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Degradation of poly(phenylphenylene-vinylene)-films during illumination and thermal treatment
(1994)
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.
Der Anteil von Polymeren als Funktions- und Konstruktionswerkstoffe in dauerhaften medizinischen Anwendungen steigt beständig. Derartige Materialien müssen den mechanischen, biologischen und chemischen Bedingungen im Körper widerstehen (u.a. Abrieb, Hydrolyse, Degradation) und gleichzeitig gut verträglich sein. Der sichere Einsatz von polymeren Materialien erfordert die Kenntnisse über ihre Langzeitstabilität unter verschiedenen äußeren Bedingungen. Diese sind nicht nur beeinflusst durch die unmittelbare Umgebung in vivo, sondern auch durch die Historie der verwendeten Materialien. Dazu zählen u. a. erhöhte Temperaturen unter sauerstoffhaltiger Atmosphäre während der Verarbeitung oder die Exposition von ionisierender Strahlung oder reaktiven Radikalen während der Sterilisation.
Ingenieurbauwerke wie Brücken, hoch beanspruchte Verkehrsflächen oder auch Hochhäuser und deren Bauwerksteile wie z.B. Hochhausfassaden werden aus technischen und ästhetischen Gründen durch Fugen in Einzelabschnitte unterteilt. Zur Sicherstellung der Gebrauchsfähigkeit und zum Schutz des Gesamtbauwerks, aber in zunehmendem Maße auch zur statisch-konstruktiven Anbindung der Bauwerksteile, werden diese Fugenspalte in aller Regel durch spezielle Fugenfüllsysteme verschlossen. Aufgrund der hohen Sicherheitsrelevanz bei Fugenfüllungen im Glasfassadenbau fordert das Baurecht auch bei diesen Bauprodukten als Voraussetzung für die baupraktische Verwendbarkeit neben dem Nachweis der Funktionsfähigkeit auch den Nachweis der Dauerhaftigkeit. Da die hierfür bekannten Nachweismethoden zur Dauerhaftigkeit keine allgemeine Zulassungsakzeptanz finden, kann das ästhetische, bauphysikalische und ökonomische Potential von modernen geklebten Ganzglasfassaden (sogenannte SSG-Fassaden) in der Baupraxis der Bundesrepublik Deutschland derzeit nicht ausgenutzt werden. Grund dafür sind die ungenügend erfassten und in den Bewertungsverfahren simulierten Wechselwirkungen derartiger Baukonstruktionen mit der Umwelt. In diesem Beitrag soll am Beispiel moderner Fugen im Glasfassadenbau (SSG-Fassaden) eine ganzheitliche gebrauchsbezogene Versuchsmethodik zur kontrollierten Ansprache der Funktionsfähigkeit und Dauerhaftigkeit von Fugensystemen unter realitätsnah und reproduzierbar simulierten Umwelteinwirkungen vorgestellt werden. Dazu werden die maßgebenden Umwelteinflüsse und die Quantifizierung der daraus folgenden Beanspruchungen auf derartige Fugensysteme dargestellt. Basierend darauf werden eine repräsentative Beanspruchungsfunktion zur Nachstellung der maßgebenden Umwelteinflüsse und Beanspruchungen auf das System Tragrahmen - Fugenfüllung- Glasscheibe sowie eine geeignete Probendimensionierung abgeleitet. In der Konsequenz werden die Erkenntnisse in den Aufbau einer neuartigen komplexen Versuchseinrichtung überführt. Funktionsprinzip und Leistungsparameter dieser Anlage zur Umweltsimulation werden vorgestellt. Die Möglichkeiten der Systemkennzeichnung werden vorgestellt. Erste Versuchsergebnisse zeigen das Potential der neuartigen Bewertungsmethodik auf, die Kunst der Fuge im Bauwesen gebrauchsorientiert weiter zu entwickeln.
The surface temperature of test specimens exposed to natural and artificial solar radiation are roughly ascertained with black standard thermometers BST and white standard thermometers WST. For the calibration of these thermometers a new European Standard prEN 16465 was published in 2015, describing the well-known contact method and a new contactless method with a pyrometer. It can be confirmed that the temperature calibrations according to the two methods provide different calibration results which are not interchangeable (which is already stated in the scope of this standard). The described contactless method to determine the surface temperature 'under radiation load' results in clearly too high temperatures. This paper tries to highlighting the reasons.
A new irradiation device for the exposure of plastic products is presented. Developed in the BAM division 3.1 "Dangerous Goods Packaging" it can be used for artificial UV irradiation of plastic Containers filled with hazardous liquids.
Present regulations and tests only investigate the exposure effects of UV and of media separately, but as the damaging effect is expected to be synergistic for at least some media, a combined test was looked for.
A chamber of 60 cm by 60 cm base area and 1 m height gives space for up to 40 cm wide objects. Two fluorescent UV lamp arrays are arranged on opposite walls, separated from the chamber by quartz glass panes. By continuously rotating the exposure object by means of a rotary disc that the object is placed on, spatial irradiation homogeneity is achieved over the exposure duration. The spectral irradiance of the chosen UVA 340 nm lamps gives the best match of global solar radiation in the short wavelength ränge. The close arrangement of the UVA lamps (15 each side) results in 60 W m'2 UV irradiance.
Constant temperature is adjusted to typically 40 °C by the control of the fan speed. This temperature is chosen, as it is the required temperature for three week storage of filled polyethylene Containers, for proving Chemical compatibility in the field of dangerous goods. To ensure homogeneity, an interiorfan provides for air circulation.
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.
Additively manufactured test specimens made of polyamide 12 (PA 12) by Laser Sintering (LS) as well as of acrylnitril-butadien-styrol (ABS) by Fused Layer Modeling (FLM), were tested with active thermography. For this, two different excitation methods (flash and impulse excitation) were used and compared, regarding the suitability for the detection of constructed and imprinted defects. To increase the quality of the thermograms, data processing methods like thermal signal reconstruction (TSR) and Fourier-Transformation were applied. Furthermore, the long-term stability of the probes towards environmental stress, like UV-radiation, heat, water contact and frost is being investigated in the presented project with artificial weathering tests.
Es wird ein Verfahren zur Charakterisierung der Beständigkeit und Langzeitstabilität von additiv gefertigten Kunststoff-Bauteilen vorgestellt. Dabei sollen die Prüfkörper über 2000 Stunden künstlich bewittert und währenddessen die Änderungen der Eigenschaften der Bauteile zerstörungsfrei untersucht werden.
Mit additiven Fertigungsverfahren hergestellte Bauteile und Produkte aus Kunststoffen werden zunehmend nicht mehr nur als Prototypen, sondern als voll funktionsfähige Bauteile und Produkte gefertigt. Bedingt durch die Fertigungsprozesse und den schichtweisen Aufbau resultieren physikalische Materialeigenschaften, die stark von den Fertigungsparametern abhängen und zudem anisotrop sind. Von den Fertigungsparametern werden auch die Oberflächeneigenschaften beeinflusst, sodass zu erwarten ist, dass sich die Beständigkeit gegenüber äußeren Umwelteinflüssen bei additiv gefertigten Bauteilen von der konventionell gefertigter unterscheiden kann. Nachfolgend wird daher die Entwicklung eines Qualitätssicherungskonzeptes basierend auf spektroskopischen und zerstörungsfreien Prüfverfahren vorgestellt, in dem der Alterungsprozess von mittels Fused Deposition Modelling (FDM) und mittels Lasersintering (LS) hergestellten Probekörpern untersucht wird.
The effects of weathering exposure on unfilled and filled thermoplastic polyurethanes (TPU) materials are described as performed under different humidity conditions. For this purpose, a weathering device was used with UV-A 340 nm lamps at a constant temperature of 40 °C. The effects of environmental (UV and humidity condition) degradation on the frictional properties of TPU materials are presented along with surface analyses to characterize the chemistry of the degradative process. Photooxidative degradation of unfilled polymer leads to deterioration of physical and mechanical properties, which affects its tribological behavior significantly. Due to crosslinking, the stiffness of the material increases, reducing drastically the friction coefficient of unfilled TPUs. The frictional behavior of glass fiber reinforced TPU is less affected by radiation.
Exposure response function for a quantitative prediction of weathering caused aging of polyethylene
(2019)
The exposure response function of the carbonyl formation over the bulk has been determined for a high-density polyethylene of a thickness of 200 μm, which was used as a weathering reference material according to ISO TR 19032. To this end, spectral sensitivity was studied by local measurement of the effect of spectrally dispersed irradiation. Both the exposure device and the methodology of determination are described.
The temperature dependency of photooxidation was determined by UV exposure at various temperatures between 23 and 80 °C. Deviations from linearity and thus reciprocity below 40 °C are discussed and assumed to be related to diffusion limitations. An Arrhenius approach –based on data of linear carbonyl formation – has been incorporated into the exposure response function. Using this exposure response function, aging in terms of the distribution of a quantitative property change over a plastic component can be predicted for a specific outdoor location with real chronologic weather data as input for the exposure. Thus, artificial and natural weathering can be linked and compared. The established exposure response function has been validated by outdoor exposure results from the literature. If an estimated diffusion limitation is taken into consideration, calculations and published data are in good agreement.
In the present study, a simple approach was used to investigate the effect of UV-exposure on two high density Polyethylene materials (PE-HD), commonly used for storage tanks, on fuel sorption behavior and colonization by microorganisms. The aim was to investigate whether the sorption behavior of the fuels (diesel/biodiesel) and the colonization by microorganisms, frequently occurring in the fuel, is affected and may lead to undesirable or safety-relevant material changes. We showed that the UV-irradiation leads to significant changes of the sorption behavior due to chemi-crystallization and crosslinking. The fuel Sorption is affected by the UV-induced formation of polar carbonyl and hydroxyl groups predominantly occurring at the surface. With respect to microbial colonization behavior for Bacillus subtilis and Pseudomonas aeruginosa, isolated from a contaminated diesel sample, differences of the initial adhesion could be shown depending on the initial type of polyethylene as well as on the degree of UV-induced degradation.
The impact fracture behavior of two common high-density polyethylene grades for container applications were intensively studied by the instrumented Charpy impact test after well-defined exposure to UV-irradiation. Individual stages of the impact event, such as crack initiation and crack propagation energy as well as maximum impact load, were investigated from the recorded load–deflection curves. UV-induced material property changes were further investigated by infrared spectroscopy, differential scanning calorimetry, and dynamic-mechanical analysis as well as density measurements. Based on the results of the Charpy impact test, three indicators were identified to describe the extend of photooxidation on high-density polyethylene: (a) a reduced Charpy impact strength—at least to half of its initial value for a distinctly brittle impact fracture, (b) a marked decrease in the crack propagation contribution to the impact strength, and (c) an increase of the brittle features of the fracture surface.
In previous papers, we investigated the influence of biodiesel or diesel on mechanical properties of a high-density polyethylene (PE-HD) for tank applications using Charpy impact tests and dynamicmechanical analysis (DMA). In this work, covering two more PE-HD materials, we extend our study to addressing the tensile properties, especially changes of Young's modulus, after immersion in biodiesel or diesel at 60 °C. As we cover sorption and desorption behavior, during desorption, i.e. storage at 60 °C in a circulating air oven, ageing or degradation phenomena were also observed and characterized in some detail using spectral reflectance measurements and FT-IR spectroscopy. The results obtained here support the concept of co-oxidation, i.e. the faster oxidation of the PE-HD matrix if the samples were previously saturated with biodiesel, itself easily oxidizable.
Transport und Lagerung flüssiger Chemikalien erfolgen häufig in HDPE-Behältern. Diese Behälter müssen Bauteilprüfungen bestehen, die mechanische und chemische Beanspruchungen kombinieren. UV-Beanspruchungen sind kein Bestandteil der Zulassungsprüfungen; gefordert wird aber eine ausreichende UV-Stabilisierung. Inwiefern diese UV-Stabilisierung aber abhängig vom jeweiligen Füllgut ist, soll hier untersucht werden.
Vorgestellt wird der experimentelle Aufbau zur kombinierten Beanspruchung von Kunststoffproben durch UV-Strahlung und flüssige Chemikalien. Aufgrund des Gefährdungspotenzials sind dabei entsprechende Sicherheitsvorgaben einzuhalten. Ziel ist die Bewertung synergistischer Effekte beider Einzelbeanspruchungen. Die Wirksamkeit verschiedener Stabilisierungskonzepte bei Beanspruchung durch 55 %-ige Salpetersäure wird beleuchtet. Es wird anschaulich gezeigt, dass nur pigmentiertes HDPE ausreichende Stabilität aufweist.
Weathering reference materials (WRMs) are used to characterize the harshness of an exposure, aiming on either reproducibility of a specific exposure or on the comparability between various kinds of natural or artificial weathering exposure.
The materials that are used as weathering reference materials differ in their sensitivities (as well as in interactions and interferences of the latter), conditioned by the different processes which lead to the respective property change. It is also essential to take into account the necessary measurement equipment for the respective property change, in order to allow timely intervention.
What are the key issues on choosing a weathering reference material?
What can be learned from the weathering reference materials, investigated so far?
Possibilities and limitations are discussed on the basis of existing weathering reference materials. Conclusions are drawn, for establishing new weathering reference materials.
On the basis of a lot of investigation on the spectral sensitivity of photo degradation of plastics and on the underestimated influence of temperature and relative humidity on degradation processes a new type of weathering device was presented at the end of the seventies:
It was a combination of a radiation source with fluorescent UV lamps and a precise climatic cabinet.
The radiation emission from a combination of four different types of fluorescent UV lamps was superimposed on the specimen surfaces in the climatic cabinet to match the UV part of solar radiation as closely as possible. Air temperature was controlled to within ± 1 °C, and relative humidity to within ± 5 %RH.
As the lamps’ emission is focussed on the UV range almost no radiation heating of the sample occurs. Therefore, the temperature of the sample, which is the quantity of consideration for the degradation, is nearly identical with the chamber’s air temperature, which is the quantity to be controlled. Also, therefore, high humidity can be obtained on the sample surface. The limitation of the emission to the UV range is sufficient for the study of the polymer matrix.
This type of weathering device offers an exactness of microclimatic control of the sample’s surface, which should be a standard for weathering devices. Even now it is the only weathering device which generates pure relative humidity (without aerosol).
To improve on the classic radiometric sensor with radiometric measurement [ ] here a new UV-sensor characteristic for effective UV is proposed that no longer applies equal weighting of spectral irradiation into the UV irradiance value but rather aims at approaching a weighting according to a typical spectral sensitivity curve of polymers. This curve resembles the erythema curve of the skin which is the basis of the UV-index.
For the use of the sensor it would be desirable to keep it in the artificial weathering device for the complete weathering test (including rain phases) while the same sensor should also be applicable for the monitoring of outdoor weathering exposures.
A first application of this kind of weighted measurement and a comparison with radiometric measurements accompanied with polymer ageing results will be presented together with conclusions for a future effective UV irradiance sensor.
Das vorgestellte Projekt beschäftigt sich mit den optischen, thermophysikalischen und mechanischen Materialeigenschaften von additiv gefertigten Kunststoffteilen und deren Alterung. Dazu wurden mittels Fused Layer Modeling (FLM) Probekörper aus ABS hergestellt, die anschließend für drei Monate einer künstlichen Bewitterung unterzogen wurden. Die dabei erzeugte definierte Alterung wurde nach drei Zeitabschnitten jeweils mit zerstörungsfreien Methoden charakterisiert. Dabei wurde neben den spektroskopischen Standardmethoden auch die aktive Thermografie eingesetzt. Die Ergebnisse zeigen, dass sich mittels der Thermografie sowohl chemische Veränderungen als auch mechanische Schädigungen (Fehlstellen) darstellen lassen. Die Bewitterung beeinflusst die Teiltransparenz der Proben zumindest im sichtbaren Spektralbereich, was bei der Charakterisierung der Fehlstellen, die mittels optisch angeregter aktiver Thermografie detektiert wurden, berücksichtigt werden muss.
Additiv gefertigte Prüfkörper aus Polyamid 12 (Laser Sinter Verfahren) und Acrylnitril-Butadien-Styrol (Fused Layer Modeling Verfahren) wurden über 2000 Stunden künstlich bewittert und ihr Alterungsverhalten untersucht. Die Ergebnisse wurden anschließend mit denen von Prüfkörpern verglichen, welche auf dieselbe Weise künstlich bewittert, aber mittels konventionellem KunststoffSpritzguss hergestellt wurden.
Additively manufactured test specimens made of polyamide 12 (PA 12) by Laser Sintering as well as of acrylonitrile butadiene styrene (ABS) by Fused Layer Modelling, were characterised with active thermography directly after manufacturing and after artificial weathering. For this, two different excitation methods (flash and pulse heating) were used and compared, regarding their suitability for the detection of constructed and imprinted defects inside the test specimens. To increase the quality of the thermograms, data processing methods like thermal signal reconstruction (TSR) and Fourier Transformation after TSR were applied. To further investigate the long-term stability of the additively manufactured test specimens towards environmental stress, like UV radiation, heat, humidity, water contact and frost with active thermography, an artificial weathering test over 2000 hours (~3 months) was applied to the specimens. The monitoring of the changes in the optical properties of the weathered plastics was supplemented by spectral reflectance and UV/VIS spectroscopy.
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.
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.
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.
Bei der Bestrahlung und Bewitterung von polymeren Werkstoffen wird die Degradation durch eine Absorption von Strahlung initiiert und meistens durch weitere Klimagrößen, wie z.B. Wärme, Feuchte und atmosphärische Gase beeinflusst. Die Messung einer effektiven Bestrahlungsstärke und ihre zeitliche Integration sind deshalb von großer Bedeutung und zwar sowohl für die Kontrolle der Funktion des Bewitterungs- oder Bestrahlungsgerätes als auch als zusätzliche Angabe der wirkenden Beanspruchung.
Photochemische Prozesse werden beim Sehen oder allgemeiner bei Farbstoffen schon durch sichtbare (VIS) Strahlung, dagegen bei der Erythembildung der Haut und der Photodegradation von Polymeren erst durch die energiereicheren Photonen der ultravioletten (UV) Strahlung initiiert. Die spektrale Empfindlichkeit des Auges und die Erythembildung sind im VIS- bzw. UV-Bereich sehr stark wellenlängenabhängig, was durch die Angabe der mit der spektralen Hellempfindlichkeit V(λ) des Auges bewerteten VIS-Strahlung in Lux (lx) bzw. die mit der Erythem-Wirkfunktion Serythem bewertete UV Strahlung als dimensionsloser UV-Index berücksichtigt wird. Spektrale Empfindlichkeiten.
Die Photodegradation von Polymeren ist im UV-Bereich ebenfalls stark wellenlängenabhängig, was bisher bei der radiometrischen UV-Messung nicht berücksichtigt wurde. Seit Mitte der 70er Jahre, als die lx- bzw lxh- Messung bei der Strahlungsbeanspruchung langsam durch die Ermittlung der radiometrischen UV-Bestrahlungsstärke bzw. der UV-Bestrahlung im gesamten UV-Bereich abgelöst wurde, gab es hier bei der Bewitterungsprüfung keine weiteren Fortschritte auf dem Gebiet der Charakterisierung der Strahlungsbeanspruchung im UV-Bereich.
Seit Jahren liegen zahlreiche Ergebnisse über die spektrale Empfindlichkeit von Photo-degradationsprozessen vor, die zeigen, dass die spektrale Empfindlichkeit im Bereich der Globalstrahlung an der kurzwelligen Grenze bei ca. 300 nm, am größten ist und im langwelligen UV-Bereich bei ca. 400 nm gegen Null geht. Die Messungen der radiometrischen Größen UV-Gesamtbestrahlungsstärke und UV-Gesamtbestrahlung erfasst deshalb über weite Wellenlängenbereiche Strahlungsanteile, die für die Photodegradation bedeutungslos sind und mittelt über potenziell bedeutsame Änderungen im kurzwelligen UV-Bereich hinweg.
Es wird das Konzept eines neuen UV-Radiometers vorgestellt, dessen spektrale Empfindlichkeit einer mittleren spektralen Empfindlichkeit der Photodegradation von Polymeren entspricht. Die effektive UV-Bestrahlungsstärke und UV-Bestrahlung kann dadurch wesentlich genauer erfasst werden.
The site of Schöningen (Germany), dated to ca. 300,000 years ago, yielded the earliest large-scale record of humanly-made wooden tools. These include wooden spears and shorter double-pointed sticks, discovered in association with herbivores that were hunted and butchered along a lakeshore. Wooden tools have not been systematically analysed to the same standard as other Palaeolithic technologies, such as lithic or bone tools. Our multianalytical study includes micro-CT scanning, 3-dimensional microscopy, and Fourier transform infrared spectroscopy, supporting a systematic technological and taphonomic analysis, thus setting a new standard for wooden tool analysis. In illustrating the biography of one of Schöningen’s double-pointed sticks, we demonstrate new human behaviours for this time period, including sophisticated woodworking techniques. The hominins selected a spruce branch which they then debarked and shaped into an aerodynamic and ergonomic tool. They likely seasoned the wood to avoid cracking and warping. After a long period of use, it was probably lost while hunting, and was then rapidly buried in mud. Taphonomic alterations include damage from trampling, fungal attack, root damage and compression. Through our detailed analysis we show that Middle Pleistocene humans had a rich awareness of raw material properties, and possessed sophisticated woodworking skills. Alongside new detailed morphometrics of the object, an ethnographic review supports a primary function as a throwing stick for hunting, indicating potential hunting strategies and social contexts including for communal hunts involving children. The Schöningen throwing sticks may have been used to strategically disadvantage larger ungulates, potentially from distances of up to 30 metres. They also demonstrate that the hominins were technologically capable of capturing smaller fast prey and avian fauna, a behaviour evidenced at contemporaneous Middle Pleistocene archaeological sites.
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.
Unpigmented HDPE jerrycans filled with nitric acid (55%) and water respectively had been exposed to outdoor conditions for one Berlin summer season. As both liquids underwent equal temperature progression, exposure effects of UV radiation and nitric acid as well as of their combination can be separated and compared. On the basis of various property changes after these exposures, synergistic action is evaluated and compared to a damaged Intermediate Bulk Container (IBC) from a transport accident.
It is found that carbonyl formation goes along with lightness increase in color measurement due to microcracking and with a worsening in mechanical behavior, all of them showing synergistic effects of UV and nitric acid exposure. In contrast, embedding nitrogen compounds goes along with yellowing of the material but cannot be correlated to oxidation.
The reason for intensified damaging is the decomposition of the 55-percent nitric acid and formation of nitrogen oxides even at ambient temperatures, caused by UV radiation. Thus, damaging effects become similar to those caused by fuming nitric acid exposure at temperatures above 60 °C, with the result of strong oxidative degradation of the polyethylene.
In contrast, exclusive exposure to the 55-percent nitric acid at 40 °C does not cause any failure.
It can therefore be assumed that also the damaged IBC had been exposed to both UV radiation and nitric acid, probably outdoors.
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.