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- 7 Bauwerkssicherheit (1)
- 7.5 Technische Eigenschaften von Polymerwerkstoffen (1)
- 9.5 Tribologie und Verschleißschutz (1)
- 9.6 Additive Fertigung metallischer Komponenten (1)
Paper des Monats
- ja (2)
Eingeladener Vortrag
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Elastomerdichtungen finden als Bauteil oder Maschinenelement vielseitige Verwendung. Jedoch war trotz ihrer zentralen Bedeutung die untere Temperaturgrenze, bis zu der solche Dichtungen eingesetzt werden können, bisher nicht tiefgehend verstanden. Dieser Umstand erschwert die entsprechende notwendige sicherheitsrelevante Beurteilung. Mit der vorliegenden Arbeit ist deshalb das Ziel verfolgt worden, dass Materialverhalten repräsentativer Elastomerwerkstoffe in Abhängigkeit von der Temperatur zu verstehen und daraus dann abzuleiten, bis zu welcher Temperatur eine daraus hergestellte Dichtung unter Berücksichtigung der jeweiligen Einsatzbedingungen ihre Funktion noch sicher erfüllen kann. Ausgehend von der in der Literatur beschriebenen Aussage, dass eine Dichtung auch unterhalb der „Glasübergangstemperatur“ funktionsfähig ist, wurde der Einfluss des Glas-Gummi-Übergangs auf das Dichtungsversagen untersucht. Zunächst wurden dazu die Glasübergangstemperaturen an einer Vielzahl von Elastomeren mit gebräuchlichen Verfahren bestimmt, um diese mit dem Verhalten der Dichtung vergleichen zu können. Weiterhin wurde im Rahmen der Arbeit eine neue Charakterisierungsmethode des Tieftemperaturverhaltens von Elastomeren entwickelt, die die bisher für Dichtungen eingesetzte Normprüfung des Druckverformungsrests nachstellt. Mit dieser Methode ist im Vergleich zur Normprüfung jedoch eine deutlich schnellere und automatisierbare Untersuchung des Materialverhaltens gegeben. Darüber hinaus ist durch eine modellgestützte Auswertung eine Extrapolation der Messdaten auf zusätzliche Temperaturen möglich, wodurch der experimentelle Aufwand weiter reduziert wird. Zur temperaturabhängigen Charakterisierung des Versagensvorgangs an realen Bauteilen wurde deren Dichtverhalten mittels eines dafür entwickelten Versuchsstandes untersucht. Die festgestellte Abhängigkeit der Versagenstemperatur vom Verpressgrad konnte unter Verwendung der Ergebnisse aller angewandten Charakterisierungsmethoden für die hier untersuchten statisch beanspruchten Dichtungen erklärt werden. Zudem lassen sich aus dem mit Hilfe des Zeit-Temperatur- Superpositionsprinzips gewonnenen Informationen zur Zeitabhängigkeit der Materialeigenschaften auch Aussagen zum Verhalten von dynamisch beanspruchten Dichtungen ableiten. Mit dem Ergebnis der Arbeit zum Verständnis des Verhaltens von Elastomerdichtungen bei tiefen Temperaturen wird die gezielte Beurteilung und Auswahl von sicherheitsrelevanten Dichtsystemen in Zukunft vereinfacht.
Rubbers are widely used as main sealing materials for Containers for low and intermediate level radioactive waste and as additional component to metal seals in spent fuel and high active waste containers. The save enclosure of the radioactive container inventory has to be guaranteed according to legislation and appropriate guidelines for long term storage periods as well as down to temperatures of -40 °C for transportation. Therefore the understanding of failure mechanisms that lead to leakage at low temperatures is necessary to ensure a proper material choice which is certainly also influenced by additional factors as e.g. the aging behavior.
Due to their extreme high hydrogen contents, high molecular weight (HMW-) and ultra-high molecular weight (UHMW-) polyethylene (PE) are a comprehensible choice as neutron radiation shielding material in casks for storage and transport of radioactive materials. But as a direct consequence of inserting radioactive material in such casks, gamma radiation occurs. Hence, the impact of gamma radiation on the molecular structure of polyethylene has to be taken into consideration. Consequently, PE has to withstand any type of gamma radiation induced degradation affecting safety relevant aspects in order to be applicable for long term neutron radiation shielding purposes during the whole storage period (in Germany, for instance, up to 40 years). The scope of our investigation comprises an estimation of the impact of gamma radiation and temperature on the molecular and supra molecular structure of the two types of PE used as neutron radiation shielding cask components. A further point which is worth exploring is to what extent these changes are detectable by conventional analysis methods. Therefore, thermoanalytical measurements were performed such as differential scanning calorimetry (DSC), thermo mechanical analysis (TMA), dynamic mechanical analysis (DMA), and thermo gravimetric analysis (TGA). Additionally optical and weighing methods were applied. With those methods it is possible to detect structural changes in polyethylene induced by exposure to gamma radiation. The observed amounts of changes of the irradiated material are not safety relevant for the application of polyethylene as neutron radiation shielding material; moreover, some properties actually improve via irradiation.
The investigation of low temperature properties of elastomeric sealing materials by means of thermo-analytical methods is a sound way to get information about the glass transition process.
The breakdown temperature of the sealing function of O-ring seals was measured in a component test setup depending on material and degree of compression.
An in depth explanation of the observed component tests behaviour is currently in preparation. It requires the results of thermo-analytical methods and measurements as the compression set (not shown here). With that, a model was developed to describe the correlation between physical material parameters and observed component behaviour.