhaltigkeit und Recyclingfähigkeit sind daher ein besonders wichtiges Thema. Strahlenvernetzte Kunststoffkomponenten sind außerordentlich langlebig und können daher sehr lange eingesetzt werden, teils länger als 30 Jahre. Am Ende ihrer Lebensdauer gibt es drei Möglichkeiten des Recyclings oder der Verwertung: stoffliche, rohstoffliche (chemische) oder energetische (thermische) Verwertung. Beim stofflichen Recycling werden aus Sekundärrohstoffen neue Kunststoffkomponenten hergestellt. Wenn ein stoffliches Recycling nicht durchführbar oder praktikabel ist, können strahlenvernetzte Komponenten problemlos der rohstofflichen oder energetischen Verwertung zugeführt werden.

In einem gemeinsamen mehrstufigen Forschungsprojekt, das Ende 2023 abgeschlossen wurde und an dem BGS Beta-Gamma-Service, Nylon Polymers, die Hochschule Aalen und die TU Berlin beteiligt waren, wurden neue Ansätze für das stoffliche Recycling von strahlenvernetztem PA 6 und PA 66 entwickelt. Thermische und mechanische Analysen zeigten, dass die resultierenden Eigenschaften der Produkte bei erneuter Bestrahlung der Materialien auf demselben Niveau bleiben oder im Vergleich zu unbestrahlten Materialien sogar deutlich verbessert werden. Gleichzeitig ermöglicht dies potenzielle Materialkosteneinsparungen von bis zu 15 Prozent. Nicht zuletzt reduziert Recycling den Bedarf an Primärmaterial, was direkten Einfluss auf den CO₂-Fußabdruck hat.

Neben der Recyclingfähigkeit überzeugen strahlenvernetzte Kunststoffkomponenten vor allem im Langzeiteinsatz: Sie bieten hohe Sicherheit, außerordentlich lange Lebensdauer und extreme Beständigkeit gegen Druck, Temperatur und chemische Einflüsse. Dank zuverlässiger Leistung unter realen Montagebedingungen und vielfältiger Anwendungsmöglichkeiten stellen sie eine praktische und kosteneffiziente Lösung für die Energieinfrastruktur dar.

Weitere Informationen zur Strahlenvernetzung, geeigneten Materialien und Anwendungen finden Sie auf der BGS-Webseite.