Ist der neue Fluorkunststoff PFA-P ein revolutionäres Material?

Auskleidungen aus dem bekannten thermoplastischen Fluorkunststoff PFA (Perfluoralkoxy) werden seit etwa 1980 als Alternative zu hochlegierten, teuren Metallen für Pumpen, Armaturen, Regelventilen, Behältern usw. eingesetzt. PFA hat hier PTFE, welches durch Press-/Sinterverfahren verarbeitet wird, in großem Umfang abgelöst.

Seinen Erfolg verdankt PFA mehreren wichtigen Vorteilen gegenüber PTFE: Das PFA wird im Transfermoulding-Verfahren verarbeitet, wodurch die Auskleidungswandstärken exakt definierbar und reproduzierbar sind. PFA ist nahezu transparent und ermöglicht so eine wesentlich zuverlässigere Qualitätskontrolle.

PFA weist aufgrund seines dichten Molekulargefüges bei gleichen Wandstärken im Allgemeinen wesentlich geringere Permeationsraten als PTFE auf, hat aber die gleiche chemische und thermische Beständigkeit. Porositäten aufgrund Produktionsschwankungen sind ausgeschlossen. PFA ist zu Recht in Applikationen mit permeierenden Medien ein Werkstoff erster Wahl, wie unzählige Installationen weltweit beweisen.

Die Barrierewirkung von Rein-PFA

Und hiermit sind wir genau beim Kernthema angekommen: Selbst die gute Barrierewirkung von Rein-PFA mit der üblichen Wanddicke von +/- 3 mm reicht oft nicht aus, um zufrieden stellende Standzeiten der Aggregate bei besonders diffusionsfreudigen Medien wie Chlor-, Brom- oder Fluorverbindungen zu erreichen. Falls die Chemikalie die Auskleidung penetriert, kann dies zur Korrosion am drucktragenden Metallkörper und eventuell sogar zum Ausfall des Aggregates führen.

Die Erfahrung zeigt, dass eine Erhöhung der PFA-Auskleidungswanddicke auf 5 – 6 mm bereits erheblich verlängerte Standzeiten bringt. Praktiziert wird dies z.B. bei Kugelhahn- und Stellventilgehäusen.

Zwischen der sogenannten Durchbruchszeit und der Wanddicke besteht ein quadratischer Zusammenhang. Das heißt, dass die Zeit, bis ein Medium durch den Kunststoff diffundiert und wieder austritt, steigt mit dem Quadrat der Wanddicke.

In den meisten Anwendungen liegt die Durchbruchszeit über der Gebrauchsdauer der Aggregate, weil die den Permeationsvorgang treibenden Temperatur- und Druckgradienten nach außen hin stark abnehmen. Dies zeigt sich auch bei Pumpengehäusen, in denen die PFA-Auskleidungen mit 5-6 mm ohnehin üblicherweise besonders dickwandig sind.

Bei internen mediumberührten Komponenten wie Absperrelementen, Schalt- und Pumpenwellen, Rotorummantelungen und Spalttöpfen können die Wanddicken jedoch aus funktionsrelevanten Gründen nicht oder allenfalls nur sehr begrenzt erhöht werden. Genau hier liegen dann die Schwachstellen des Aggregates.

Die Neuentwicklung: PFA-P

Es galt also, einen noch permeationsresistenteren Auskleidungswerkstoff verfügbar zur machen. Die Werkstoffingenieure konzentrierten ihre Bemühungen auf die Schaffung einer thermoplastisch verarbeitbaren PFA-Variante mit einem wesentlich höheren Permeationswiderstand bei gleicher chemischer Resistenz und einer Temperaturbeständigkeit bis 200°C.

Mit dem Compound PFA-P (das „-P“ steht für „Permeation“) steht nun ein Werkstoff zur Verfügung, der diese Rahmenbedingungen erfüllt.

Ein Praxisbeispiel: TFA Trifluoressigsäure, 50°C

Die normale Lebensdauer eine PFA-ausgekleideten Magnetkupplungspumpe betrug etwa 3 Monate. Die Pumpe fiel aus, weil die Innenteile durch Permeation stark aufgequollen waren. Der metallische Grundwerkstoff wurde angegriffen, die rotierende Einheit blieb stecken. Die jetzt eingesetzte PFA-P-ausgekleidete MNK läuft seit 12 Monaten ohne Anzeichen einer Werkstoffveränderung.

Allgemeine Spezifikation des PFA-P

Das Trägerpolymer PFA ist mit einem extrem korrosionsfesten Füllstoff angereichert. Dieser Füllstoff verlängert die Diffusionswege und wirkt als Diffusionssperre. Die chemischen Eigenschaften des Trägerpolymers PFA werden nicht negativ beeinflusst, Wechselwirkungen mit stark permeierenden Medien sind nicht bekannt. Der Oberflächenwiderstand von PFA-P hinsichtlich elektrischer Leitfähigkeit entspricht dem von PFA.

Als Auskleidungswerkstoff deckt er das gleiche Druck-Temperatur-Spektrum wie Rein-PFA ab, für Armaturen, Stellventile, Pumpen usw. also von -60 bis + 200°C und von Vakuum bis 25 bar. Sowohl das PFA-Grundmaterial als auch alle im Herstellungsprozess verwendeten Füll- und Hilfsstoffe sind FDA-konform.

Zusammenfassung

Die außerordentlich gute Eignung für den Einsatz bei stärker permeierenden Medien macht PFA-P-ausgekleidete Pumpen und Armaturen interessant für einen großen Anwenderkreis. Die applikationsrelevanten chemischen und physikalischen Eigenschaften gestatten den Einsatz von PFA-P darüber hinaus überall dort, wo sich Rein-PFA bewährt.

In vielen Fällen wird es bereits genügen, einzelne Komponenten mit PFA-P statt mit PFA oder PTFE auszukleiden, während der Hauptteil des Aggregates weiterhin mit standardmäßigem Rein-PFA ausgekleidet bleibt. Eine pauschale „Alles-oder-Nichts“-Politik ist nicht angeraten: Der jeweilige Problemfall entscheidet, ob die PFA-P-Auskleidung für das komplette Aggregat oder nur für kritische Komponenten erforderlich ist.

Aus der Sicht der Betreiber von Mehrzweck- und Technikumsanlagen könnte eine Standardisierung in Richtung dieser sehr universellen Pumpen- und Armaturenauskleidungen ebenfalls sinnvoll sein.