Was haben reife Äpfel, Weintrauben, Bananen und die japanische Rotkiefer mit Polyethylen Rohren zu tun?

In diesem Artikel wollen wir ein wenig tiefer in die technischen Hintergründe von Polyethylen Rohren hinabtauchen. Wenn Sie sich schon öfter gefragt haben was es mit Begriffen wie PE-80, PE-100, HD-PE, LD-PE und SDR Zahlen auf sich hat, dann sollten Sie jetzt weiter lesen, denn all das und ein wenig chemisches Hintergrundwissen wollen wir Ihnen mit diesem Blogbeitrag näher bringen.

Woraus wird Polyethylen erzeugt?

Aber jetzt zum Anfang. Polyethylen ist der mit Abstand am meisten produzierte Kunststoff der Welt und ist in unzähligen Produkten, in nahezu allen erdenklichen Formen und Farben zu finden. Über 100 Millionen Tonnen PE werden jedes Jahr erzeugt und das bedeutet einen Anteil von über 34 % am gesamten weltweit erzeugten Plastik. Polyethylen hat chemisch gesehen diese Strukturformel (C2H4)n. PE wird durch Polymerisation aus Ethen hergestellt. Ethen oder Ethylen C2H4 oder H2C=CH2 ist ein farbloses, brennbares Gas mit einem leicht süßlichen Geruch und einer Kohlenstoff - Kohlenstoff Doppelbindung. Ethylen selbst wird in unglaublich großen Mengen jährlich hergestellt (mehr als 150 Millionen Tonnen) und der weitaus größte Teil der Produktion wird zu Polyethylen weiterverarbeitet.

Und hier lösen wir auch schon das Rätsel unserer Überschrift auf. Ethylen wird nämlich von Äpfeln, einigen Weintrauben und der japanischen Rotkiefer bei der Reifung natürlich produziert oder ausgeschieden. Es dient wiederum Bananen als Reifegas und das ist auch der Grund, warum Bananen nicht gemeinsam mit Äpfeln zuhause gelagert werden sollten. Äpfel produzieren Ethylen und das wiederum lässt Bananen schneller reifen.

Und genau dasselbe Gas ist der Grundstoff für unsere Polyethylen Rohre. Da werden sich jetzt wahrscheinlich einige Fragen ob dieses Gas dann zum Beispiel auch aus organischen natürlichen Herkunftsquellen gewonnen werden kann? Und ja das ist möglich, nicht durch Äpfel reifen lassen, sondern durch die Verarbeitung von Zuckerrohr ist es möglich Bio-Ethen und damit auch Bio-Polyethylen zu erzeugen. In industriellen Maßstäben wird das zum Beispiel in Brasilien produziert und die weltweit führende Firma dafür ist Braskem https://www.braskem.com.br/europe/profile. Der weitaus größte Teil Ethylen wird aber nach wie vor aus Erdöl und Erdgas gewonnen.

Aber wie wird Ethen oder Ethylen schließlich zu Polyethylen und dann zu einem Rohr?

Ethen wird durch Kettenpolymerisation zu Polyethylen. Im Grunde wird das chemisch sehr stabile Ethylen Molekül aufgebrochen und mit einem anderen Ethylen Molekül verbunden. Das passiert wieder und wieder und es entsteht dadurch Polyethylen (poli von griechisch πολύς, polys „viel“) bzw. eben eine lange Kette von Ethylen Molekülen. 

Das erste Mal ist die Herstellung von solchen Polyethylenketten 1898 dem deutschen Chemiker Hans von Pechmann durch Zufall gelungen. Diese Methode war aber nicht großtechnisch Anwendbar und nach ein paar weiteren nicht brauchbaren Herstellungsverfahren gelang es erstmals 1935 mit Hochdruck und Hochtemperatur ein industrielles skalierbares Verfahren für die Polyethylen Produktion zu finden. 1939 begann schließlich die erste industrielle LDPE-Produktion. Ein gravierendes Problem aber blieb auch bei dieser Methode bestehen und das waren die hohen Drücke und Temperaturen die für die Erzeugung notwendig waren. 

Der Durchbruch für die Lösung dieses Problems gelang erst 1951 mit der Einführung von Katalysatoren bei der Polymer Produktion. Damit konnte eine Polymerisation bei viel geringeren Drücken und geringerer Temperatur geschehen und das führte zu erheblich geringeren Produktionskosten. Mit diesem Ziegler-Natta Katalysator Verfahren konnte HD-PE ab den 50er Jahren großtechnisch sicher und günstig hergestellt werden. Typische Kettenlängen von HD-PE Rohren sind in der Regel um die 50.000 Ethylen Moleküle lang. 

Historische Entwicklung von Polyethylen (PE) als Rohrwerkstoff

• 1898 Zufällige Entdeckung von PE durch Hans von Pechmann
• 1933 Polyethylen-Synthese (erneut durch Zufall und schwer reproduzierbar) von Eric Fawcett und Reginald Gibson bei Imperial Chemical Industries (ICI) 
• 1935 1. reproduzierbare PE Erzeugung durch Michael Willcox Perrin (ICI), LDPE
• 1935 erste kommerzielle Anwendung während 2. Weltkrieg für Radarkabel-Isolierungen
• 1953 Entwicklung von PE hoher Dichte (PE-HD) durch Karl Ziegler und Giulio Natta (Nobelpreis 1963)
• 1955 erste Herstellung eines PE-HD Rohres
• 1959 erste Serienfertigung von Rohren mit PE 63 (erste Generation)
• 1977 Entwicklung von PE 80 (zweite Generation)
• 1980er Entwicklung von PE100 (dritte Generation)
• Mitte 2000er Jahre Entwicklung von PE100-RC (resistance to crack)

Jetzt haben wir schon die ersten Begriffe die auch in den Produktbezeichnungen unserer PE-Rohre vorkommen gelesen – HD-PE und LD-PE. Das HD steht für high density (hohe Dichte) und das LD für low density (geringe Dichte). Daneben gibt es noch das MD-PE und das steht für medium density (mittlere Dichte). 

Was kann man sich unter high density, medium density und low density PE jetzt genau vorstellen?

Alle PE-Ketten bestehen nicht nur aus langen sauberen Ketten von Ethylen-Molekülen, sondern es gibt auch Seitenketten, die von der Hauptkette abgehen. Wenn jetzt PE-Ketten mit mehr oder weniger vielen Seitenketten miteinander verschmolzen werden, dann entsteht eine sogenannte teilkristalline Struktur von PE-Material.

Es gibt dafür einen ganz guten Vergleich. Stellen Sie sich vor, eine Polymerkette ist in seiner reinsten und idealsten Form ein Baumstamm ohne Äste. Wenn wir jetzt von high density Polyethylen sprechen dann bedeutet die hohe Dichte nichts anderes, als dass viele sehr reine Polymerketten nebeneinander ideal passend zusammen liegen und eine geordnete (kristalline) Molekülstruktur, wie in einem Kristall, erzeugen. Dieser Haufen Baumstämme ist sehr dicht (wenig Abstand zw. den Stämmen und sehr schwer). HD-PE hat ca. 60-80 % kristalline Verbindungen und eine Dichte von ca. 0,94 - 0,96 g/cm³.

Low density PE hingegen ist wie ein Baumstamm mit vielen Ästen rundherum von ganz unten bis nach ganz oben. Diese Polymerketten sind nicht so makellos wie die HD-PE Ketten und wenn diese Ketten zusammenliegen, dann auch nicht so eng wie die der HD-PE Ketten. Genauso wie sich Baumstämme mit Ästen nicht so eng stapeln lassen wie Stämme ohne Äste. Dadurch ergibt sich eine Struktur die in manchen Bereichen wie ein Kristall geordnet und in anderen ungeordnet (amorph) ist. Diese erhöhten amorphen Anteile bei LD-PE verursachen eine geringere Festigkeit von LD-PE gegenüber HD-PE aber gleichzeitig erhöht sich auch die Flexibilität, da die Beweglichkeit ohne Bruch in den amorphen Bereichen viel höher ist, als auch die Spannungsrissbeständigkeit und die Schlagzähigkeit. Diese Flexibilität wird speziell bei den LD-PE Rohren für Einzeltropfer oder bei Tropfschläuchen benötigt und eingesetzt. Kristalline Bereiche haben hingegen eine höhere Festigkeit, bessere chemische Beständigkeit und höhere Härte. Diese Vorteile werden bei klassischen HD-PE Wasser Rohrleitungen ausgenutzt.

Polyethylen ist in keinem Fall komplett kristallin oder komplett amorph, sondern einfach mehr (HD) oder weniger (LD) kristallin aber immer liegt eine Mischung vor.

Die kristallinen Verbindungen im Polymer sind schwerer zu trennen als die amorphen und dieser Umstand kommt uns beim Schweißen von PE-Rohren sehr zu gute. Amorphe Bereiche schmelzen früher als kristalline und durch diesen Temperaturunterschied lassen sich PE-Rohre erst für das Schweißen erwärmen, ohne dass sofort das ganze Rohr schmilzt und in sich zusammenfällt. 

Polyethylen ist aufgrund seiner unpolaren Natur chemisch sehr beständig und bietet wenig Angriffsfläche für chemische Reaktionen. Reines nicht-eingefärbtes PE ist durchscheinend und wird nur für die UV-Stabilisierung mit Kohlenstoff eingeschwärzt. 

Und noch eine Eigenschaft macht PE-Rohre geradezu ideal für den Wassertransport – es ist von der Oberflächengüte etwa gleich glatt wie polierter Stahl. Das führt nicht nur zu weniger Fließwiderstand und damit verringerten Pumpkosten, sondern verhindert auch Ablagerungen an der Wand und damit Verunreinigungen im Wasser. 

Wie wird Polyethylen für Rohre klassifiziert?

Neben der Klassifizierung nach Eigenschaften wie LD oder HD Polyethylen ist für die PE Rohrindustrie wohl die Einteilung in unterschiedlichen Belastungsklassen am gängigsten.

Dafür werden PE-Rohre in die Klassen PE 100, PE 80, PE 63, PE 40 oder PE 32 eingeteilt, wobei die beiden gängigsten Klassen PE 100 und PE 80 sind. Der Werkstoff PE für Druckrohre nach ÖNORM wird nur nach seiner Festigkeitsklasse bezeichnet (PE 80 oder PE 100). Eigentlich könnte man sagen das PE 100 bzw. PE 100 RC Material ist das neueste Modell und andere Klassen sind älter und nicht mehr Stand der Technik. Das gilt aber nur begrenzt, da wie gesagt für LD PE bewusst kein starkes PE Material wie PE 100 oder PE 80 benötigt wird.  

Die Zahl hinter der Bezeichnung PE bedeutet nichts anderes als die Druckstufe in MPa und ist der 10-fache Wert des MRS Wertes (Minimum Required Strength), ausgedrückt als Vergleichsspannung, errechnet durch die Kesselformel. Das waren jetzt eine Menge Begriffe.

Was ist jetzt der MRS Wert? Eine Vergleichspannung und eine Kesselformel? 

Dazu ein paar Erklärungen. 

Die verschiedenen PE Material Klassen PE 100, PE 80 usw. beschreiben verschiedene Materialgüten – vergleichsweise wie bei Stahl und kurz gesagt ist PE 100 Polyethylen stärker als PE 80 Polyethylen. 

Die geplanten Betriebsbedingungen im Einsatz sind für die Dimensionierung von Kunststoffrohren von entscheidender Bedeutung. Das Zeitstandverhalten, d.h. die zu erwartende Lebensdauer von PE-Rohren unter gewissen Betriebsbedingungen gibt die Rohrklasse vor. Beeinflusst wird dieses Zeitstandverhalten neben der auf das Rohr einwirkenden Temperatur auch maßgeblich durch den Spannungszustand, welcher durch den Rohrinnendruck erzeugt wird.

In der Praxis wird dieser dreiachsige Spannungszustand durch die Vergleichsspannung rechnerisch zusammengefasst. Die Vergleichsspannung ist ein Wert der alle 3 Spannungsachsen des Rohres unter Druck in sich vereint und dieser wird durch eine Formel bestimmt- im Fall der PE-Rohre durch die einfache Kesselformel. 

Entsprechend stellt die Vergleichsspannung auch die Grundlage für die Wahl des richtig dimensionierten Kunststoffrohres bei gegebenem Innendruck dar.

Stellen Sie sich ein Rohr mit Endkappen auf beiden Enden vor welches innen mit Wasserdruck beaufschlagt wird – ganz so wie ein Bewässerungsrohr unter Druck. Die Umfangsspannung oder die Kräfte die auf so eine Polyethylen Material (Molekül) in einer Rohrwand einwirken hängen ab:

• vom Innendruck
• von der Wanddicke
• vom Rohr-Innendurchmesser

Der MRS Wert ist eben dieser Vergleichsspannungswert und beinhaltet den Testdruck, die Wandstärke und den Innendurchmesser vom Rohr. Der MRS Wert (oder genauer Vergleichsspannungswert) ist ein Wert den ein PE Rohr bei 20°C und Wasser über 50 Jahre aushalten muss. 

Ein Beispiel: Ein PE 100 Rohr hat einen MRS Wert von 10 MPa (das entspricht 100 bar oder 10 N/mm2) 

Nehmen wir jetzt unser Standard PE100 DN110 Rohr mit Druckstufe PN10 als Beispiel her:

Dieses Rohr hat einen:

Innendurchmesser von 96,8mm (D)

Außendurchmesser von 110,0mm

Und damit eine Wandstärke von 6,6mm (S)

Und das Rohr soll einen Druck von 10 Bar (1 MPa) über 50 Jahre aushalten – da ja PN10.

Die Kesselformel für die Berechnung der Vergleichsspannung lautet

Sigma Vergleich = Innendruck (p) x Innendurchmesser (D)/ 2 x Wandstärke (S)

Mit Zahlen:

Sigma Vergleich = 1 MPa x 96,8 mm / 2 x 6,6 mm

Sigma Vergleich = 7,33 MPa  

Dieser Sigma Vergleich Wert von 7,33 MPa oder N/mm2 ist der MRS Wert eines PE Materials. Die notwendige PE Rohr Klasse (Materialgüte) für diesen Vergleichsspannungswert ergibt sich aus MRS x 10 und wäre PE 73,3. Damit wäre ein PE 80 Rohr von der Materialklasse ausreichend für diesen Druck und die vorhandene Wandstärken am Rohr, aber man beobachtet natürlich eine gewisse Abnahme der Festigkeit über die Zeit und dadurch ist ein PE 100 Material für dieses DN110 Rohr die richtige Wahl.

Umgekehrt ausgedrückt wäre der Anfangs Sigma Vergleich Wert (der Spannungswert den das Rohr widerstehen kann) eines PE 100 DN100 Rohres nicht 7,33 MPa sondern eben 10 MPa und dieser Wert darf über 50 Jahre bis auf 7,33 MPa abfallen und trotzdem wird das Rohr nicht brechen.

Was sagt der SDR Wert aus?

Manche Leser werden wahrscheinlich schon das eine oder andere Mal über eine SDR Zahl im Zusammenhang mit PE Druckrohren gestolpert sein.

Die Druckbelastbarkeit von PE-Rohren und -Formteilen wird in SDR-Stufen ausgedrückt (SDR = Standard Dimension Ratio = Verhältnis Rohraußendurchmesser/Rohrwanddicke). 

SDR Werte sind genormt und spiegeln eine gewisse Druckstufe bei einer bestimmten PE Materialklasse wider.

Zum Beispiel sind PE 100 Rohre mit einem SDR Wert von 17 auf 10 Bar Betriebsdruck zugelassen. Das heißt jede Rohrgröße wie DN 50, DN 63 etc. hat dasselbe Verhältnis Rohraußendurchmesser / Rohrwanddicke von 17.

Wollte man ein PE Rohr für 10 Bar Betriebsdruck aus PE 80 Material dann würde man ein Rohr mit einem SDR Wert von 11 bekommen. Die Zahl 11 ist kleiner als 17 und somit ist die Wandstärke von PE 80 Rohren mit derselben Druckstufe um einiges dicker als die von Rohren aus PE 100 Material, konkret zum Beispiel bei einem DN50 Rohr mit PE 100 Material 3,0mm und mit PE 80 Material 4,6mm und das nur weil eben PE 100 um einiges stärker als PE 80 ist.

Oder anders ausgedrückt, ein Rohr mit PE 80 Material benötigt um einiges mehr an Material und hat gleichzeitig einen geringeren Innendurchmesser und dieser wirkt sich wiederum negativ auf den Fließwiderstand aus und damit direkt auf die Pumpkosten.

Wie ist es eigentlich möglich ein Rohr für eine 50-jährige Lebensdauer zu prüfen? 

Natürlich wird ein Rohr bzw. Polyethylen Material nicht 50 Jahre lang geprüft und dann erst frei gegeben, sondern die Prüfung streckt sich nur über Wochen und Monate und die daraus gewonnen Ergebnisse werden hochgerechnet und extrapoliert. Konkret, man kann davon ausgehen, dass sich das beobachtete und gemessene Verhalten von Ausdehnung und Materialermüdung eines Polyethylen Material in den ersten Wochen und Monaten linear fortsetzt und daraus kann eben eine Lebensdauer berechnet werden.

Was sind PE 100 RC Rohre?

Unsere Rohre mit PE 100 von Pipelife Austria führen noch den Zusatz RC für Restistance to Crack. Mit dem Werkstoff PE100RC konnte gegenüber den PE100 und den PE80 Polyethylen Werkstoffen nochmals die Spannungsrissbeständigkeit entscheidend verbessert werden. Der Zusatz RC weist auf die hohe Spannungsrissbeständigkeit bei punktueller Belastung zB. durch Steine im Rohrgraben die an der PE Rohrwand anliegen hin. Mittels einer verbesserten Anordnung der Molekülketten in den amorphen Bereichen (siehe oben, das ist der weniger feste Bereich eines Polyethylens) kann der Werkstoff selbst bei hohen punktuellen Belastungen, wie sie beispielsweise bei der sandbettfreien und grabenlosen Verlegung auftreten, standhalten. Das heißt PE 100RC Rohre sind auch bestens für die Verlegung mit einer Grabenfräse geeignet.

Polyethylen und UV Beständigkeit

Beim Thema Beständigkeit muss man bei Kunststoffen auch immer die Beständigkeit gegenüber UV Strahlen betrachten und berücksichtigen. 

Polyethylen ist wie schon kurz erwähnt an sich nicht sehr UV beständig und würde ohne entsprechende Behandlung bei direkter Sonneneinstrahlung recht bald Festigkeit verlieren und brechen. Aber durch die Zugabe von UV-Stabilisatoren und Ruß (dadurch wird das Rohr erst schwarz) kann man davon ausgehen, dass PE Rohre in Mitteleuropa eine 15 Jahre lange Außenlagerung ohne Beeinträchtigung der mechanischen Eigenschaften überstehen können. Tests haben sogar gezeigt, dass diese garantierte UV Beständigkeit mit Sicherheit übertroffen wird. Das zeigt sich vor allem durch unsere Tropfrohre, welche zum Teil schon über 20 Jahre und mehr bei freier Sonneneinstrahlung ihren Dienst tun und keine erhöhte Rissbildung zeigen.

PE Rohr Normen

Polyethylen (PE) Rohre unterliegen auf europäischer Ebene einer klaren Regelung und die ÖNORM EN 12201 legt die Anforderungen an erdverlegte und oberirdisch verlegte Rohre aus Polyethylen (mit den Werkstoffen PE 100, PE 80 und PE 40) fest. 

Ganz allgemein unterscheidet man bei PE-Druckrohrsystemen zwischen der EN-1555-Serie: „Kunststoff-Rohrleitungssysteme für die Gasversorgung – Polyethylen“ und der EN-12201 oder ÖNORM EN 12201 Serie: „Kunststoff-Rohrleitungssysteme für die Wasserversorgung und für Entwässerungs- und Abwasserdruckleitungen – Polyethylen“, wobei die Serien in Teile untergliedert werden:

• Teil 1: Allgemeines/Werkstoff
• Teil 2: Rohre
• Teil 3: Formstücke
• Teil 4: Armaturen
• Teil 5: Gebrauchstauglichkeit
• Teil 7: Konformitätsbewertung
• (CEN TS, d. h., als sogenannte Technical Specification ist Teil 7 keine offizielle Norm, sondern eher eine Empfehlung)

Wir haben in unserem Sortiment für Wasserleitungen sowohl ÖNORM genormte PE 100 Rohre da diese gegenüber PE 80 das bessere Preis Leistungsverhältnis mit sich bringen und auch Rohre außerhalb der gängigen Normen wie ÖNORM oder DVGW. Wie schon oben gesagt, Tropfschläuche und andere LDPE Rohre sind nicht in PE 100 gefertigt. Wenn Sie bei uns Rohre finden die keiner Norm entsprechen, dann bedeutet das einfach, dass es für diese Rohrdimension und diese Qualität keine Norm gibt. Hersteller investieren große Summen Geld um ihre Produkte nach Normen zu testen und zu qualifizieren und in gewissen Bereichen ist es einfach notwendig genormte Produkte herzustellen, Infrastruktur zum Beispiel und einfach dort wo ein Rohr für viele Jahre ohne Bruch garantiert halten muss. Viele Hersteller nutzen aber auch Bereiche außerhalb dieser Normen und stellen Rohre her die zwar zu 100% der geforderten Qualität entsprechen, aber eben außerhalb einer Norm sind und dafür aber auch wesentlich günstiger im Verkauf. Speziell im Bereich der Bewässerung ist es mitunter nicht sehr kritisch wenn Rohre die oberirdisch verlegt werden nicht genormt sind, da zum Beispiel Druckstellen oder Risse, verursacht durch Steine beim Verlegen der Rohre, keine Rolle spielen. Wenn Sie aber ein Rohr eingraben und eben Infrastruktur wie Haus oder langjährige Obstkulturen darauf bauen, dann sollten Sie zur genormten Ware greifen.