TY - THES A1 - Jaunich, Matthias T1 - Tieftemperaturverhalten von Elastomeren im Dichtungseinsatz N2 - Elastomerdichtungen finden als Bauteil oder Maschinenelement vielseitige Verwendung. Jedoch war trotz ihrer zentralen Bedeutung die untere Temperaturgrenze, bis zu der solche Dichtungen eingesetzt werden können, bisher nicht tiefgehend verstanden. Dieser Umstand erschwert die entsprechende notwendige sicherheitsrelevante Beurteilung. Mit der vorliegenden Arbeit ist deshalb das Ziel verfolgt worden, dass Materialverhalten repräsentativer Elastomerwerkstoffe in Abhängigkeit von der Temperatur zu verstehen und daraus dann abzuleiten, bis zu welcher Temperatur eine daraus hergestellte Dichtung unter Berücksichtigung der jeweiligen Einsatzbedingungen ihre Funktion noch sicher erfüllen kann. Ausgehend von der in der Literatur beschriebenen Aussage, dass eine Dichtung auch unterhalb der „Glasübergangstemperatur“ funktionsfähig ist, wurde der Einfluss des Glas-Gummi-Übergangs auf das Dichtungsversagen untersucht. Zunächst wurden dazu die Glasübergangstemperaturen an einer Vielzahl von Elastomeren mit gebräuchlichen Verfahren bestimmt, um diese mit dem Verhalten der Dichtung vergleichen zu können. Weiterhin wurde im Rahmen der Arbeit eine neue Charakterisierungsmethode des Tieftemperaturverhaltens von Elastomeren entwickelt, die die bisher für Dichtungen eingesetzte Normprüfung des Druckverformungsrests nachstellt. Mit dieser Methode ist im Vergleich zur Normprüfung jedoch eine deutlich schnellere und automatisierbare Untersuchung des Materialverhaltens gegeben. Darüber hinaus ist durch eine modellgestützte Auswertung eine Extrapolation der Messdaten auf zusätzliche Temperaturen möglich, wodurch der experimentelle Aufwand weiter reduziert wird. Zur temperaturabhängigen Charakterisierung des Versagensvorgangs an realen Bauteilen wurde deren Dichtverhalten mittels eines dafür entwickelten Versuchsstandes untersucht. Die festgestellte Abhängigkeit der Versagenstemperatur vom Verpressgrad konnte unter Verwendung der Ergebnisse aller angewandten Charakterisierungsmethoden für die hier untersuchten statisch beanspruchten Dichtungen erklärt werden. Zudem lassen sich aus dem mit Hilfe des Zeit-Temperatur- Superpositionsprinzips gewonnenen Informationen zur Zeitabhängigkeit der Materialeigenschaften auch Aussagen zum Verhalten von dynamisch beanspruchten Dichtungen ableiten. Mit dem Ergebnis der Arbeit zum Verständnis des Verhaltens von Elastomerdichtungen bei tiefen Temperaturen wird die gezielte Beurteilung und Auswahl von sicherheitsrelevanten Dichtsystemen in Zukunft vereinfacht. N2 - Elastomeric seals are of high importance as machine parts and construction elements, but in spite of this the low temperature limit for the use of a seal was not fully understood. Hence, the required safety relevant evaluation of the lowest acceptable operating seal temperature is difficult. Therefore the presented work was aimed to understand the temperature dependent material behaviour of representative elastomers and to conclude from this knowledge the low temperature limit down to which such seals could safely fulfil the desired requirements. Starting with the published statement that a seal can safely work below its glass Transition temperature the influence of the glass-rubber-transition was investigated. At first the glass-rubber-transition temperatures of the selected elastomers were determined applying several techniques to allow a comparison with the behaviour of the seals during component tests. Furthermore a new method to characterise the low temperature behaviour of elastomers was developed that emulates the key features of the standardised compression set test used for seal materials. In comparison to the standardized test this new method allows a much faster measurement that can be automatically performed. Using a model based data analysis an extrapolation of the results to different temperatures can be performed and therefore the necessary measuring expenditure can be additionally reduced. For the temperature dependent characterisation of the failure process of real seals a measurement setup was designed and the materials behaviour was investigated. By use of the results of all applied characterisation techniques the observed dependence of the failure temperature on the degree of compression could be explained for the investigated seals under static load. Additionally information about the behaviour of such seals under dynamic load could be gained from the time dependent material behaviour by use of the time temperature superposition relationship. By application of the gained insight into the behaviour of elastomeric seals at low temperatures the evaluation and selection of safety relevant seal systems will be simplified in the future. T3 - BAM Dissertationsreihe - 79 KW - leakage rate KW - Elastomer KW - Dichtung KW - Tieftemperaturverhalten KW - Glas-Gummi-Übergang KW - Leckagerate KW - seal, rubber KW - low temperature behavior KW - glass-rubber transition PY - 2012 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-794 SN - 978-3-9814634-3-9 SN - 1613-4249 VL - 79 SP - 1 EP - 153 PB - Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) CY - Berlin AN - OPUS4-79 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Jaunich, Matthias A1 - Wolff, Dietmar A1 - Stark, Wolfgang ED - Riedl, A. T1 - Was passiert bei tiefen Temperaturen? - Dichtungsverhalten im Bereich des Glasübergangs N2 - Elastomere werden vielfach als Dichtungsmaterial für verschiedene Anwendungen eingesetzt. In vielen Bereichen ist die Funktion der Dichtung auch bei tiefen Temperaturen erforderlich. Daher ist das Verständnis des Versagensmechanismus von großer Bedeutung. Normalerweise werden Elastomere oberhalb ihres Glass-Gummi Umwandlungsbereiches eingesetzt, wobei die minimale Einsatztemperatur nicht exakt definiert ist. Daher ist es sinnvoll, diese untere Temperatureinsatzgrenze in Abhängigkeit von den Materialeigenschaften zu bestimmen. Hierfür werden die Ergebnisse der thermischen Analyse mit den Resultaten des Druckverformungsrests aus einer abgewandelten Messung mit der Dynamisch Mechanischen Analyse (DMA) kombiniert. Weiterhin werden Ergebnisse von Bauteilversuchen vorgestellt und diskutiert. Die vorgestellten Untersuchungen wurden zum großen Teil auf Untersuchungen im Rahmen der Dissertation von M. Jaunich durchgeführt. T2 - XVIII. Dichtungskolloquium - Sichere und zuverlässige Dichtverbindungen CY - Rheine, Germany DA - 25.09.2013 KW - Dichtung KW - Glasübergang KW - Elastomer KW - Druckverformungsrest PY - 2013 SN - 978-3-8027-2216-5 SP - 51 EP - 58 PB - Vulkan AN - OPUS4-29221 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - GEN A1 - Jaunich, Matthias A1 - Probst, Ulrich A1 - Schulz, Sebastian A1 - Wolff, Dietmar A1 - Stark, Wolfgang ED - Berger, K.-F. ED - Kiefer, S. T1 - Elastomere - Untersuchung des Tieftemperaturverhaltens im Dichtungseinsatz N2 - Aufgrund ihrer einfachen und zuverlässigen Anwendung werden Elastomere für viele Dichtungsaufgaben eingesetzt. In vielen Anwendungsbereichen, wie z.B. Verkehr, Luftfahrt und Verfahrenstechnik, können während des Einsatzes tiefe Temperaturen auftreten, bei denen die Funktionsfähigkeit der Dichtung erhalten bleiben muss. Daher ist die Untersuchung des Verhaltens von Elastomerdichtungen bei tiefen Temperaturen wichtig, um ihren Temperatureinsatzbereich nach unten abzugrenzen und dadurch einen verlässlichen Betrieb zu sichern. Ziel dieser Arbeit ist es, den sicheren Einschluss von gefährlichen Gütern unter verschiedenen Umgebungsbedingungen und über lange Zeiten zu ermöglichen bzw. die Materialauswahl entsprechend zu steuern. KW - Dichtung KW - Druckverformungsrest KW - Elastomer KW - Glasübergang PY - 2013 SN - 978-3-9811509-7-1 SP - 82 EP - 91 CY - Mannheim AN - OPUS4-29661 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Jaunich, Matthias A1 - Stark, Wolfgang A1 - Wolff, Dietmar T1 - Comparison of low temperature properties of different elastomer materials investigated by a new method for compression set measurement N2 - The method for the determination of compression set values with a Dynamic Mechanical Analysis (DMA) setup at low temperatures, which was presented previously, allows a much faster and readily automated procedure than the standardized compression set test according to ISO 815-2. This method is applied to a series of different elastomeric materials that are commonly used for sealing applications. The results of the compression set test are compared with results from thermal analysis to allow an in depth comparison of the material behaviour at low temperatures. Furthermore, a comparison between two EPDM materials is presented. These materials show very similar properties determined by thermo analytical methods such as Differential Scanning Calorimetry (DSC) and Dynamic Mechanical Analysis (DMA) but differ clearly in their compression set behaviour. This comparison shows the importance and value of information of the compression set test in addition to thermal analysis to judge the behaviour of sealing materials and confirms the relevance of the new compression set test method for the investigation of low temperature properties of elastomers. KW - Sealing material KW - Elastomer KW - Compression set KW - Dynamic mechanical analysis KW - Low temperature behaviour PY - 2012 DO - https://doi.org/10.1016/j.polymertesting.2012.07.016 SN - 0142-9418 VL - 31 IS - 8 SP - 987 EP - 992 PB - Elsevier Science CY - Amsterdam [u.a.] AN - OPUS4-26538 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Jaunich, Matthias A1 - von der Ehe, Kerstin A1 - Wolff, Dietmar A1 - Völzke, Holger A1 - Stark, Wolfgang T1 - Understanding low temperature properties of elastomer seals N2 - Elastomers are widely used as the main sealing materials for containers for low and intermediate level radioactive waste and as an additional component to metal seals in spent fuel and high active waste containers. The safe encapsulation of the radioactive container inventory has to be guaranteed according to regulation and appropriate guidelines for long term storage periods as well as for temperatures as low as -40°C during transport. Therefore, the understanding of failure mechanisms that lead to leakage at low temperatures is of high importance. It is known that the material properties of elastomers are strongly temperature dependent. At low temperatures, this is caused by the rubber-glass transition (abbreviated: glass transition). During continuous cooling, the material changes from a rubber-like entropy elastic to a stiff energy elastic behaviour, which allows nearly no strain or retraction. Hence, rubbers are normally used above their glass transition, but the minimum working temperature limit is not defined precisely; this can cause problems during the above noted applications. Therefore, the lower operation temperature limit of elastomer seals must be determined in dependence of the material properties. Differential scanning calorimetry (DSC) and dynamic mechanical analysis (DMA) are combined with standardised measurements to determine the compression set according to ISO 815. To reduce the test time of the standard tests, a faster technique than normally used was developed. Additionally, the breakdown temperature of the sealing function of complete O ring seals was measured in a component test set-up to compare it with the results of the other tests. The experimental set-up is capable of measuring the leakage rate at low temperatures by the pressure rise method. A fluorocarbon rubber (FKM) was selected for this investigation as it is often used for radioactive waste containers. The materials (seals and test sheets) were purchased from a commercial seal producer. KW - Sealing material KW - Elastomer KW - Compression set KW - Dynamic mechanical analysis KW - Low temperature behaviour PY - 2011 DO - https://doi.org/10.1179/1746510911Y.0000000004 SN - 1746-5095 SN - 1746-5109 SN - 0957-476X VL - 22 IS - 2 SP - 83 EP - 88 PB - Ramtrans Publ. CY - Ashford AN - OPUS4-24015 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Jaunich, Matthias A1 - Weber, Mike A1 - Kömmling, Anja A1 - Zencker, Uwe A1 - Wolff, Dietmar A1 - Völzke, Holger T1 - Performance of elastomer seals in transport and storage casks N2 - Elastomer seals are widely used as barrier seals in containers for low and intermediate level radioactive waste and for spent fuel transportation casks. In addition, they are also used for spent fuel storage and transportation casks (dual purpose casks (DPC)) as auxiliary seals to allow leakage rate measurements of metal barrier seals for demonstration of their proper assembling conditions. Depending on the area of use, the rubber materials have to demonstrate proper sealing performance with regard to mechanical, thermal, and environmental conditions as well as irradiation during the entire operation period. Concerning DPC, degradation effects should be limited in a way that, for example, effects from potentially released decomposition elements may not harm e.g. metal barrier seals. Leakage rate measurements should be possible also after long interim storage periods prior to subsequent transportation. Because of the complex requirements resulting from the various applications of containers for radioactive waste and spent nuclear fuel, BAM has initiated several test programmes for investigating the behaviour of elastomer seals. In this contribution the current status is described and first results are discussed. T2 - International conference on management of spent fuel from nuclear power reactors: An integrated approach to the back end of the fuel cycle CY - Vienna, Austria DA - 15.06.2015 KW - Ageing KW - Elastomer KW - Glass-rubber transition KW - Irradiation KW - Material model PY - 2015 SP - 1 EP - 8 AN - OPUS4-33553 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Kömmling, Anja A1 - Jaunich, Matthias A1 - Goral, Milan A1 - Wolff, Dietmar T1 - Insights for lifetime predictions of O-ring seals from five-year long-term aging tests N2 - O-rings made of HNBR, EPDM and FKM were aged in the compressed and uncompressed state at 150 °C, 125 °C, 100 °C, 75 °C, 60 °C and 23 °C for aging times of up to five years. Hardness was measured and increased with aging time and temperature for HNBR and EPDM, but it remained practically constant for FKM. Indenter modulus measurements were performed on the lateral O-ring surface (that was free of DLO effects) to assess an influence of the compression during aging, but none was detected. The equilibrium compression set (CS) exhibited faster and stronger degradation than hardness and was used for lifetime predictions using the time-temperature superposition (TTS) principle. With an end-of-lifetime criterion of 70 % CS, lifetimes of 4.5 years, 50 years and 526 years at 75 °C were estimated for HNBR, EPDM and FKM, respectively. The activation energies derived from an Arrhenius plot of the shift factors from the TTS were 85 kJ/mol, 99 kJ/mol and 78 kJ/mol for HNBR, EPDM and FKM, respectively, revealing that a higher activation energy does not necessarily mean that the material has a higher lifetime at lower temperatures. Furthermore, the measured lifetime of EPDM O-rings at 100 °C (5 years) was compared to that predicted on the basis of the lifetime at 150 °C as well as 125 °C using the corresponding shift factors. The error of the prediction was only ± 4 %. However, this precise prediction could only be achieved using the five-year long-term aging data. When using only data from aging times up to 0.5 years and 2 years, the lifetime of EPDM O-rings at 100 °C was underestimated by 31 % and 22 %, respectively. KW - HNBR KW - EPDM KW - FKM KW - DLO KW - Hardness KW - Compression set KW - Rubber KW - Elastomer KW - Degradation PY - 2020 DO - https://doi.org/10.1016/j.polymdegradstab.2020.109278 VL - 179 SP - 109278 PB - Elsevier Ltd. AN - OPUS4-51060 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Kömmling, Anja A1 - Jaunich, Matthias A1 - Wolff, Dietmar T1 - Alterung von Elastomerdichtungen für Lagerbehälter N2 - Unsere Aufgabe im Fachbereich 3.4 der Bundesanstalt für Materialforschung und prüfung (BAM) ist die sicherheitstechnische Begutachtung von Transport- und Lagerbehältern für radioaktiven Abfall, die für langfristige Zwischenlagerung ausgelegt sind. Ein Arbeitsschwerpunkt ist die Bewertung der Lebensdauer von Metall- und Elastomerdichtungen in den Behältern im Hinblick auf die Anforderungen für langfristige Behältersicherheit (min. 40 Jahre in Deutschland). Um die Eigenschaftsänderungen der Elastomerdichtungen während einer beschleunigten Alterung über lange Zeiträume (bis zu fünf Jahre) untersuchen zu können, wurde ein Alterungsprogramm an ausgewählten Elastomeren (HNBR, EPDM, FKM) begonnen. Im Gegensatz zu Normalterungsverfahren altern wir keine Normteile, sondern O-Ringe im unverpressten sowie verpressten Zustand. Diese Vorgehensweise ermöglicht die Bewertung des Einflusses der Verpressung auf die Alterung sowie die Untersuchung des Bauteilversagens mittels Leckageratenmessungen unter anwendungsnahen Bedingungen. Weitere Charakterisierungsmethoden sind Härtemessung, dynamisch-mechanische Analyse (DMA), Thermogravimetrie (TGA), Druckspannungsrelaxation, Druckverformungsrest (DVR), Dichtebestimmung und Zugversuch. Das Ziel ist, die Leckagerate mit anderen Eigenschaften bzw. Methoden zu korrelieren, um so ein aussagekräftiges und leichter zu bestimmendes Lebensdauerkriterium für elastomere O-Ringe abzuleiten. Während der Alterung können in Abhängigkeit von Material sowie Alterungsdauer und –temperatur Inhomogenitäten aufgrund von diffusionsbegrenzter Oxidation auftreten, durch die sich unterschiedliche Eigenschaften an der Oberfläche und im Volumen der Dichtung ergeben, was zu falschen Lebensdauerabschätzungen führen kann. Mittels Mikrohärtemessung über den Querschnitt werden diese Effekte charakterisiert und bei der Extrapolation mittels Zeit-Temperatur-Verschiebung und Arrheniusgraph berücksichtigt. Bisher liegen Daten von bis zu einem Jahr bei vier verschiedenen Temperaturen (75 °C, 100 °C, 125 °C und 150 °C) gealterten Proben vor. Nach 100 Tagen bei 150 °C weisen HNBR und EPDM schon einen DVR von über 80 % auf, aber noch keinen signifikanten Anstieg der Leckagerate. Diese sinkt zunächst während der Alterung, da die Permeabilität aufgrund von Vernetzungsreaktionen sinkt. Bei HNBR ist dies aufgrund der dominanteren Vernetzungsreaktionen während der Alterung noch stärker ausgeprägt als bei EPDM. T2 - Technomer 2015 - 24. Fachtagung über Verarbeitung und Anwendung von Polymeren CY - Chemnitz, Germany DA - 12.11.2015 KW - Aging KW - Elastomer KW - Seal KW - Leakage KW - Compression PY - 2015 SN - 978-3-939382-12-6 SP - 43 CY - Chemnitz AN - OPUS4-35050 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Kömmling, Anja A1 - Jaunich, Matthias A1 - Wolff, Dietmar T1 - Ageing of elastomeric seals for storage containers N2 - At BAM Federal Institute for Materials Research and Testing in Germany, it is our responsibility to audit the safety of casks designed for transport and/or storage of radioactive material. With regard to the requirements on long-term safety of the containers, it is necessary to evaluate the service lifetime of the elastomeric seals used in the containers. With ageing, the elastomers will gradually lose their elasticity and their ability for recovery, which might result in a leakage above the allowed level or in a release of radioactivity during an incident. It is important to know the rate of degradation and which property can be used as an practical and easily measurable end-of-lifetime criterion. For this reason, we devised ageing experiments on different kinds of elastomers, namely FKM, EPDM and HNBR. The former two are actually used in containers for radioactive wastes – either as auxiliary seal in casks containing high activity waste, or as main seal in casks for medium or low activity waste. The latter is an often used seal material that is tested for comparative reasons. In our ageing program, these three materials are aged at four different temperatures (75 °C, 100 °C, 125 °C and 150 °C) in order to extrapolate the data to service temperature using a suitable model. They are examined at logarithmic time intervals of several days up to 5 years. The samples are aged in their undeformed O-ring state as well as compressed between flanges with a deformation corresponding to the actual compression during service. Thus we can compare the ageing between relaxed and stressed sample. Additionally, we are ageing samples in flanges that allow leakage rate measurements. Other measurements include monitoring of the recovery force of the seal and the compression set. Furthermore, the samples are examined by thermal and dynamic-mechanical analysis for detecting changes in the glass transition temperature due to crosslinking or chain scission in the material. Besides, hardness is measured as a practical macroscopic indicator. Until now, we have analyzed samples aged up to 100 days. At the highest ageing temperature of 150 °C, the compressed EPDM has already reached a compression set of 95 %, while HNBR and FKM have reached 80 % and 30 %, respectively. Furthermore, HNBR has reached a Shore D hardness of 85, which is an immense increase after the initial value of 80 Shore A. However, when looking at the cross-section of the sample, it was obvious that only a layer of about 1 mm thickness has become so hard, while the inner part remained rubbery. This shows that there has been intense crosslinking mostly near the surface of the HNBR which forms a kind of oxygen diffusion barrier, inhibiting the thermooxidation of the inner part of sample which can retain elastic properties. In EPDM, the oxygen permeability is much greater, which leads to a more homogeneous degradation across the whole sample and thus resulted in a higher compression set. The low compression set of FKM shows the outstanding high-temperature properties of this material. T2 - Annual Meeting on Nuclear Technology 2015 CY - Berlin, Germany DA - 2015-05-05 KW - Elastomer KW - Rubber KW - Aging KW - Lifetime KW - Seal KW - Cask KW - Compression PY - 2015 SN - 978-3-926956-98-9 SP - 1 EP - 10(?) PB - INFORUM-Verl. u. Verwaltungsges. AN - OPUS4-33782 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Grelle, Tobias A1 - Wolff, Dietmar A1 - Jaunich, Matthias T1 - Temperature-dependent leak tightness of elastomer seals after partial and rapid release of compression N2 - A device has been designed, built and tested that allows the investigation of effects of dynamic loads on the leak tightness of elastomer seals at low temperatures. With the test setup, the compression of the tested seal can be reduced by a defined degree in a time period of less than 1 s. For the evaluation of the leak tightness, leakage rates can be determined. It was shown that the rapid partial release of an elastomer seal leads to its failure already at the beginning of the rubber–glass transition and, therefore, at significantly higher temperatures than the loss of leak tightness observed under static conditions. KW - Sealing material KW - Elastomer KW - Dynamic loading KW - Low temperature behaviour KW - Leakage rate PY - 2015 DO - https://doi.org/10.1016/j.polymertesting.2015.09.009 SN - 0142-9418 VL - 48 SP - 44 EP - 49 PB - Elsevier Ltd. CY - Amsterdam [u.a.] AN - OPUS4-34445 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER -