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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.
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.
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 den letzten Jahrzehnten wurde die Degradation der polymeren Matrix von flammgeschützten Polymeren eingehend untersucht. Erst in den letzten Jahren jedoch hat sich die Frage der Lebensdauer der Funktionalität des Flammschutzes selbst als wichtige Fragestellung herauskristallisiert, z.B. bei Kabeln. Deshalb sollte diese Fragestellung durch systematisch-variierte künstliche Klima- und Bewitterungstests an flammgeschützten Polymerwerkstoffen untersucht werden
In den letzten Jahrzehnten wurde die Degradation der polymeren Matrix von flammgeschützten Polymeren eingehend untersucht. Erst in den letzten Jahren jedoch hat sich die Frage der Lebensdauer der Funktionalität des Flammschutzes selbst als wichtige Fragestellung herauskristallisiert, z.B. bei Kabeln. Deshalb sollte diese Fragestellung durch systematisch-variierte künstliche Klima- und Bewitterungstests an flammgeschützten Polymerwerkstoffen untersucht werden.
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.
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.
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.
Polyether and -ester urethanes (PU) were exposed to artificial weathering at 40 °C and artificial UV radiation in a weathering chamber. In 3 parallel exposures, humidity was varied between dry, humid, and wet conditions. Material alteration was investigated by various analytical techniques like size exclusion chromatography
(SEC), liquid chromatography-infrared spectroscopy (LC-FTIR), thermal-desorption gas chromatography-mass spectrometry (TD-GC-MS), fluorescence mapping and dynamic mechanical analysis (DMA). Our results show that depending on the weathering conditions, different degradation effects can be observed. By means of SEC an initial strong decrease of the molar masses and a broadening of the mass distributions was found. After a material dependent time span this was followed by a plateau where molar mass changes were less significant. A minor moisture-dependent degradation effect was only found for polyester PU. Fluorescence measurements on two materials revealed an increase in the luminescence intensity upon weathering process reaching a saturation level after about 500 h. The changes in the optical properties observed after different exposure conditions and times were very similar. The TD-GC-MS data showed the fate of the stabilizers and antioxidant in the course of weathering. LC-FTIR measurements revealed a change in peak intensities and the ratio of urethane and carbonyl bands.
Size-exclusion chromatography (SEC) was used to monitor changes of the molecular masses of thermoplastic polyether – and polyester urethane (TPU) exposed to thermal, hydrolytic, and photo-oxidative (UV) Degradation conditions for several days. The thermal treatment was performed at elevated temperatures (100–200 °C) under oxidative (air) as well as non-oxidative (nitrogen) conditions to evaluate the specific influence of oxygen on the degradation. At higher temperatures (≥175 °C) a fast decrease of the molecular masses of both PU accompanied by a high degree of crosslinking was found. At lower temperatures (≤150 °C) the polymers remained widely unaffected by thermal degradation within the investigated degradation interval of up to two weeks. Surprisingly, the influence of oxygen (air) was found to be less distinct. In contrast to that, UV treatment at 25 °C at less than 10% rel. humidity (RH) resulted in a fast crosslinking, whereas the molecular masses of both PU decreased slower than for thermal treatments. The depth of penetration of the UV radiation was estimated using 3D printed PU samples with different thicknesses. Hydrolysis based degradation effects were less significant. Only slight molecular mass changes were detected at temperatures ≤80 °C within a time span of 14 days, while no crosslinking could be measured. Considering the degradation results at the investigated exposure parameters, it could be shown that esterbased PU in general exhibits a significant higher stability compared to ether-based materials.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.