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Hydrolytic degradation and functional stability of a segmented shape memory poly(ester urethane)
(2009)
In order to understand the effects of water and hydrolytic ageing on semi-crystalline poly(ester urethane) and its shape memory functionality, water immersion experiments at elevated temperature have been performed on a model substance and various parameters were monitored: change of the melting/crystallisation temperatures, substantial increase in crystallinity, temperature dependence of the water diffusion coefficient and solubility, hydrogen-bonding index and phase mixing by peak deconvolution of the FT-IR carbonyl region and day-to-day tensile and thermo-mechanical cyclic tensile tests. A rising fraction of freezable water agglomerates in the polymer was found for specimens cooled from the immersion temperature. The degradation process could be divided into three phases: an induction phase, a phase of continuous degradation and a phase of accelerated degradation. Shape recovery remains fairly constant during phase one and decreases slowly during phase two. The increase in crystallinity in phase two is accompanied by an increase in shape fixing ability.
Funktionsdauer von Kunststoff-Dränelementen für Oberflächenabdichtungen von Deponien und Altlasten
(2007)
Geosynthetic clay liners (GCLs) often have a sandwich-like multilayer structure, e.g. bentonite encased between two geotextile layers connected by fibers or yarns, either by needle-punching or stitch-bonding. Therefore, the internal shear strength of the GCL depends on the strength of reinforcing fiber bundles or yarns and their anchoring strength in the cover and carrier geotextiles. When used on long and steep slopes and covered with thick soil layers, the GCL is permanently exposed to a combined action of compressive and shear stress. Such load conditions are characteristic for landfill covers and the slope stability of the overall cover system in the long run strongly depends on the long-term internal shear strength of the GCL. A new test method was developed to study this long-term shear behavior. The focus was not only on creep, as it is normally done, but on aging effects. The shear test devices allow the measurement of creep curves and times-to-failure at elevated temperatures in different media (tap water and de-ionized water). In this publication, the main findings of the experiments on needle-punched GCLs with and without thermal treatment are summarized. Tap water as a test medium was essential to ensure sodium to calcium ion exchange in the bentonite layer. Under this condition extremely long test durations without failure were achieved. Sliding failure occurred when de-ionized water was used. Two failure modes were observed: brittle failure of the GCLs with thermal treatment and slow disentanglement of fiber bundles for untreated GCLs. Short-term shear strength (e.g. peel strength) is unrelated to the actual long-term shear strength, i.e. to the times-to-failure achieved in long-term shear strength test. Hence, short-term shear strength alone will not provide reliable dimensioning data for product design and choice of resins. Therefore, the often suggested approach, namely, restriction to short-term tests only and application of factors of safety, is challenged by these results.
Plastic products used in geotechnical engineering, so-called geosynthetics, are often made of polyolefins (polyethylene or polypropylene) and stabilized against oxidative degradation by antioxidants (AO). Three types of AO “packages” are used: (P1) phenols and phosphites/sulfides, (P2) hindered amines (HAS) with a marginal stabilization P1 of the basic resin, (P3) a combination of packages P1 and P2 with comparable amounts of phenol and HAS. We report about long-lasting oven aging and water immersion tests at 80 °C of 29 different polyolefin based products (geomembranes, geonets and geotextiles). Pronounced differences in the degradation behavior were found depending solely on the type of AO package. In case of P1, the oxidative degradation is prevented by the AO. Autocatalytic oxidation only begins after depletion of AO and may lead to catastrophic failure depending on the environmental conditions. In case of P2, degradation starts right from the beginning. However, it is decelerated and proceeds gradually. In case of P3, the degradation behavior seems to be a superposition of the characteristics obtained for P1 and P2. Plotting the fractional loss of the AO in P1 and P2 as function of the square root of aging time, we identified two regimes of AO depletion. We suggest to attribute this observation to the different mechanisms of AO depletion.
Geokunststoffe aus Polyethylen (PE) oder Polypropylen (PP) müssen mit Antioxidantien (AO) stabilisiert werden, damit sie die für die Anwendung in der Geotechnik erforderliche Lebensdauer erreichen. Die Lebensdauer ist dann aber nicht durch die Empfindlichkeit des Polymers gegen Oxidation, sondern durch den Verlust der AO im Laufe der Zeit bedingt. AO können durch den Verbrauch bei Oxidationsreaktionen, durch den Abbau im Polymer, durch die Wanderung an dessen Oberfläche, durch den Abbau auf der Oberfläche, schließlich durch Abdampfen von der Oberfläche oder durch sich Lösen in einem umgebenden flüssigen Medium verloren gehen. Bei den Geokunststoffen aus PP und PE wie auch bei anderen polyolefinen Kunststoffprodukten findet man häufig zwei bestimmte „Pakete“ aus Antioxidantien: (1) eine Kombination von Substanzen aus bestimmten Klassen von sterisch gehinderten Phenolen und Phosphiten und (2) eine Substanz aus der Klasse der sterisch gehinderten Amine (HAS) in Verbindung mit einer geringfügigen phenolischen und phosphitischen Verarbeitungsstabilisierung der Formmasse. Der Verlust der AO wie auch der oxidative Abbau der mechanischen Eigenschaften des Geokunststoffs verläuft ganz unterschiedlich, je nachdem mit welchem Paket stabilisiert wurde. Diese Unterschiede werden im Rahmen eines „3-Stadien-Modells“ diskutiert. Stadium A: die Antioxidantien gehen verloren. Stadium B: die Oxidation läuft langsam an. Stadium C: die Oxidation wirkt sich mehr oder weniger drastisch auf die Produkteigenschaften aus. Dabei zeigt sich, dass das Modell nur auf das Paket 1 anwendbar ist. Im Falle des Pakets 2 findet in gewissem Umfang schon im Stadium A ein oxidativer Abbau statt, ln beiden Fällen ist es aber die AO-Verlustzeit die eigentlich die Lebensdauer bestimmt. Es werden dann Abschätzungen der Lebensdauer von PEHDDichtungsbahnen und von PP-Vliesstoffen gegeben. Die Prüfung und Bewertung der oxidativen Beständigkeit muss die Eigenart der Wirkung und des Verlusts unterschiedlicher Stabilisierungen berücksichtigen. Vor diesem Hintergrund wird die Hochdruck-Autoklav-Prüfung beurteilt. Es werden die Besonderheiten dieser Prüfmethode aufgezeigt, die sich jeweils bei der Anwendung auf Produkte ergeben, die entweder mit dem Paket 1 oder dem Paket 2 stabilisiert wurden. Eine Vorhersage der Lebensdauer unter Anwendungsbedingungen aus den Ergebnissen der Autoklav-Prüfung ist sehr schwierig und vermutlich nur in bestimmten Fällen überhaupt möglich. Ähnliches gilt auch für die vergleichende Bewertung der oxidativen Beständigkeit von Produkten.