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The material parameters melt flow rate (MFR), density (D), notched impact strength (NIS) at –30°C, stress crack resistance [determined with the Full Notch Creep Test (FNCT)] and resistance to oxidative degradation (Ox) have been selected for a comparison of polyethylene grades in the European standard EN 15507. These parameters have a relationship with design type tests of packagings for the transport of dangerous goods.
This paper presents the results of additional investigations to determine the impact of the pre-storage time of jerricans with 55% nitric acid at 40°C and 23°C on the marginal drop heights in drop tests at –18°C, on the MFR and on the tensile properties. Jerricans made of different polyethylene grades were pre-stored with 55% nitric acid for 21, 42 and 84 days at 40°C and for six months at 23°C.
The tests showed that the NIS values at –30°C of polyethylene grades were not comparable with marginal drop heights determined in drop tests at –18°C.
Pre-damage with 55% nitric acid for 21 days at 40°C led to an increase in the marginal drop heights of the jerricans. Altering the test regulations by increasing pre-storage time with 55% nitric acid to 42 days would be an alternative.
The test results demonstrated clearly that pre-storage of the jerricans for six months at 23°C caused a higher increase in the MFR and lower marginal drop heights for the jerricans when compared with pre-stored jerricans for 21 days at 40°C.
Die zum Vergleich der Polyethylenformstoffe für eine Bauart in der DIN EN 15507: 2009 – Verpackung – Verpackungen zur Beförderung gefährlicher Güter – Vergleichende Werkstoffprüfung von Polyethylensorten ausgewählten Materialkennwerte Schmelze-Masse-Fließrate MFR, Dichte D, Kerbschlagzähigkeit acN bei -30 °C, Spannungsrissbeständigkeit FNCT (full notch creep test) und Beständigkeit gegen oxidativen Abbau Ox (bestimmt durch den prozentualen Anstieg der MFR in 55 %-iger Salpetersäure) stehen in einer systematischen Beziehung mit Baumusterprüfungen. So stehen die mit Prüfkörpern aus gepressten Platten bestimmte Kerbschlagzähigkeit acN bei -30 °C und die Beständigkeit gegen oxidativen Abbau der Polyethylenformstoffe in einem Zusammenhang mit den Fallprüfungen der Baumuster aus diesen Formstoffen bei -18 °C, wobei die Baumuster einer 21-tägigen Vorlagerung mit der Standardflüssigkeit 55 %-ige Salpetersäure bei 40 °C unterzogen werden. Untersuchungen in der Dissertation zum Thema: Vergleich der Materialkennwerte von Formstoffen aus Polyethylen hoher Dichte mit dem Baumusterverhalten von Gefahrgutverpackungen haben gezeigt, dass bei 21-tägiger Vorlagerung der Baumuster mit 55 %-iger Salpetersäure die Grenzfallhöhen ansteigen, anstatt zu sinken. Zur Bestätigung und Erweiterung dieser Untersuchungsergebnisse wurden die Abhängigkeit der Grenzfallhöhen in den Fallprüfungen bei -18 °C, der MFR sowie der Zugeigenschaften Zugfestigkeit, Bruchdehnung und E-Modul von der Dauer der Vorlagerung mit 55 %-iger Salpetersäure bei 40 °C und 23 °C untersucht. Verpackungsbaumuster aus drei Formstoffen verschiedener Hersteller wurden mit 55 %-iger Salpetersäure 21, 42 und 84 Tage bei 40 °C sowie 6 Monate bei 23 °C vorgelagert. Die MFR und die Zugeigenschaften wurden von Kanisterwandausschnitten bestimmt. In Fallprüfungen bei -18 °C wurden die Grenzfallhöhen der Baumuster ermittelt. Die Werte der Kerbschlagzähigkeit bei -30 °C der Formstoffe stehen nicht im Zusammenhang mit den in den Kältefallprüfungen ermittelten Grenzfallhöhen. Die Grenzfallhöhen der nicht vorgelagerten Kanister aus den Formstoffen mit niedrigerer Kerbschlagzähigkeit sind höher im Vergleich zum Formstoff mit höherer Kerbschlagzähigkeit. Der oxidativ schädigende Einfluss der Salpetersäure wirkt sich in höherem Maße bei dem Formstoff mit der niedrigeren Beständigkeit gegen oxidativen Abbau in einer stärkeren Reduzierung der Grenzfallhöhen mit zunehmender Vorlagerungsdauer aus. Die 21-tägige Vorlagerung mit 55 %-iger Salpetersäure bei 40 °C bewirkte bei den Kanistern aus Formstoffen mit höherer Beständigkeit gegen oxidativen Abbau eine Erhöhung der Grenzfallhöhe in den Kältefallprüfungen. Mit Erhöhung der Vorlagerungszeit der Kanister auf 42 und 84 Tage wurden auch die Grenzfallhöhen der Kanister aus diesen Formstoffen aufgrund der mit dem längeren Zeitraum der Einwirkung verbundenen stärkeren oxidativen Schädigung durch die Salpetersäure reduziert. Die Grenzfallhöhe der Kanister aus dem Formstoff mit der niedrigeren Beständigkeit gegen oxidativen Abbau wurde dagegen durch die 21-tägige Vorlagerung erniedrigt und stieg mit zunehmender Vorlagerungsdauer wieder an. Der Formstoff wurde durch die Einwirkung der Salpetersäure über einen längeren Zeitraum elastisch. Gemäß DIN EN ISO 16101 ist die oxidativ schädigende Wirkung der 55 %-igen Salpetersäure über einen Zeitraum von 21 Tagen bei 40 °C mit der oxidativ schädigenden Wirkung der 55 %-igen Salpetersäure innerhalb von 180 Tagen (6 Monaten) bei 23 °C zu vergleichen. Der Vergleich der Grenzfallhöhen der Kanister und der MFR von Wandausschnitten aus diesen Kanistern nach 21-tägiger Vorlagerung bei 40 °C und nach der sechsmonatigen Vorlagerung bei 23 °C zeigte, dass die oxidative Schädigung der Polyethylenformstoffe nach sechs Monaten Vorlagerung bei 23 °C stärker im Vergleich zur 21-tägigen Vorlagerung bei 40 °C ist. Die Messergebnisse zeigten deutlich, dass die sechsmonatige Vorlagerung der Kanister bei 23 °C einen höheren Anstieg der MFR und niedrigere Grenzfallhöhen der Kanister in den Kältefallprüfungen im Vergleich zur 21-tägigen Vorlagerung der Kanister bei 40 °C bewirkte. Als Folge der Diffusion von Salpetersäure in die Polyethylenformstoffe und ihrer Reaktion mit dem Polymeren verändern sich die mechanischen Eigenschaften. Die prozentualen Werte der Abnahme bzw. Zunahme der Zugfestigkeit und der Bruchdehnung von Probekörpern aus der Seitenwand der Baumuster nach unterschiedlichen Vorlagerungszeiten stehen nur teilweise mit den Grenzfallhöhen der Kanister in den Kältefallprüfungen im Zusammenhang. Bemerkenswert ist, dass beim Vergleich der Zugfestigkeit und der Bruchdehnung des Formstoffes mit einer hohen Beständigkeit gegen oxidativen Abbau mit den Grenzfallhöhen der Kanister aus diesem Formstoff diese Materialkennwerte mit zunehmender Vorlagerungsdauer ansteigen, aber die Grenzfallhöhe nur nach der 21-tägigen Vorlagerung ansteigt und anschließend mit zunehmender Vorlagerungsdauer abfällt. Zugfestigkeit und Bruchdehnung der Probekörper aus dem Formstoff mit der geringeren Beständigkeit gegen oxidativen Abbau sinken in Analogie zu den Grenzfallhöhen mit steigender Vorlagerungsdauer der Kanister mit der Säure. Der Vergleich der Werte des E-Moduls mit den Grenzfallhöhen zeigte, dass bei den Kanistern aus dem Formstoff mit der niedrigeren Beständigkeit gegen oxidativen Abbau sich E-Modul und Grenzfallhöhe analog verhalten. Mit zunehmender Vorlagerungsdauer der Kanister steigen der E-Modul und die Grenzfallhöhen in den Kältefallprüfungen an. Die, durch die Einwirkung der Salpetersäure, entstandenen Eigenspannungszustände sind die Ursache für den ansteigenden E- Modul der Probekörper aus diesen Formstoffen. Bei den Probekörpern von Kanistern aus dem Formstoff mit der höheren Beständigkeit gegen oxidativen Abbau wurde ein markanter Abfall des E-Moduls nach 21-tägiger Vorlagerung der Kanister gemessen. Der E-Modul sinkt noch geringfügig nach der 42-tägigen Vorlagerung und steigt mit zunehmender Vorlagerungsdauer dagegen wieder an. Die Grenzfallhöhen verhalten sich erwartungsgemäß gegenläufig.
The material parameters melt flow rate MFR, density D, notched impact strength N.I.S. at -30 °C, stress crack resistance FNCT and resistance to oxidative degradation Ox (determined by the increase of MFR) have been selected for a comparison of polyethylene grades for one design type in the “European Standard EN 15507 - Transport packaging for dangerous goods - Comparative material testing of polyethylene grades”. The parameters have a systematic relationship with design type tests. The notched impact strength at -30 °C and the resistance to oxidative degradation of polyethylene grades determined with test specimens of compression moulded sheets are directly comparable with drop tests at -18 °C of design types produced of these grades after pre-storage with 55 % nitric acid for 21 days at 40 °C. The impact of the pre-storage time of jerricans with 55 % nitric acid at 40 °C and 23 °C on the marginal drop heights in drop tests at -18 °C, on the MFR and on the tensile properties tensile strength, breaking elongation and the elastic modulus were investigated. Packaging design types (jerricans) made of three polyethylene grades from different producers were pre-stored with 55 % nitric acid for 21,42 and 84 days at 40 °C as well as for six months at 23 °C. The MFR and tensile properties of test specimens taken from the design type side walls as well as the marginal drop heights of the jerricans in drop tests at -18 °C were determined.
The values of the notched impact strength at -30 °C of polyethylene grades are not comparable with the marginal drop heights determined in drop tests at -18 °C. The oxidative damaging impact of nitric acid has a greater effect on the grade with lower resistance to oxidative degradation by reducing more significantly the marginal drop heights with increasing pre-storage time.
Pre-damage with 55 % nitric acid for 21 days at 40 °C, as recommended in ISO 16101 and EN 15507 caused an increase in the marginal drop heights of most design types in drop tests when compared with design types without pre-damage. The test results demonstrated clearly that pre-storage of the jerricans for six months at 23 °C caused a higher increase in the MFR and lower marginal drop heights of the jerricans in drop tests at -18 °C compared with pre-storage of the jerricans for 21 days at40 °C.
The mechanical properties change as a result of diffusion of nitric acid into the polyethylene grades and the reaction of the nitric acid with the polymers. The percentage decrease and increase in the tensile strength, breaking elongation and elasticity modulus of test specimens taken from the design type side walls after different pre-storage times were only partly comparable with the marginal drop heights in drop tests at -18 °C.
Resistance to stress cracking by wetting solution is one of the selected properties together with the corresponding test method FNCT and tolerances for a comparison of polyethylene grades of one design type in the procedural rule on suitability proof for alternative plastic resins used for packagings and intermediate bulk containers (IBCs) for the transport of dangerous goods.
The environmental stress crack resistance determined by Full Notch Creep Test (FNCT) represents the impacts from the stacking tests at 40 °C performed with standard liquid wetting solution (without pre-storage) and with normal butyl acetate saturated wetting solution (pre-storage with normal butyl acetate).
Environmental stress crack resistance determined with FNCT for the polyethylene grades was related to the times to failure of different jerrican samples made of these grades in stacking tests with 5% wetting solution and a n-butyl acetate saturated wetting solution (pre-storage with n-butyl acetate) at 40 °C. The FNCT is suitable for comparison of polyethylene grades in relation to environmental stress crack resistance independent of their use as drum, IBC or jerrican material. The stiffness of polyethylene grades should be taken into account to the comparison as jerricans are not only chemically but also mechanically stressed.
Technically high-quality hollow articles made of polyethylene have proved many times their value as dangerous goods packagings. Design type tests according to the international regulations for the transport of dangerous goods - drop test, stacking test, hydraulic pressure test and leakproofness test must be performed for every design type and manufacturer. The properties melt flow rate (MFR), relative density (D), low temperature notched Impact strength (N.I.S.) at -30 °C, environmental stress crack resistance (FNCT) and resistance to oxidative degradation Ox by nitric acid (determined by the increase of MFR) have been selected together with the corresponding test methods and tolerances for a comparison of polyethylene grades of one design type in the procedural rule on suitability proof for alternative plastic resins used for dangerous goods packagings and intermediate bulk containers (IBCs) – EN 15507. We wanted to proof the practical relevance of this standard by comparing the relationship between the results of the FNCT and the times to failure of design types in stacking tests with wetting solution and normal butyl acetate saturated wetting solution.
The crack propagation rate of environmental stress cracking was studied on high-density polyethylene compact tension specimens under static loading. Selected environmental liquids are distilled water, 2 wt% aqueous Arkopal N100 solution, and two model liquid mixtures, one based on solvents and one on detergents, representing stress cracking test liquids for commercial crop protection products. The different surface tensions and solubilities, which affect the energetic facilitation of void nucleation and craze development, are studied. Crack growth in surface-active media is strongly accelerated as the solvents induce plasticization, followed by strong blunting significantly retarding both crack initiation and crack propagation. The crack propagation rate for static load as a function of the stress intensity factor within all environments is found to follow the Paris–Erdogan law. Scanning electron micrographs of the fracture surface highlight more pronounced structures with both extensive degrees of plasticization and reduced crack propagation rate, addressing the distinct creep behavior of fibrils. Additionally, the limitations of linear elastic fracture mechanisms for visco-elastic polymers exposed to environmental liquids are discussed.
Four typical high-density polyethylene container materials were used to investigate damage or stress cracking behavior in contact with model liquids for crop protection products. These model liquids are established in German regulations for the approval of dangerous goods containers and consist of typical admixtures used for crop protection products but without biological active ingredients. This study is performed with the standardized method of Full Notch Creep Test, adapting the media temperature to 40 °C according to the usual conditions where these test liquids are applied. The two model liquids differ into a water-based solution and a composition based on different organic solvents which are absorbed by the material up to significant levels. Therefore, extensive sorption measurements are performed. The fracture surfaces obtained are analyzed in detail not only by light microscopy, but also by laser scanning microscopy as well as scanning electron microscopy. Influence of pre-saturation and applied stress are addressed by respective systematic series of experiments.
The phenomenon of environmental stress cracking is still a major issue in materials engineering as well as from a scientific perspective. Especially in the case of packaging materials made of high-density polyethylene, assessing the potential of premature damage due to environmental stress cracking is complex because of the large number of components in possible liquid filling goods. As a first guideline, the well-known effect of detergents and dispersants is usually considered, but the interplay with other components, such as organic solvents is often unknown. Particularly challenging in this respect are crop protection products, consisting of several different admixtures in addition to the biologically active ingredients. This study is based on two model liquids representing these admixtures that were established for testing in this context. The model liquids as well as their constituting components were used as liquid media in the Full Notch Creep Test to characterize the environmental stress cracking behavior of a typical high-density polyethylene. Complementary to the time-to failure of a notched specimen obtained from these tests, the crack opening was monitored optically, and the fracture surface was analyzed post-failure by laser scanning microscopy as well as scanning electron microscopy. Based on the results, the effect of various surfactants as well as the influence of organic solvents on environmental stress cracking are discussed.
Packaging containers for dangerous goods that include aggressive liquids require that any packaging material that is based on high-density polyethylene has a high degree of stability and durability. This work is focused on testing the environmental stress cracking of the high-density polyethylenes used for such containers in contact with crop protection formulations, in particular, two model liquids established in Germany as standardized test media representatives for crop protection formulations containing the various admixtures typical for such products. One of the liquids is water-based and contains mostly surface-active ingredients, while the other is solvent-based and includes some emulsifiers. Originally established for pin impression tests, these model liquids and their individual components were here used for the first time as environmental media in the Full Notch Creep Test, which addresses the resistance against environmental stress cracking. The Full Notch Creep Test was carried out on five high-density polyethylene types with both model liquids, and also on one selected material with its components. The evaluation was focused on the fracture surface structures, which were visualized by a scanning electron microscope and by optical in situ imaging of the notch opening. While the water-based model liquid and its surface-active individual components induced environmental stress cracking with the characteristic pattern for a craze-crack mechanism and so-called brittle fracture on the surface, the solvent-based model liquid and its soluble ingredients exhibited rather ductile failure behavior, caused by the plasticizing effect on the polymer that reduced the yield stress of the high-density polyethylene.
For both cases, fracture surface analysis, together with side views of the crack opening, showed a clear relation between surface pattern, notch deformation (e.g., by blunting), or crack opening due to crack growth with time to failure and the solubility of the liquids in high-density polyethylene.