A new method for the evaluation of the low temperature properties of rubber materials is presented. The method emulates the standardized compression set measurement, which is frequently used for sealing materials, but can be performed within a considerably shorter time. The results are compared with the standard test and found to be qualitatively the same. Slight differences are discussed on the basis of the differences in the measurement procedures. Further data evaluation is done by fitting functions to describe the material behaviour.
Elastomers are widely used as the main sealing materials for containers for low and intermediate level radioactive waste and as an additional component to metal seals in spent fuel and high active waste containers. The safe encapsulation of the radioactive container inventory has to be guaranteed according to regulation and appropriate guidelines for long term storage periods as well as for temperatures as low as -40°C during transport. Therefore, the understanding of failure mechanisms that lead to leakage at low temperatures is of high importance. It is known that the material properties of elastomers are strongly temperature dependent. At low temperatures, this is caused by the rubber-glass transition (abbreviated: glass transition). During continuous cooling, the material changes from a rubber-like entropy elastic to a stiff energy elastic behaviour, which allows nearly no strain or retraction. Hence, rubbers are normally used above their glass transition, but the minimum working temperature limit is not defined precisely; this can cause problems during the above noted applications. Therefore, the lower operation temperature limit of elastomer seals must be determined in dependence of the material properties. Differential scanning calorimetry (DSC) and dynamic mechanical analysis (DMA) are combined with standardised measurements to determine the compression set according to ISO 815. To reduce the test time of the standard tests, a faster technique than normally used was developed. Additionally, the breakdown temperature of the sealing function of complete O ring seals was measured in a component test set-up to compare it with the results of the other tests. The experimental set-up is capable of measuring the leakage rate at low temperatures by the pressure rise method. A fluorocarbon rubber (FKM) was selected for this investigation as it is often used for radioactive waste containers. The materials (seals and test sheets) were purchased from a commercial seal producer.
Rubber is widely used as sealing material in various applications. In many fields the sealing function at low temperatures is necessary. Therefore the understanding of failure mechanisms is of high importance. Rubbers are normally used above their glass-rubber transition region but the minimum working temperature limit is not defined precisely. Therefore the lower operation temperature limit of rubber seals should be determined in dependence of the material properties. The results of Differential Scanning Calorimetry (DSC) and Dynamic Mechanical Analysis (DMA) are combined with the results of the standardized compression set according to ISO 815 respectively a modified test using the DMA equipment.
The method for the determination of compression set values with a Dynamic Mechanical Analysis (DMA) setup at low temperatures, which was presented previously, allows a much faster and readily automated procedure than the standardized compression set test according to ISO 815-2. This method is applied to a series of different elastomeric materials that are commonly used for sealing applications. The results of the compression set test are compared with results from thermal analysis to allow an in depth comparison of the material behaviour at low temperatures.
Furthermore, a comparison between two EPDM materials is presented. These materials show very similar properties determined by thermo analytical methods such as Differential Scanning Calorimetry (DSC) and Dynamic Mechanical Analysis (DMA) but differ clearly in their compression set behaviour. This comparison shows the importance and value of information of the compression set test in addition to thermal analysis to judge the behaviour of sealing materials and confirms the relevance of the new compression set test method for the investigation of low temperature properties of elastomers.
Elastomere werden vielfach als Dichtungsmaterial für verschiedene Anwendungen eingesetzt.
In vielen Bereichen ist die Funktion der Dichtung auch bei tiefen Temperaturen erforderlich. Daher ist das Verständnis des Versagensmechanismus von großer Bedeutung.
Normalerweise werden Elastomere oberhalb ihres Glass-Gummi Umwandlungsbereiches eingesetzt, wobei die minimale Einsatztemperatur nicht exakt definiert ist. Daher ist es sinnvoll, diese untere Temperatureinsatzgrenze in Abhängigkeit von den Materialeigenschaften zu bestimmen. Hierfür werden die Ergebnisse der thermischen Analyse mit den Resultaten des Druckverformungsrests aus einer abgewandelten Messung mit der Dynamisch Mechanischen Analyse (DMA) kombiniert.
Weiterhin werden Ergebnisse von Bauteilversuchen vorgestellt und diskutiert.
Die vorgestellten Untersuchungen wurden zum großen Teil auf Untersuchungen im Rahmen der Dissertation von M. Jaunich durchgeführt.
Aufgrund ihrer einfachen und zuverlässigen Anwendung werden Elastomere für viele Dichtungsaufgaben eingesetzt. In vielen Anwendungsbereichen, wie z.B. Verkehr, Luftfahrt und Verfahrenstechnik, können während des Einsatzes tiefe Temperaturen auftreten, bei denen die Funktionsfähigkeit der Dichtung erhalten bleiben muss. Daher ist die Untersuchung des Verhaltens von Elastomerdichtungen bei tiefen Temperaturen wichtig, um ihren Temperatureinsatzbereich nach unten abzugrenzen und dadurch einen verlässlichen Betrieb zu sichern. Ziel dieser Arbeit ist es, den sicheren Einschluss von gefährlichen Gütern unter verschiedenen Umgebungsbedingungen und über lange Zeiten zu ermöglichen bzw. die Materialauswahl entsprechend zu steuern.
Elastomers are widely used as main sealing materials for Containers for low and intermediate Ievel radioactive waste and as additional component to metal seals in spent fuel and high active waste Containers. According to appropriate guidelines and regulations safe enclosure of the radioactive Container contents has to be guaranteed for long storage periods as well as down to temperatures of -40 °C for transportation. Therefore the understanding of seal behaviour in general is of high importance and ageing of elastomeric seals has to be considered with regard to possible dynamic events taking possibly place during transport after storage.
Elastomeric seals are used in many containers, including casks for radioactive waste. However, like all polymers, elastomers are prone to aging, which leads to a loss of sealing force and the ability for recovery which can ultimately result in leakage. Therefore it is important to be able to define an end-of-lifetime criterion and to judge the lifetime of elastomeric seals. For this reason, we started an aging program on three kinds of rubbers (HNBR, EPDM, FKM), monitoring the change of properties at four different aging temperatures over extended periods up to five years. The measured data is used for lifetime prediction by applying a suitable model.
Elastomer seals are widely used as barrier seals in containers for low and intermediate level radioactive waste and for spent fuel transportation casks. In addition, they are also used for spent fuel storage and transportation casks (dual purpose casks (DPC)) as auxiliary seals to allow leakage rate measurements of metal barrier seals for demonstration of their proper assembling conditions. Depending on the area of use, the rubber materials have to demonstrate proper sealing performance with regard to mechanical, thermal, and environmental conditions as well as irradiation during the entire operation period. Concerning DPC, degradation effects should be limited in a way that, for example, effects from potentially released decomposition elements may not harm e.g. metal barrier seals. Leakage rate measurements should be possible also after long interim storage periods prior to subsequent transportation.
Because of the complex requirements resulting from the various applications of containers for radioactive waste and spent nuclear fuel, BAM has initiated several test programmes for investigating the behaviour of elastomer seals. In this contribution the current status is described and first results are discussed.
Unsere Aufgabe im Fachbereich 3.4 der Bundesanstalt für Materialforschung und prüfung (BAM) ist die sicherheitstechnische Begutachtung von Transport- und Lagerbehältern für radioaktiven Abfall, die für langfristige Zwischenlagerung ausgelegt sind. Ein Arbeitsschwerpunkt ist die Bewertung der Lebensdauer von Metall- und Elastomerdichtungen in den Behältern im Hinblick auf die Anforderungen für langfristige Behältersicherheit (min. 40 Jahre in Deutschland). Um die Eigenschaftsänderungen der Elastomerdichtungen während einer beschleunigten Alterung über lange Zeiträume (bis zu fünf Jahre) untersuchen zu können, wurde ein Alterungsprogramm an ausgewählten Elastomeren (HNBR, EPDM, FKM) begonnen.
Im Gegensatz zu Normalterungsverfahren altern wir keine Normteile, sondern O-Ringe im unverpressten sowie verpressten Zustand. Diese Vorgehensweise ermöglicht die Bewertung des Einflusses der Verpressung auf die Alterung sowie die Untersuchung des Bauteilversagens mittels Leckageratenmessungen unter anwendungsnahen Bedingungen. Weitere Charakterisierungsmethoden sind Härtemessung, dynamisch-mechanische Analyse (DMA), Thermogravimetrie (TGA), Druckspannungsrelaxation, Druckverformungsrest (DVR), Dichtebestimmung und Zugversuch. Das Ziel ist, die Leckagerate mit anderen Eigenschaften bzw. Methoden zu korrelieren, um so ein aussagekräftiges und leichter zu bestimmendes Lebensdauerkriterium für elastomere O-Ringe abzuleiten.
Während der Alterung können in Abhängigkeit von Material sowie Alterungsdauer und –temperatur Inhomogenitäten aufgrund von diffusionsbegrenzter Oxidation auftreten, durch die sich unterschiedliche Eigenschaften an der Oberfläche und im Volumen der Dichtung ergeben, was zu falschen Lebensdauerabschätzungen führen kann. Mittels Mikrohärtemessung über den Querschnitt werden diese Effekte charakterisiert und bei der Extrapolation mittels Zeit-Temperatur-Verschiebung und Arrheniusgraph berücksichtigt. Bisher liegen Daten von bis zu einem Jahr bei vier verschiedenen Temperaturen (75 °C, 100 °C, 125 °C und 150 °C) gealterten Proben vor. Nach 100 Tagen bei 150 °C weisen HNBR und EPDM schon einen DVR von über 80 % auf, aber noch keinen signifikanten Anstieg der Leckagerate. Diese sinkt zunächst während der Alterung, da die Permeabilität aufgrund von Vernetzungsreaktionen sinkt. Bei HNBR ist dies aufgrund der dominanteren Vernetzungsreaktionen während der Alterung noch stärker ausgeprägt als bei EPDM.