Impact of talcum reinforcement on gaseous hydrogen permeation and long-term properties of high-density polyethylene

Wasserstoff gilt als vielversprechender alternativer Energieträger für zukünftige Energiesysteme, jedoch stellt sein effizienter und sicherer Transport weiterhin eine Herausforderung dar. Rohrleitungen aus hochdichtem Polyethylen (HDPE) bieten ein gutes Gleichgewicht zwischen Kosten und mechanischer Leistungsfähigkeit, obwohl ihre vergleichsweise hohe Wasserstoffpermeabilität eine Einschränkung darstellt.
In dieser Studie wird die Zugabe von Talkumfüllstoffen zu HDPE untersucht, um die Barriereeigenschaften zu verbessern, ohne die mechanischen Eigenschaften wesentlich zu beeinträchtigen. Zwei verschiedene Talkumtypen mit unterschiedlichen Partikelgrößen wurden in Konzentrationen von 10, 20 und 30 Gew.-% eingearbeitet und die resultierenden Verbundwerkstoffe hinsichtlich ihrer Wasserstoffpermeabilität, ihres thermischen Verhaltens mittels Differenzkalorimetrie und Thermogravimetrischer Analyse, ihrer Verarbeitbarkeit durch Bestimmung der Schmelzflussrate sowie ihrer mechanischen Eigenschaften durch Kurzzeittests (Zugversuche, Charpy-Schlagzähigkeit, dynamisch-mechanische Analyse) und Langzeittests (Ermüdungsrissprüfung an Rundproben) untersucht. Zusätzlich erfolgte eine mikrostrukturelle Charakterisierung mittels Rasterelektronenmikroskopie.
Die Zugabe von Talkum führte zu einer signifikanten Reduktion der Wasserstoffpermeabilität – um bis zu 40 % bei höchster Füllstoffkonzentration – sowie zu einer erhöhten Steifigkeit und thermischen Stabilität. Der Talkum mit feinerer Partikelgröße und besserer Dispersion zeigte im Vergleich zum gröberen Talkum ein besseres mechanisches Eigenschaftsportfolio, insbesondere hinsichtlich der Ermüdungsbeständigkeit. Bei hohen Füllstoffgehalten wurden jedoch Versprödung und eine verminderte Schlagzähigkeit festgestellt. HDPE-Verbunde mit 10–20 Gew.-% des feineren Talkums zeigten ein optimales Verhältnis zwischen verringerter Permeabilität und langfristiger Beständigkeit. Diese Ergebnisse unterstreichen das Potenzial dieser Materialien als kosteneffiziente, leistungsfähige Lösung für zukünftige Wasserstoffrohrleitungsanwendungen.