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Eingeladener Vortrag
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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.
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.
Die Forderung, dass der Flammschutz von Kunststoffen nicht nur zum bei der Herstellung der jeweiligen Produkte, sondern auch über die gesamte Einsatzdauer im geforderten Maß wirksam ist, stellt eine große Aufgabe dar. Ferner ist die Anforderung für viele Produkte in der Praxis neu, da bisher vor allem der Einfluss der Flammschutzmittel auf die Stabilität der Polymerwerkstoffe, nicht aber die Stabilität des Flammschutzes untersucht wurde. Das Langzeitverhalten halogenfreier Systeme ist bis heute wenig untersucht, insbesondere weil Phosphor- und Stickstoff-basierte Systeme die oxidative Beständigkeit von Polymeren weniger zu beeinflussen scheinen als halogenhaltige FSM. Die Frage, wie zuverlässig der Flammschutz wirkt, wenn Kunststoffe einige Jahre im Innen- und Außenbereich im Einsatz sind und dabei wechselnden Beanspruchungen ausgesetzt waren, wurde bislang nur vereinzelt untersucht. Mögliche Auswirkungen von Witterungseinflüssen auf flammgeschützte Polymerwerkstoffe sind, dass die Flammschutzmittel selbst abbauen, ausgewaschen werden, oder auch durch Wechselwirkung mit den eingesetzten Additiven oder mit den Alterungsprodukten der Polymermatrix in ihrer Wirkung nachlassen. Hier bestand großer Forschungsbedarf, um an den Punkt zu gelangen, die Beständigkeit der Flammschutzeigenschaften eines Produktes über seine gesamte Lebensdauer zuverlässig garantieren zu können. Diese Fragestellung greift das durchgeführte Forschungsvorhaben auf.
Ziel war die Untersuchung der Langzeitstabilität der Flammschutzwirkung von halogenfrei flammgeschützten Polymerwerkstoffen unter diversen Witterungseinflüssen. Dazu wurden die Schädigungsmechanismen der Polymerwerkstoffe und der Flammschutzmittel sowie die auftretenden Wechselwirkungen analysiert, um ein Verständnis für die ablaufenden Prozesse zu entwickeln und Empfehlung für die Reduzierung der Alterung zu erarbeiten. Gegenstand der Untersuchungen waren anwendungsrelevante Flammschutz-Konzepte, die miteinander verglichen wurden. Die Erarbeitung von Struktur-Eigenschafts-Beziehungen ermöglichte die Beschreibung der Empfindlichkeiten und den Vergleich zwischen den Systemen. Darauf basierend wurden für die FSM spezifische Leitlinien für die Optimierung der Langzeitstabilität des Flammschutzes erstellt.
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.
Scientific publications addressing the durability of the flame retardance of cables during their long-term application are rare and our understanding lacks. Three commercial flame retardants, aluminum hydroxide, aluminum diethyl phosphinate (AlPi-Et), and intumescent flame retardant based on ammonium polyphosphate, applied in ethylene-vinyl acetate copolymer (EVA) model cables, are investigated. Different artificial aging scenarios were applied: accelerated weathering (UV-irradiation/temperature/rain phases), humidity exposure (elevated temperature/humidity), and salt spray exposure. The deterioration of cables’ surface and flame retardancy were monitored through imaging, color measurements, attenuated total reflectance Fourier transform infrared spectroscopy, and cone calorimeter investigations. Significant degradation of the materials’ surface occurred. The flame retardant EVA cables are most sensitive to humidity exposure; the cable with AlPi-Et is the most sensitive to the artificial aging scenarios. Nevertheless, substantial flame retardance persisted after being subjected for 2000 h, which indicates that the equivalent influence of natural exposure is limited for several years, but less so for long-term use.
The durability of flame retardancy is a challenge for cables over long lifetimes. The degradation of flame retardance is investigated in two kinds of exposures, artificial weathering and humidity. In this basic study, typical mineral flame retardants in two polymers frequently used in cable jackets are investigated to get the fundamental picture. Aluminum hydroxide (ATH) and magnesium hydroxide (MDH) are compared in ethylene‐vinyl acetate (EVA), and further in EVA and linear low‐density polyethylene (LLDPE) cables containing the same ATH. The changes in chemical structure at the surface are studied through attenuated total reflectance Fourier transform infrared spectroscopy (ATR‐FTIR), the formation of cracks, and changes in color are investigated. The cone calorimeter and a bench scale fire testing cable module are utilized to evaluate the fire behavior of the cables. Although the flame retardancy deteriorated slightly, it survived harsh exposure conditions for 2000 h. Compared to EVA/MDH and LLDPE/ATH, the fire behavior of EVA/ATH is the least sensitive. Taken together, all of the results converge to estimate that there will be no problem with flame retardancy performance, for materials subjected to natural exposure for several years; the durability of fire retardancy is questionable for longer periods, and thus requires further investigation.
A systematic approach was used to investigate the weathering-induced degradation of a common water–based intumescent coating. In this study, the coatings are intended for humid indoor applications on steel substrates. The coating contains ammonium polyphosphate, pentaerythritol, melamine, and polyvinyl acetate. By replacing each ingredient with a less water-soluble substance, the most vulnerable substances, polyvinyl acetate and pentaerythritol, were identified. Furthermore, the weathering resistance of the system was improved by exchanging the ingredients. The coatings were stressed by artificial weathering tests and evaluated by fire tests. Thermogravimetry and Fourier-transform infrared spectroscopy were used to study the thermal decomposition. This study lays the foundation for the development of a new generation of water-based intumescent coatings.
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.
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.