Polybutylen

Polybutylen ( Polybuten-1 , Poly(1-buten) , PB-1 ) ist ein Polyolefin bzw. gesättigtes Polymer mit der chemischen Formel (CH₂CH ₍ Et)) _ₙ . PB-1 wird hauptsächlich für Rohrleitungen verwendet. ^{[ 2 ]}

Polybutylen wird durch Polymerisation von 1-Buten unter Verwendung von Ziegler-Natta-Katalysatoren auf Trägermaterialien hergestellt .

Isotaktisches PB-1 wird kommerziell mit zwei Arten heterogener Ziegler-Natta-Katalysatoren hergestellt . ^{[ 3 ]} Der erste Katalysatortyp besteht aus zwei Komponenten: einem festen Präkatalysator, der δ-kristallinen Form von TiCl₃ _, und einer Lösung eines Organoaluminium-Cokatalysators, wie z. B. Al(C₂H₅ _{) ₃} . _Der zweite Präkatalysatortyp ist trägergebunden. Der aktive Bestandteil dieses Katalysators ist TiCl₄ _, der Träger besteht aus mikrokristallinem MgCl₂ . _Diese Katalysatoren enthalten außerdem spezielle Modifikatoren, organische Verbindungen aus den Klassen der Ester oder Ether. Die Präkatalysatoren werden durch Kombinationen von Organoaluminiumverbindungen und anderen organischen oder metallorganischen Modifikatoren aktiviert. Zwei der wichtigsten technologischen Vorteile der trägergebundenen Katalysatoren sind die hohe Produktivität und der hohe Anteil des kristallinen isotaktischen Polymers, das sie bei 70–80 °C unter Standardpolymerisationsbedingungen erzeugen. ^{[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]}

PB-1 ist ein hochmolekulares, lineares, isotaktisches und teilkristallines Polymer. PB-1 vereint typische Eigenschaften konventioneller Polyolefine mit bestimmten Eigenschaften technischer Polymere.

PB-1 kann als reines oder verstärktes Harz Materialien wie Metall, Gummi und technische Polymere ersetzen. Es wird auch synergistisch als Mischungskomponente eingesetzt, um die Eigenschaften anderer Polyolefine wie Polypropylen und Polyethylen zu modifizieren . Aufgrund seiner spezifischen Eigenschaften findet es hauptsächlich Anwendung in Druckleitungen, flexiblen Verpackungen, Warmwasserbereitern, Compounds und Schmelzklebstoffen.

PB-1 lässt sich bei Temperaturen ab 190 °C problemlos formpressen, spritzgießen, zu Hohlkörpern blasen, extrudieren und schweißen. Es neigt nicht zu Spannungsrissen. Aufgrund seiner kristallinen Struktur und seines hohen Molekulargewichts weist PB-1 eine gute Beständigkeit gegenüber hydrostatischem Druck auf und zeigt selbst bei erhöhten Temperaturen ein sehr geringes Kriechverhalten. ^{[ 7 ]} Es ist flexibel, schlagfest und besitzt eine gute elastische Rückstellung. ^{[ 3 ] [ 8 ]}

Isotaktisches Polybutylen kristallisiert in drei verschiedenen Formen. Die Kristallisation aus der Lösung führt zu Form III mit einem Schmelzpunkt von 106,5 °C. Durch Abkühlen aus der Schmelze entsteht Form II mit einem Schmelzpunkt von 124 °C und einer Dichte von 0,89 g/cm³ ^. Bei Raumtemperatur wandelt es sich spontan in Form I mit einem Schmelzpunkt von 135 °C und einer Dichte von 0,95 g/cm³ ^um . ^{[ 1 ]}

PB-1 ist im Allgemeinen beständig gegen Chemikalien wie Detergenzien, Öle, Fette, Säuren, Basen, Alkohole, Ketone, aliphatische Kohlenwasserstoffe und heiße polare Lösungen (einschließlich Wasser). ^{[ 3 ]} Es weist eine geringere Beständigkeit gegenüber aromatischen und chlorierten Kohlenwasserstoffen sowie oxidierenden Säuren auf als andere Polymere wie Polysulfon und Polyamid 6/6. ^{[ 7 ]} Zu den weiteren Eigenschaften zählen eine ausgezeichnete Nassabriebfestigkeit, gute Schmelzfließfähigkeit (Scherverdünnung) und eine gute Dispergierbarkeit von Füllstoffen. Es ist kompatibel mit Polypropylen , Ethylen-Propylen-Kautschuk und thermoplastischen Elastomeren .

Einige Eigenschaften: ^{[ 7 ]}

• Elastizitätsmodul 290–295 MPa
• Zugfestigkeit 36,5 MPa
• Molekulargewicht 725.000 (g/mol)
• Kristallinität 48–55 %
• Wasseraufnahme <0,03 %
• Glasübergangstemperatur –25 bis –17 °C ^{[ 3 ] [ 7 ]}
• Wärmeleitfähigkeit 0,22 W/(m·K)

PB-1 wird hauptsächlich in flexiblen Druckrohrleitungssystemen für die Warm- und Kaltwasserversorgung, in vorisolierten Fernwärmenetzen sowie in Flächenheizungs- und -kühlsystemen eingesetzt. Die Leistungsanforderungen an PB-1-Rohrleitungssysteme sind in ISO 15876 definiert. ^{[ 9 ]} Zu den wichtigsten Eigenschaften von PB-1 zählen Schweißbarkeit, Temperaturbeständigkeit, Flexibilität und hohe Beständigkeit gegen hydrostatischen Druck. Das Material kann als PB 125 mit einer Mindestfestigkeit (MRS) von 12,5 MPa klassifiziert werden. Weitere Merkmale sind geringe Geräuschübertragung, geringe Wärmeausdehnung, Korrosions- und Verkalkungsbeständigkeit.

PB-1-Rohrsysteme werden in Nordamerika nicht mehr verkauft (siehe „ Sammelklagen und Streichung aus der bauordnungsrechtlichen Zulassung “ weiter unten). Der Gesamtmarktanteil in Europa und Asien ist eher gering, jedoch verzeichnen PB-1-Rohrsysteme in den letzten Jahren ein stetiges Wachstum. In bestimmten Inlandsmärkten, z. B. in Kuwait, Großbritannien, Korea und Spanien, sind PB-1-Rohrsysteme stark vertreten. ^{[ 8 ]}

Für verschiedene Anwendungen und Verarbeitungstechnologien (Blasfolien-, Gießfolien- und Extrusionsbeschichtung) sind mehrere PB-1-Typen kommerziell erhältlich. Es gibt zwei Hauptanwendungsgebiete:

• Abziehbare, leicht zu öffnende Verpackungen, bei denen PB-1 als Mischungskomponente vorwiegend in Polyethylen verwendet wird, um die Schälfestigkeit und Schälqualität anzupassen, hauptsächlich in Lebensmittelverpackungen und medizinischen Verpackungen.
• Senkung der Siegelinitiierungstemperatur (SIT) von Polypropylen-basierten Hochgeschwindigkeitsverpackungsfolien. Durch die Beimischung von PB-1 zu Polypropylen lassen sich Heißsiegeltemperaturen von nur 65 °C erreichen, wobei ein breites Siegelfenster und gute optische Folieneigenschaften erhalten bleiben.

PB-1 ist mit einer Vielzahl von Haftvermittlerharzen kompatibel . Es bietet eine hohe Kohäsions- und Adhäsionsfestigkeit und ermöglicht dank seiner langsamen Kristallisationskinetik die Anpassung der Offenzeit des Klebstoffs (bis zu 30 Minuten). Es verbessert die thermische Stabilität und die Viskosität des Klebstoffs. ^{[ 10 ]}

PB-1 lässt sich mit Füllstoffen von über 70 % verarbeiten. Aufgrund seines niedrigen Schmelzpunkts eignet es sich für halogenfreie, flammhemmende Verbundwerkstoffe oder als Masterbatch- Träger für thermosensitive Pigmente. PB-1 dispergiert leicht in anderen Polyolefinen und wirkt in geringer Konzentration als Verarbeitungshilfsmittel, das das Drehmoment reduziert und/oder den Durchsatz erhöht.

PB-1 kann aufgeschäumt werden. ^{[ 11 ]} Die Verwendung von PB-1-Schaum als Wärmedämmung ist für Fernwärmeleitungen von großem Vorteil, da die Anzahl der Materialien in der Sandwichstruktur auf eins reduziert wird, was das Recycling erleichtert. ^{[ 12 ]}

Weitere Anwendungsgebiete sind Warmwasserbereiter für den Hausgebrauch, elektrische Isolierung, Kompressionsverpackungen, Drähte und Kabel, Schuhsohlen und Polyolefin-Modifizierung (thermische Bindung, Verbesserung der Weichheit und Flexibilität von starren Verbindungen, Erhöhung der Temperaturbeständigkeit und des Druckverformungsrestes von weichen Verbindungen).

Sanitär- und Heizungssysteme aus PB-1 werden in Europa und Asien seit über 30 Jahren eingesetzt. Erste Referenzprojekte in Fernwärme- und Fußbodenheizungssystemen in Deutschland und Österreich aus den frühen 1970er Jahren sind noch heute in Betrieb. ^{[ 8 ]}

Ein Beispiel hierfür ist die Installation von PB-1-Rohren im Wiener Geothermieprojekt (1974), wo aggressives Geothermalwasser mit einer Betriebstemperatur von 54 °C und einem Druck von 10 bar verteilt wird. Andere Rohrmaterialien in derselben Anlage waren zwischenzeitlich aufgrund von Versagen oder Korrosion ausgetauscht worden. ^{[ 8 ]}

Internationale Normen legen Mindestanforderungen an die Leistungsfähigkeit von Rohren aus PB-1 fest, die in Warmwasseranwendungen eingesetzt werden. Standardisierte Extrapolationsmethoden prognostizieren Lebensdauern von über 50 Jahren bei 70 °C und 10 bar. ^{[ 8 ]}

Polybutylen-Rohrleitungen (vermarktet als Poly-B ) wurden in mehreren Millionen Häusern in den USA und Kanada zwischen etwa 1978 und 1997 verbaut. Probleme mit Lecks und Rohrbrüchen führten zu einer Sammelklage , Cox gegen Shell Oil , die mit einer Zahlung von 1 Milliarde US-Dollar beigelegt wurde. ^{[ 13 ] [ 14 ]} Die Lecks standen im Zusammenhang mit der Zersetzung von Polybutylen durch Kontakt mit chloriertem Wasser. ^{[ 15 ]}

Polybutylen-Wasserrohre werden von den US-amerikanischen Bauvorschriften nicht mehr zugelassen und waren Gegenstand von Sammelklagen in Kanada und den USA ^{[ 17 , 18 ]. [ 16 ]} Der kanadische National Plumbing Code von 1995 führte Polybutylenrohre mit Ausnahme von Zirkulationssystemen als zulässig auf. In der Ausgabe von 2005 des Standards wurden die Rohre jedoch von der Liste der zulässigen Materialien gestrichen ^{. [ 19 ]}

Im März 2023 berichtete das australische Ministerium für Bergbau, Industrie, Regulierung und Sicherheit, dass australische Wohnhäuser, die 2019–2020 gebaut wurden und in denen Polybutylenrohre einer bestimmten Marke verwendet worden waren, aufgrund der gemeldeten schwerwiegenden Wasserlecks Gegenstand einer Untersuchung geworden waren. ^{[ 20 ] [ 21 ]}

Es gibt Hinweise darauf, dass Chlor und Chloraminverbindungen im Leitungswasser (oftmals gezielt zugesetzt, um das Bakterienwachstum zu hemmen) die innere chemische Struktur von Polybutylenrohren und den zugehörigen Acetal-Fittings schädigen. ^{[ 22 ]} Die Reaktion mit chloriertem Wasser wird durch Zugspannungen stark beschleunigt und tritt am häufigsten an Stellen mit höchster mechanischer Belastung auf, wie z. B. an Fittings, scharfen Biegungen und Knicken. Lokale Spannungsaufhellungen des Materials gehen der Zersetzung des Polymers in der Regel voraus. Im Extremfall kann diese spannungsinduzierte chemische Korrosion innerhalb weniger Jahre zu Perforationen und Leckagen führen, sie kann aber auch jahrzehntelang ausbleiben. Fittings mit weicher Kompressionsdichtung können eine ausreichende Lebensdauer gewährleisten.

Da die chemische Reaktion des Wassers mit dem Rohr im Inneren des Rohrs stattfindet, ist es oft schwierig, das Ausmaß der Beschädigung abzuschätzen. Das Problem kann sowohl zu schleichenden Lecks als auch zu Rohrbrüchen ohne jegliche Vorwarnung führen. Die einzige langfristige Lösung besteht darin, die Polybutylen-Rohrleitungen im gesamten Gebäude vollständig zu ersetzen. ^{[ 23 ]}

• Forensische Ingenieurwissenschaften
• Forensische Polymertechnik
• Polymerabbau
• Polybutylenterephthalat

• Dunlop, Carson (2003). „Verdächtige Verbindungen an Polybutylenrohren“ . Grundlagen der Hausinspektion: Sanitärinstallationen . Chicago: Dearborn Home Inspection Education. S.  84–87 . ISBN 978-0-7931-7939-8Die