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Die Umweltwirkungen auf ein Material werden als Überlapp der Funktionskurven von Materialempfindlichkeit und einwirkenden Umweltparametern betrachtet. Wenn entweder die Empfindlichkeit oder die Beanspruchungen Null sind, ergibt sich auch keine Umweltwirkung und bei beidseitig Werten größer Null das jeweilige Produkt der beiden. Die Akkumulation der nicht-reversiblen Effekte über die Zeit und allen Eigenschaftsänderungen entspricht der Alterung des Materials für den jeweiligen Expositionszeitraum.
Die digitale Umweltsimulation gliedert sich hier in drei Teilaspekte. Ein erster, rein materialwissenschaftlicher Teil hat die Aufgabe, alle relevanten Materialempfindlichkeiten experimentell zu quantifizieren. Ein zweiter – unter Umständen numerischer Teil – hat die Aufgabe, das Bauteil und seine Einbaulage zu digitalisieren und aus den makroskopischen Umgebungsbedingungen die relevanten mikroklimatischen Umweltparameter für alle Oberflächen- oder Volumenelemente zu bestimmen. In einem dritten Teil werden die Einwirkungen über den betrachteten Zeitraum berechnet und kumuliert. Dieses Konzept, das auf den so genannten Expositions-Reaktions-Funktionen (ERF) basiert, wird an Beispielen der Photoxidation erläutert. Dieses Vorgehen wurde schon beim ViPQuali-Projekt als Numerische Umweltsimulation umgesetzt.
Überprüft werden muss das Modell unbedingt an einer realitätsnahen Validierungsbeanspruchung. Hier werden die ermittelten ERFs mit über den kompletten Beanspruchungszeitraum geloggten Umweltparametern gekoppelt, um die berechnete mit der experimentell erfahrenen Alterungswirkung zu vergleichen. Nur so kann sichergestellt sein, dass alle für die Anwendungsumgebung relevanten Materialempfindlichkeiten einbezogen wurden.
Die Umweltwirkungen auf ein Material werden als Überlapp der Funktionskurven von Materialempfindlichkeit und einwirkenden Umweltparametern betrachtet. Wenn entweder die Empfindlichkeit oder die Beanspruchungen Null sind, ergibt sich auch keine Umweltwirkung und bei beidseitig Werten größer Null das jeweilige Produkt der beiden. Die Akkumulation der nicht-reversiblen Effekte über die Zeit und allen Eigenschaftsänderungen entspricht der Alterung des Materials für den jeweiligen Expositionszeitraum.
Die digitale Umweltsimulation gliedert sich hier in drei Teilaspekte. Ein erster, rein materialwissenschaftlicher Teil hat die Aufgabe, alle relevanten Materialempfindlichkeiten experimentell zu quantifizieren. Ein zweiter – unter Umständen numerischer Teil – hat die Aufgabe, das Bauteil und seine Einbaulage zu digitalisieren und aus den makroskopischen Umgebungsbedingungen die relevanten mikroklimatischen Umweltparameter für alle Oberflächen- oder Volumenelemente zu bestimmen. In einem dritten Teil werden die Einwirkungen über den betrachteten Zeitraum berechnet und kumuliert. Dieses Konzept, das auf den so genannten Expositions-Reaktions-Funktionen (ERF) basiert, wird an Beispielen der Photoxidation erläutert. Dieses Vorgehen wurde schon beim ViPQuali-Projekt als Numerische Umweltsimulation umgesetzt.
Überprüft werden muss das Modell unbedingt an einer realitätsnahen Validierungsbeanspruchung. Hier werden die ermittelten ERFs mit über den kompletten Beanspruchungszeitraum geloggten Umweltparametern gekoppelt, um die berechnete mit der experimentell erfahrenen Alterungswirkung zu vergleichen. Nur so kann sichergestellt sein, dass alle für die Anwendungsumgebung relevanten Materialempfindlichkeiten einbezogen wurden.
Aufgrund des tieferen Eindringens der solaren Strahlung treten bei transparenten und bei transluzenten (durchscheinenden) Kunststoffen veränderte Bedingungen gegenüber opaken Proben auf. Dies kann zu speziellen Effekten und damit zu einem abweichenden Bewitterungsverhalten führen. Auch aus Mangel an geeigneten Normen werden diese Effekte häufig vernachlässigt. Deshalb initiiert der DIN-FNK auf ISO-Ebene ein entsprechendes Dokument.
Die Norm ist in der Form eines Technical Reports geplant. In einem ersten Teil sollen die Besonderheiten transparenter oder transluzenter Kunststoffe erläutert werden, um den Nutzer für mögliche Probleme zu sensibilisieren. Im zweiten Teil werden Empfehlungen für Bestrahlung oder Bewitterung herausgearbeitet. In einem dritten Teil geht es dann um Besonderheiten bei der Messung von Eigenschaftsänderungen transparenter bzw. transluzenter Kunststoffe. In informativen Anhängen sollen verschiedene Beispiele die Thematik illustrieren.
Mit dem stetigen weltweiten Anstieg der Nachfrage nach Polymerprodukten nimmt auch die potenzielle Menge an Kunststoffabfällen in der Umwelt zu. Problematisch ist, dass viele der wirtschaftlich relevantesten Kunststoffe sehr lange brauchen, um in der Umwelt abzubauen, sich dort akkumulieren und in kritisch betrachtetes Makro- und Mikroplastik zu zerfallen. Auf der Grundlage des Vorsorgeprinzips fordert die Europäische Kommission daher die Entwicklung neuer polymerer Materialien, die diesem Problem der Persistenz entgegenwirken und unter natürlichen Umweltbedingungen schneller abgebaut werden können. 1,2
Um dieses Problem anzusprechen, wurden mittels additiver Fertigung Polymerblends aus photooxidationsempfindlichem Polystyrol (PS) und hydrolyseempfindlicher Polymilchsäure (PLA) hergestellt. Die Hypothese war, dass sich die beiden Thermoplaste aufgrund ihrer unterschiedlichen Abbauprozesse gegenseitig in ihrem Abbau unterstützen, wenn sie unter moderaten, realitätsnahen Umweltalterungsbedingungen (45 °C) abwechselnd der Photooxidation und Hydrolyse ausgesetzt werden.
In der Praxis zeigten die Ergebnisse, dass die Degradation von PLA durch die Anwesenheit von PS deutlich beschleunigt worden ist – wohingegen die Degradation von PS gehemmt wurde. In diesem Vortrag werden die detaillierten Ergebnisse der Oberflächen- (ATR-FTIR, REM) und Bulk-Analysen (DSC, TGA, FTIR-Transmission, TED-GC/MS) der Blends sowie ergänzende Mikroplastik-Ergebnisse des umgebenden Wassermediums (TED-GC/MS) erörtert.
Bare steel constructions are often integrated in modern buildings. Intumescent coatings are widely used to protect the steel from heating up too quickly in a case of fire. As the functionality of intumescent coatings decreases with the impact of weathering processes, it is important to understand the mechanisms of material degradation to maintain long durability. The weathering-induced degradation behavior of a water-borne intumescent coating was examined, and the weakest points of the formulation were identified by a systematic approach. Resulting from this investigation, adjustments to the formula were made, leading to improved weathering resistance.
Gegenstand der vorzustellenden Arbeiten ist die Prüfung der Umwelt-beständigkeit und -verträglichkeit von Materialien und Produkten hinsichtlich der Emission von potenziellen Schadstoffen in die Umwelt. Hierzu werden chemisch-physikalische Einflüsse (Bewitterung) und mikrobielle Beanspruchungen an Modellmaterialien evaluiert. So werden die Freisetzungsraten von Schadstoffen in Abhängigkeit der Beanspruchung beschrieben. Als Modellmaterialien kommen die Polymere Polystyrol (PS) und Polypropylen (PP) zum Einsatz. Synergistische Effekte der Bewitterungsparameter und der mikrobiologischen Beanspruchung sollen dabei ebenso betrachtet werden, wie die gezielte Alterung. Auch findet eine Beschreibung des Verhaltens der ausgetragenen Schadstoffe in den Umweltkompartimenten Boden oder Wasser statt. Hier sind mit Hilfe der zu entwickelnden Screening- und non-Target-Analyseverfahren die Transformation und der Metabolismus durch Mikroorganismen zu beschreiben. Aus den Ergebnissen sollen Korrelationen zwischen den künstlichen Alterungsverfahren und realen Szenarien abgeleitet werden.
Häufig ist es wünschenswert, für neue Materialien oder Anwendungen künstliche Bewitterungsverfahren zu benutzen, die auf die spezifischen Anforderungen besser zugeschnitten sind, als es bei bestehenden standardisierten Verfahren der Fall ist. Nachdem man die spezifischen Parameter der Beanspruchung unter Anwendungsbedingungen und die spezifische Empfindlichkeit des Materials erfasst hat, beginnt ein Prozess, der als „Test Tailoring“ häufig abstrakt verwendet, auf den aber nur selten näher eingegangen wird. Genau dieser Prozess soll hier am Beispiel der Entwicklung eines künstlichen Bewitterungstests unter saurer Beaufschlagung, dem in der BAM entwickelten Acid Dew and Fog Test, beispielhaft erläutert werden.
Häufig ist es wünschenswert, für neue Materialien oder Anwendungen künstliche Bewitterungsverfahren zu benutzen, die auf die spezifischen Anforderungen besser zugeschnitten sind, als es bei bestehenden standardisierten Verfahren der Fall ist. Nachdem man die spezifischen Parameter der Beanspruchung unter Anwendungsbedingungen und die spezifische Empfindlichkeit des Materials erfasst hat, beginnt ein Prozess, der als „Test Tailoring“ häufig abstrakt verwendet, auf den aber nur selten näher eingegangen wird. Genau dieser Prozess soll hier am Beispiel der Entwicklung eines künstlichen Bewitterungstests unter saurer Beaufschlagung, dem in der BAM entwickelten Acid Dew and Fog Test, beispielhaft erläutert werden.
Ziel des Projektes war es, schwermetallfreie Schmelzfarben für den Einsatz auf einem Digitaldrucker zu entwickeln. Dafür sollten die Glasfarben, bei Temperaturen unter 630°C verarbeitbar und deren Eigenschaften kompatibel mit denen von Floatgläsern sein. Zudem sollte die aufgeschmolzene Farbe transparent und im Außenbereich eingesetzt beständig sein. Weiterhin mussten die Farben eine Partikelkorngröße kleiner als 20µm besitzen, um die Druckköpfe des Digitaldruckers nicht zu verstopfen. Gute Dispergierbarkeit, thixotropes Verhalten und eine schnelle Trocknung waren weitere Voraussetzungen. Die Ersetzung von PbO durch ZnO und Bi2O3 wurde getestet und zeigte positive Ergebnisse. Ein geeigneter Mahl-und Dispergierprozess wurde entwickelt. Bei der Firma „glas&räume“ wurden die Musterfarben getestet und zeigten ein gutes Druckverhalten. Bedingt durch das Tintenstrahlverfahren erreicht der Farbauftrag keine 100%ige Transparenz. Trotzdem erscheint die transparente keramische Schmelzfarbe im Vergleich zur Verwendung von opaker Schmelzfarbe tatsächlich völlig transparent. Der Unterschied ist signifikant und öffnet so ein neues Kapitel im keramischen Digitaldruck.
Polyurethanes (PU) are formed by polyaddition reaction between diols and diisocyantes. They can be formed utilizing three building blocks, namely a polyol or long-chain diol, a chain extender or short-chain diol, and a diisocyanate. The derived multi-phase block copolymer has thermoplastic properties and is called thermoplastic PU (TPU). This modular approach allows for a variety of alternations yielding a broad range of structural properties and applications. TPUs are based on three main classes of polyols, i.e. polyethers, polyesters, and polycaprolactones. With these different polyols and the ability of changing the ratio of building blocks a variety of material properties can be obtained thus TPUs find numerous applications in e.g. lightweight construction1, insulation, flame retardants, lacquer and glue, as well as medicine.
Linear, isocyanate terminated, polyurethane prepolymers prepared from non-equivalent amounts of diisocyanate such as methylene diphenyl diisocyanate (MDI) attached to a polyol are widely used as precursors of the correspondent polymers. Chain-extending reactions with low molecular weight compounds bearing different amounts of active hydrogens enable both linear and crosslinked polyurethane to be formed.
Due to TPUs being used in a broad range of applications facing a variety of stress (e.g. mechanical, hydrolytic, thermal, radiative/UV, as well as its combinations) the complexity of possible degradation mechanism is high. A functional group derived from degradation of the bulk matrix can be detected utilizing a suited fluorogenic sensor molecule. There are several fluorogenic dyes known for the application as sensor for amine groups e.g. fluorescamine, pyrylium dyes, deriving a fluorescent signal upon reaction.
Einfluss von Feuchte und Nässe auf die Witterungs-induzierte Alterung am Beispiel eines Polyurethans
(2017)
In diesem Beitrag soll der relative Einfluss des Wassers als Feuchte und Nässe unter den Beanspruchungsfaktoren untersucht werden. Die Unterscheidung von Luftfeuchte und Nässe bezüglich ihrer Wirkung ist dabei notwendig, weil die stehende Nässe zusätzliche Extraktionswirkung besitzt und auch die verfügbare Sauerstoffmenge beeinflusst.
Dazu wurde ein Polymer, das im Rahmen des BAM-internen Projektes PolyComp untersucht wird, künstlich bewittert. Hierzu wurde ein Fluoreszenzlampengerät mit UV-A 340 nm Leuchtstoffröhren verwendet, in dessen Probenraum durch zusätzliche Kammern die gleichzeitige Bewitterung unter drei unterschiedlichen Feuchte-Varianten realisiert wurde (bei konstanter Temperatur):
- UV und trocken
- UV und hohe Luftfeuchte
- UV und stehende Nässe
Das gleichzeitige Einwirken der einzelnen Einflussfaktoren kann dabei konkurrierende oder aufeinander folgende chemische Reaktionen und physikalische Prozesse und somit ein anderes Ergebnis bewirken, als wenn sie isoliert nacheinander auf eine Probe eingewirkt hätten.
Über die erwähnten Varianten hinaus kann auch noch der spezifische Einfluss der UV-Strahlung mit untersucht werden, weil die Proben im Bereich ihrer Befestigung verdeckt sind.
Die Methodik und erste Ergebnisse dieser Untersuchung werden präsentiert.
Einfluss von Feuchte und Nässe auf die Witterungs-induzierte Alterung am Beispiel eines Polyurethans
(2017)
Bei der Bewitterung von Polymeren kommt es auf molekularer Ebene zur Alterung, die sich in verschiedenen Eigenschaften als unterschiedlich starke Änderung äußert. Art und Geschwindigkeit dieser molekularen Alterung und die damit einhergehenden Eigenschaftsänderungen hängen dabei neben einer Reihe anderer Einflussfaktoren von der Art und Intensität der Beanspruchung ab.
In diesem Beitrag soll der relative Einfluss des Wassers als Feuchte und Nässe unter den Beanspruchungsfaktoren untersucht werden. Die Unterscheidung von Luftfeuchte und Nässe bezüglich ihrer Wirkung ist dabei notwendig, weil die stehende Nässe zusätzliche Extraktionswirkung besitzt und auch die verfügbare Sauerstoffmenge beeinflusst.
Dazu wurde ein Polymer, das im Rahmen des BAM-internen Projektes PolyComp untersucht wird, künstlich bewittert. Hierzu wurde ein Fluoreszenzlampengerät mit UV-A 340 nm Leuchtstoffröhren verwendet, in dessen Probenraum durch zusätzliche Kammern die gleichzeitige Bewitterung unter drei unterschiedlichen Feuchte-Varianten realisiert wurde (bei konstanter Temperatur):
- UV und trocken
- UV und hohe Luftfeuchte
- UV und stehende Nässe.
Das gleichzeitige Einwirken der einzelnen Einflussfaktoren kann dabei konkurrierende oder aufeinander folgende chemische Reaktionen und physikalische Prozesse und somit ein anderes Ergebnis bewirken, als wenn sie isoliert nacheinander auf eine Probe eingewirkt hätten.
Über die erwähnten Varianten hinaus kann auch noch der spezifische Einfluss der UV-Strahlung mit untersucht werden, weil die Proben im Bereich ihrer Befestigung verdeckt sind.
Die Methodik und erste Ergebnisse dieser Untersuchung werden präsentiert.
Quantitative Auswertemöglichkeiten bei der spektralen Bestrahlung – Berechnung des Wirkungsspektrums
(2017)
Für die Bewertung des Wellenlängeneinflusses auf die Alterungsvorgänge bei der Bestrahlung UV- oder lichtempfindlicher Materialien kann die Methode der spektralen Bestrahlung angewendet werden. Im Prinzip wird dabei das linear dispergierte Spektrum einer Strahlenquelle mit kontinuierlichem Spektrum (z.B. Xe-Lampe) auf eine Probenoberfläche abgebildet, so dass Ort einer Materialänderung und Wellenlänge der Bestrahlung einander zugeordnet werden können. Nachfolgende lokal-auflösende Analysemethoden ermitteln eine Eigenschaftsänderung an einem spezifischen Ort der Probe, aus dem sich dann die Bestrahlungswellenlänge ergibt.
Der verwendete Aufbau wird beschrieben. Es wird an einem ausgewählten Beispiel gezeigt, wie durch geeignete Anbindung eines Messsystems zur Bestimmung der spektralen Bestrahlungsstärke und ortsaufgelöste Messungen der Eigenschaftsänderungen eine quantitative Auswertung realisiert werden kann. Der Einfluss nichtlinearer Alterungsverläufe wird diskutiert. Grenzen der Methode werden aufgezeigt und Erweiterungsmöglichkeiten dargestellt.
Durch das Füllen von Polymeren mit Nanopartikeln oder Nanoröhren werden verbesserte Materialeigenschaften z.B. bezüglich mechanischer Stabilität, Witterungsbeständigkeit, elektrischer Leitfähigkeit und Flammschutz angestrebt. Mit dem vermehrten Einsatz derartiger Nanokomposite gewinnen aber auch Fragen des Umwelt- und Gesundheitsschutzes an Bedeutung. Es gilt zu klären, ob durch Herstellung, Benutzung und Witterungsbeanspruchung möglichweise nanoskalige Partikel freigesetzt werden können. Zu diesem Zweck wurden mit Kohlenstoffnanoröhren, Carbon Nanotubes (CNT), gefüllte Polymerkomposite spektral breitbandig wie auch quasimonochromatisch unter variierter klimatischer Beanspruchung bestrahlt. Die sich vor allem an der Oberfläche mit der Alterung abzeichnenden Veränderungen wurden mikroskopisch und spektroskopisch charakterisiert.
Anwendungen von Bioziden in Materialien für Außenanwendungen sind mögliche Quellen für Biozide in Umweltkompartimenten infolge von witterungsbedingten Auswaschprozessen. Im Bericht werden Leachingprozesse und -parameter als auch Methoden zu deren Untersuchung unter Labor- und Freilandversuchsbedingungen beschrieben. Vorteile und Grenzen der verschiedenen Herangehensweisen zur Untersuchung von Leachingprozessen werden diskutiert. Standardisierte Auswaschtests sowie in der Fachliteratur publizierte Auswaschexperimente werden zusammenfassend dargestellt. Es wird beschrieben, wie Leachingdaten gemäß Technischem Leitfaden zur Biozidprodukten-Richtlinie 98/8/EG für eine Risikobewertung genutzt werden. Ein alternativer Ansatz zur mathematischen Modellierung von Leachingtest-Daten wurde erprobt und wird im Bericht erläutert. Potentiell lassen sich mit dem vorgeschlagenen Ansatz bestimmte gegenwärtig auftretende Schwierigkeiten bei der Risikobewertung umgehen.
Applications of biocides in outdoor materials are potential sources of biocides in environmental compartments due to leaching processes under weathering conditions. Leaching processes and parameters as well as methods to investigate leaching processes under laboratory and semi-field conditons are described in the report. Benefits and limitations of different test approaches are discussed. Standardised leaching tests as well as leaching experiments reported in scientific literature are listed. The application of leaching data for risk assessments according to the Technical Guidance Documents for the Biocidal Products Directive (98/8/EC) is described. An alternative approach for mathematical modelling of leaching data was tested and is Explained in the report. Certain difficulties that currently appear during risk assessments may be circumvented by the proposed approach.
Für Polypropylen unterschiedlicher Stabilisierung wurden in künstlichen Bestrahlungstests sowohl die spektrale Empfindlichkeit als auch die Temperaturabhängigkeit der Rissbildung quantitativ ermittelt. Dafür wurde die Dauer bis zur Rissbildung sowohl bei spektraler Bestrahlung als auch bei Bestrahlung in einem UV-Leuchtstofflampengerät bei verschiedenen Temperaturen bestimmt.
Die Temperaturabhängigkeit konnte als Arrhenius-Abhängigkeit beschrieben werden; das Wirkungsspektrum wurde an eine Stufenfunktion angepasst. Anschließend wurde auch noch der Einfluss des Stabilisatorgehalts als Potenzfit parametrisiert. Die Einzelabhängigkeiten wurden zu einer Gesamtfunktion der Wirkungen in Abhängigkeit der Dosis zusammengesetzt, die es ermöglicht die Wirkungen unterschiedlicher Dosiskombinationen abzuschätzen.
Zur Validierung der Dosis-Wirkungsfunktionen wurden Freibewitterungsergebnisse aus Phoenix/Arizona herangezogen. Mit der Dosis, die sich aus den Wetterdaten dieser Freibewitterung ergibt, wurden anhand der Dosis-Wirkungs-Funktionen die jeweiligen Lebensdauern errechnet und mit dem experimentell bestimmten Versagen in der Freibewitterung verglichen.
Die Arbeiten erfolgten im Rahmen des ViPQuali-Projektes mit dem Ziel der Bestimmung der Materialkenngrößen.
Eine Verkürzung der Dauer von Bewitterungsversuchen kann durch eine empfindlichere Detektion der Bewitterungseffekte erreicht werden als sie konventionell benützt wird. Eine solche besonders empfindliche Detektionsmethode stellt die Chemilumineszenz dar. Die Verkürzung durch empfindliche Detektion muss jedoch gleichzeitig der Bedingung genügen, ausreichend gute Rangkorrelation zu Bewitterungseffekten unter Anwendungsbedingungen zu zeigen. In diesem Spannungsfeld sollen die Möglichkeiten der Chemiluminiszenz-Detektion beleuchtet werden.