Strahlenbeständige Kunststoffe

Strahlenbeständige Kunststoffe werden überall dort eingesetzt, wo Bauteile dauerhaft oder wiederholt Gamma-, Röntgen-, Elektronen- oder Neutronenstrahlung ausgesetzt sind. Die Strahlungsfestigkeit eines Kunststoffs hängt dabei nicht allein vom Polymer ab. Auch Strahlungsart, absorbierte Dosis, Dosisleistung, Temperatur, Sauerstoffeinfluss und mechanische Belastung bestimmen, wie lange ein Werkstoff seine Eigenschaften behält.

Besonders Hochleistungskunststoffe wie PEEK und Polyimid (PI) besitzen eine hohe Beständigkeit gegenüber energiereicher Strahlung. Andere Kunststoffe reagieren wesentlich empfindlicher oder eignen sich nur für bestimmte Strahlungsarten. Für die Werkstoffauswahl sollte deshalb immer betrachtet werden, welcher Strahlung das spätere Bauteil tatsächlich ausgesetzt ist.

Grundlagen: Wirkung von Strahlung auf Kunststoffe

Ionisierende Strahlung kann die Molekülstruktur von Kunststoffen verändern. Abhängig von Werkstoff und Belastung können dabei Molekülketten gespalten oder neu vernetzt werden. In der Folge können sich mechanische, elektrische, optische oder chemische Eigenschaften verändern.

Der Begriff Strahlenbeständigkeit beziehungsweise Strahlungsfestigkeit beschreibt daher nicht einen einzelnen festen Materialwert. Ein Kunststoff kann beispielsweise gegenüber Röntgenstrahlung sehr beständig sein, bei einer anderen Strahlungsart oder unter zusätzlichen thermischen und mechanischen Belastungen jedoch deutlich schneller altern.

Für die praktische Werkstoffauswahl sollten deshalb insbesondere folgende Faktoren berücksichtigt werden:

• Art der Strahlung
• gesamte absorbierte Strahlendosis
• Dosisleistung
• Dauer und Häufigkeit der Bestrahlung
• Umgebungstemperatur
• Sauerstoff beziehungsweise Umgebungsmedium
• mechanische Belastung des Bauteils

Welche Kunststoffe eignen sich bei Röntgenstrahlung?

Bei Anwendungen mit Röntgenstrahlung werden Kunststoffe beispielsweise in medizinischen Geräten, Analyseanlagen, Prüfgeräten, elektrischen Isolatoren oder technischen Bauteilen eingesetzt. Dabei muss zwischen zwei unterschiedlichen Anforderungen unterschieden werden.

Ein röntgenstrahlenbeständiger Kunststoff soll seine mechanischen, elektrischen oder geometrischen Eigenschaften trotz wiederholter Bestrahlung möglichst lange behalten. Ein röntgendetektierbarer Kunststoff verfolgt dagegen ein anderes Ziel: Durch geeignete Füllstoffe oder Modifikationen soll das Bauteil auf einem Röntgenbild sichtbar werden.

Für hohe Belastungen durch Röntgen- und andere energiereiche Strahlung kommen insbesondere Hochleistungskunststoffe wie PEEK und Polyimid infrage. PEEK verbindet seine Strahlenbeständigkeit zusätzlich mit hoher Temperaturbeständigkeit, mechanischer Festigkeit und guter chemischer Beständigkeit.

Typische Einsatzgebiete

• Medizintechnik: Komponenten in Strahlentherapie- und Röntgengeräten, Diagnostiksystemen sowie Bauteile, die wiederholten Sterilisationsprozessen durch Gamma-, Elektronen- oder Röntgenstrahlung ausgesetzt werden.
• Nukleartechnik: Isolatoren, Halterungen, Dichtungen und konstruktive Bauteile in strahlenbelasteten Bereichen.
• Elektronik und Elektrotechnik: Isolierende und dimensionsstabile Komponenten in Geräten und Anlagen mit erhöhter Strahlenbelastung.
• Luft- und Raumfahrt: Leichte Hochleistungsbauteile, die zugleich thermischen, mechanischen und strahlungsbedingten Belastungen standhalten müssen.
• Forschung und Prüftechnik: Komponenten für Analysegeräte, Teilchenbeschleuniger, Detektorsysteme und andere strahlenexponierte Einrichtungen.

Geeignete Kunststoffe für strahlenbeständige Anwendungen

Polyetheretherketon (PEEK)

PEEK zählt zu den besonders strahlenbeständigen thermoplastischen Hochleistungskunststoffen. Der Werkstoff kombiniert eine hohe mechanische Festigkeit mit ausgezeichneter Temperatur- und Chemikalienbeständigkeit und besitzt gleichzeitig eine hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber energiereicher Strahlung.

Gerade bei Gamma- und Röntgenstrahlung kann PEEK seine technischen Eigenschaften über vergleichsweise hohe Strahlendosen hinweg erhalten. Deshalb wird das Material unter anderem in der Medizintechnik, Elektronik, Luft- und Raumfahrt sowie in nukleartechnischen Anwendungen eingesetzt.

Typische Bauteile sind Isolatoren, Dichtungen, Lagerkomponenten, Verbindungselemente oder konstruktive Teile in strahlenbelasteten Baugruppen.

Wenn neben der Strahlenbeständigkeit auch hohe Temperatur-, Chemikalien- und mechanische Belastbarkeit gefordert sind, ist PEEK Kunststoff häufig einer der ersten Werkstoffe, die bei der Materialauswahl geprüft werden sollten.

Polytetrafluorethylen (PTFE)

PTFE besitzt eine ausgezeichnete chemische Beständigkeit, sehr niedrige Reibungswerte und einen breiten Temperatureinsatzbereich. Gegenüber hochenergetischer ionisierender Strahlung ist der Werkstoff jedoch deutlich empfindlicher als beispielsweise PEEK oder Polyimid.

Unter zunehmender Strahlendosis kann PTFE durch Kettenspaltung an mechanischer Belastbarkeit verlieren und verspröden. Für dauerhaft stark bestrahlte Bauteile sollte deshalb geprüft werden, ob ein strahlenbeständigerer Hochleistungskunststoff eingesetzt werden kann.

PTFE bleibt dennoch interessant, wenn vor allem Chemikalienbeständigkeit, Gleiteigenschaften oder Temperatureinsatz im Vordergrund stehen und die Strahlenbelastung entsprechend begrenzt ist.

Polyimide (PI)

Polyimide zählen zu den besonders temperatur- und strahlenbeständigen Hochleistungskunststoffen. Ihre Molekülstruktur ermöglicht eine hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber energiereicher Strahlung, weshalb sie insbesondere bei anspruchsvollen elektrischen und thermischen Anwendungen eingesetzt werden.

Je nach Werkstofftyp eignen sich Polyimide unter anderem für Isolatoren, Lager, Führungen und andere Bauteile, bei denen hohe Temperaturbeständigkeit mit einer guten Strahlungsfestigkeit kombiniert werden muss.

Polyethylen hoher Dichte (HDPE)

HDPE nimmt unter den strahlenbeständigen Kunststoffen eine besondere Rolle ein. Der Werkstoff wird weniger wegen einer generell außergewöhnlich hohen Beständigkeit gegen sämtliche Strahlungsarten eingesetzt, sondern insbesondere aufgrund seiner guten Eigenschaften bei der Abschirmung beziehungsweise Moderation von Neutronenstrahlung.

Sein hoher Wasserstoffanteil unterstützt die Abbremsung schneller Neutronen. Für spezielle Abschirmanwendungen werden deshalb auch modifizierte Polyethylene, beispielsweise mit borhaltigen Zusätzen, eingesetzt.

Damit unterscheidet sich die Funktion von HDPE deutlich von Hochleistungskunststoffen wie PEEK oder PI, bei denen primär der Erhalt der Werkstoffeigenschaften unter ionisierender Strahlung im Vordergrund steht.

Polysulfone (PSU) und Polyethersulfone (PES)

PSU und PES verbinden gute thermische Eigenschaften mit hoher Dimensionsstabilität und einer vergleichsweise guten Beständigkeit gegenüber verschiedenen Sterilisations- und Strahlenbelastungen.

Dadurch kommen diese Werkstoffe unter anderem in der Medizintechnik, Elektrotechnik und bei technischen Komponenten zum Einsatz, bei denen neben der Strahlenbeständigkeit auch Formstabilität und elektrische Eigenschaften wichtig sind.

Vergleich strahlenbeständiger Kunststoffe

Kunststoff	Strahlenbeständigkeit	Besonders geeignet für
PEEK	sehr hoch	Gamma-, Röntgen- und Elektronenstrahlung, anspruchsvolle technische Bauteile
PI	hoch bis sehr hoch	Elektronik, Raumfahrt, Hochtemperaturanwendungen
PSU/PES	mittel bis hoch	Medizintechnik, technische Komponenten
PE/HDPE	anwendungsabhängig	insbesondere Neutronenmoderation und Abschirmung
PC	begrenzt bis mittel	Gehäuse und transparente Komponenten bei moderater Belastung
PTFE	vergleichsweise gering	Anwendungen mit geringer Strahlendosis und hohen Anforderungen an Chemikalien- und Gleiteigenschaften

Die Angaben dienen zur Werkstoffvorauswahl. Für die tatsächliche Strahlungsfestigkeit eines Kunststoffbauteils müssen Strahlungsart, Dosis, Dosisleistung, Temperatur, Bauteilgeometrie und Umgebungsbedingungen gemeinsam betrachtet werden.

Xenontests bei Kunststoffen: Was wird dabei geprüft?

Der Suchbegriff „Xenontests Kunststoffe“ wird häufig im Zusammenhang mit Strahlenbeständigkeit verwendet, beschreibt jedoch eine andere Form der Materialprüfung.

Bei einem Xenontest beziehungsweise einer Xenonbogenprüfung werden Kunststoffe künstlichem Licht und definierten klimatischen Bedingungen ausgesetzt. Damit lassen sich insbesondere Alterungs- und Bewitterungseffekte durch Tageslicht, UV-Anteile, Temperatur und Feuchtigkeit untersuchen.

Für Kunststoffe ist hierfür insbesondere die DIN EN ISO 4892-2 relevant.

Ein Xenontest beurteilt damit hauptsächlich die Licht- und Witterungsbeständigkeit eines Kunststoffs. Er ist nicht mit einer Prüfung der Beständigkeit gegenüber ionisierender Gamma-, Elektronen- oder Röntgenstrahlung gleichzusetzen.

Wenn Ihre Anwendung hauptsächlich im Außenbereich liegt, finden Sie ergänzende Informationen zu UV-beständigen Kunststoffen.

Worauf sollte man bei der Auswahl eines strahlenbeständigen Kunststoffs achten?

1. Welche Strahlungsart tritt auf?
   Gamma-, Röntgen-, Elektronen- und Neutronenstrahlung wirken unterschiedlich auf Polymere.
2. Welche Gesamtdosis muss das Bauteil überstehen?
   Für die Lebensdauer ist häufig die kumulierte absorbierte Strahlendosis wichtiger als eine kurzfristige Belastung.
3. Welche Eigenschaften müssen erhalten bleiben?
   Je nach Anwendung können Zugfestigkeit, Dehnung, elektrische Isolation, Dimensionsstabilität oder Transparenz relevant sein.
4. Welche zusätzlichen Belastungen treten auf?
   Temperatur, Chemikalien, Feuchtigkeit, Sauerstoff und mechanische Belastungen können die Alterung zusätzlich beeinflussen.
5. Wird Halbzeug oder ein fertiges Bauteil benötigt?
   Neben dem Polymer müssen auch Materialqualität, Modifikation, Bauteilgeometrie und Verarbeitung berücksichtigt werden.

Bei anspruchsvollen Anwendungen sollte die Materialauswahl deshalb immer anhand der konkreten Betriebsbedingungen erfolgen. Informationen zur chemischen Beständigkeit von Kunststoffen helfen zusätzlich bei der Werkstoffauswahl, wenn neben Strahlung auch aggressive Medien auftreten.

Vorteile von Kunststoffen gegenüber Metallen

• geringes Gewicht bei gleichzeitig hoher technischer Leistungsfähigkeit
• gute elektrische Isolationseigenschaften
• hohe Korrosions- und Chemikalienbeständigkeit vieler Werkstoffe
• gute Bearbeitbarkeit und konstruktive Gestaltungsfreiheit
• je nach Werkstoff geringe Reibung und gute tribologische Eigenschaften

Gerade in strahlenbelasteten Anwendungen können diese Eigenschaften dazu beitragen, Bauteile leichter, elektrisch isolierend und korrosionsbeständig auszulegen. Ob Kunststoff gegenüber Metall die bessere Lösung ist, hängt jedoch von der konkreten Belastung und den geforderten Eigenschaften ab.

Herausforderungen und Grenzen

Auch strahlenbeständige Kunststoffe sind nicht unbegrenzt belastbar. Mit steigender Gesamtdosis können sich beispielsweise Festigkeit, Bruchdehnung, Farbe, elektrische Eigenschaften oder Dimensionsstabilität verändern.

Für die Werkstoffauswahl ist außerdem wichtig, die Strahlungsarten voneinander zu unterscheiden, da Gamma-, Röntgen-, Elektronen- und Neutronenstrahlung unterschiedliche Anforderungen an den Werkstoff stellen. UV-Strahlung gehört dagegen zur nicht-ionisierenden Strahlung und sollte hinsichtlich Materialalterung und Bewitterung separat betrachtet werden.

Bei sicherheitskritischen Anwendungen sollten Werkstoffdaten, Prüfbedingungen und reale Einsatzbedingungen deshalb sorgfältig miteinander abgeglichen werden. Eine allgemeine Einstufung als „strahlenbeständig“ ersetzt keine anwendungsspezifische Bewertung.

Zukunftsperspektiven

Die Anforderungen an strahlenbeständige Kunststoffe steigen mit neuen Anwendungen in Medizintechnik, Raumfahrt, Energie- und Forschungstechnik. Gleichzeitig werden Polymerwerkstoffe und Compounds gezielt weiterentwickelt, um Strahlenbeständigkeit mit hoher Temperaturfestigkeit, geringem Gewicht oder speziellen elektrischen Eigenschaften zu verbinden.

Für Konstrukteure eröffnet dies zusätzliche Möglichkeiten, metallische Bauteile durch leistungsfähige Kunststoffe zu ersetzen oder bestehende Anwendungen technisch weiterzuentwickeln.

Zusammengefasst

Die Strahlenbeständigkeit von Kunststoffen ist besonders in der Medizintechnik, Nukleartechnik, Elektronik und Luft- und Raumfahrt von Bedeutung. Hochleistungskunststoffe wie PEEK und Polyimid können auch unter energiereicher Gamma-, Röntgen- oder Elektronenstrahlung eine hohe technische Leistungsfähigkeit erreichen.

Welcher Werkstoff geeignet ist, hängt jedoch immer von Strahlungsart, Gesamtdosis, Temperatur, Umgebungsbedingungen und den geforderten Bauteileigenschaften ab. Während PEEK beispielsweise für besonders anspruchsvolle strahlenbelastete Komponenten interessant ist, wird Polyethylen unter anderem für Anwendungen im Bereich der Neutronenabschirmung eingesetzt.

Eine pauschale Einstufung nach „strahlenbeständig“ oder „nicht strahlenbeständig“ reicht für die technische Werkstoffauswahl deshalb nicht aus. Maßgeblich ist immer das konkrete Belastungsprofil der Anwendung.

Häufige Fragen zu strahlenbeständigen Kunststoffen

Welche Kunststoffe haben eine hohe Strahlungsfestigkeit?

PEEK und Polyimide gehören zu den Kunststoffen mit besonders hoher Widerstandsfähigkeit gegenüber energiereicher Strahlung. Je nach Strahlungsart können außerdem PSU, PES beziehungsweise weitere Hochleistungskunststoffe infrage kommen.

Welcher Kunststoff ist gegen Röntgenstrahlung beständig?

Für Bauteile, die regelmäßig Röntgenstrahlung ausgesetzt sind, wird häufig PEEK eingesetzt. Auch Polyimide und verschiedene Hochleistungskunststoffe können eine gute Beständigkeit besitzen. Die konkrete Eignung hängt von Strahlendosis, Temperatur und den geforderten mechanischen Eigenschaften ab.

Was bedeutet Strahlungsfestigkeit bei Kunststoffen?

Die Strahlungsfestigkeit beschreibt, wie gut ein Kunststoff seine relevanten Eigenschaften unter Strahlungseinwirkung behält. Bewertet werden können beispielsweise Festigkeit, Bruchdehnung, Dimensionsstabilität, elektrische Eigenschaften oder optische Veränderungen.

Sind röntgenbeständige und röntgendetektierbare Kunststoffe dasselbe?

Nein. Ein röntgenbeständiger Kunststoff soll durch die Strahlung möglichst wenig geschädigt werden. Bei einem röntgendetektierbaren Kunststoff wird das Material dagegen gezielt so modifiziert, dass ein Bauteil auf einer Röntgenaufnahme erkannt werden kann.

Was wird bei Xenontests von Kunststoffen geprüft?

Xenontests simulieren die Einwirkung von Tageslicht beziehungsweise Bewitterung auf Kunststoffe. Dabei werden unter anderem Licht, UV-Anteile, Temperatur und Feuchtigkeit berücksichtigt. Sie dienen nicht zur Bewertung der Beständigkeit gegenüber ionisierender Gamma- oder Röntgenstrahlung.

Ist PTFE strahlenbeständig?

PTFE ist gegenüber ionisierender Strahlung vergleichsweise empfindlich. Bei zunehmender Strahlendosis können sich die mechanischen Eigenschaften deutlich verändern. Für stark strahlenbelastete Anwendungen sind Werkstoffe wie PEEK oder Polyimid häufig besser geeignet.