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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.
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.
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.
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.
Discoloration Effects of High-Dose gamma-Irradiation and Long-Term Thermal Aging of (U) HMW-PE
(2017)
Two polyethylene types with ultra-high (UHMWPE) and high molecular weight (HMW-PE) used as neutron radiation shielding materials in casks for radioactive waste were irradiated with doses up to 600 kGy using a 60Co gammasource. Subsequently, thermal aging at 125∘C was applied for up to one year. Degradation effects in the materials were characterized using colorimetry, UV-Visspectroscopy, IR spectroscopy, and DSC. Both materials exhibited a yellowing upon irradiation.The discoloration of UHMW-PE disappeared again after thermal aging.Therefore, the yellowing is assumed to originate fromannealable color centers in the formof free radicals that are trapped in the crystalline regions of the polymer and recombine at elevated temperatures. For the antioxidantcontaining HMWPE, yellowing was observed after both irradiation and thermal aging. The color change was correlated mainly to decomposition products of the antioxidant in addition to trapped radicals as in UHMW-PE. Additionally, black spots appeared after thermal aging of HMW-PE.
Outdoor exposure tests are a common tool to evaluate the weathering resistance of a polymeric material or component. However, they have only a limited validity, mainly due to the limited reproducibility of the weather as well as of the bad adaptability to other exposure sites. Typically, an outdoor exposure is characterized by the measured radiant exposure; sometimes averaged temperature data are added. These can be – separately – related to long-term annual means, to get an idea on the severity of the exposure.
However, as for polymeric ageing, irradiance and temperature act simultaneously, such severity of an outdoor exposure could be better described by a computed property change of a similar material, which is calculated from the hourly irradiance and temperature values on the base of established exposure response functions.
In this way, various outdoor exposures are evaluated. For several exposure sites, annual deviations of the ageing amount are related to annual mean values, to evaluate the weathering reproducibility at the exposure site. Additionally, correlations to relevant weather parameters are illuminated. Also some specific exposure conditions, such as tilt angle, are tested.
Compared to the use of weathering reference materials, this procedure unfavourably depends on the availability of a suited control as well as on the quality of the established exposure response function. In contrast, it enables a later exposure evaluation, on the base of documented weather data, if for instance no reference material was exposed.
Different climatic conditions and weather variables during natural and artificial exposure of polymers may be reasons for an unsatisfying correlation between the ageing results. Here the main differences are discussed for:
- Global solar radiation
In weathering devices there is a constant spectral irradiance which is 5 times higher than the averaged spectral irradiance outdoors, which is strongly varying in its diurnal course. Intensified weathering using Fresnel reflectors concentrates only the direct solar radiation with a relatively low UV proportion. Problems of reciprocity may arise from the different mean of irradiance levels.
- Temperatures at specimen surfaces.
Because of the high irradiance levels mentioned above, artificial exposures may lead to high surface temperatures and large temperature differences between differently coloured specimen surfaces, if the artificial radiation source emits much VIS- and IR-radiation. Outdoors the surface temperature and temperature differences of exposed specimens are influenced by considerably lower irradiance levels and additionally by an effective radiation loss in the night.
- Relative humidity at specimen surfaces
In weathering devices the relative humidity at specimen surfaces is very low if it is uncontrolled. If controlled by ultrasonic humidifiers or spray nozzles, the additional exposure to water droplets is quite likely.
- Wetness on specimen surfaces
All usual spray programs prescribed in weathering standards recommend frequently changing of short spray/dry periods and result in total times of wetness (TOW) of the exposed specimen surfaces which is only about 30 % of the outdoor TOW.
- Acidic precipitation and bio films
Acidic precipitation and bio films are usual outdoor conditions which are only considered in special weathering tests.
Influence of weathering on the leaching behaviour of zinc and PAH from synthetic sports surfaces
(2017)
Synthetic materials used for outdoor sports grounds consist of a mix of inorganic, organic and polymeric compounds that show ageing due to weathering and a complex leaching behaviour by percolation of rainwater, which can limit its lifetime. Additionally, weathering exposure induces degradation processes in the polymers, which leads to the formation of new surfaces allowing water to access additional reservoirs of leachable compounds. A laboratory test comprising artificial weathering, ozonisation and subsequent leaching was developed to investigate this behaviour in a reproducible and controllable way. The experiments showed a general decline of Zn, polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH) and total organic carbon (TOC) concentrations after an initial increase. Within this general trend, the course of concentration over exposure duration is very specific for individual sample materials and the analyte under investigation. The results indicate that weathering and degradation behaviour cannot be predicted from initial material conditions. Thus, weathering experiments are recommended to fill this gap of knowledge.
To avoid a catastrophic failure of insulation in high-voltage (HV) applications, a monitoring of partial discharges (PDs) is necessary. Fluorescently labelled polymer optical fibers (F-POF) offer an electrically passive method for PD detection in HV facilities. F-POFs could be embedded in HV cable accessories, which are usually made of silicone rubber. Herein they detect the light emitted by the PD and convert it into an electrical signal that can be monitored. Due to the difficult accessibility of HV cable accessories, a self-healing silicone rubber with prolonged service life after PD detection represents an attractive material design for HV accessories. With this contribution, we would like to present and discuss the possibilities of combining self-healing materials with POF-based sensors for PD detection in HV applications.
In this paper, we demonstrate the effects of radiation exposures of polymeric materials with UV-A 340 nm lamps (ISO 4892-3, Type 1A) at -10 °C in comparison to an irradiation at +50 °C using a Global UV Test 200 fluorescent lamp device from Weiss Umwelttechnik GmbH, which incorporates an active cooling appliance. While the effects at -10 °C actually are lower than at + 50°C their extent was clearly beyond expectations.