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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.
Carbon-fibre prepregs have found widespread use in lightweight applications. They are based on a carbon-fibre fabric impregnated with reactive epoxy resin. Prepreg materials are generally pre-cured so that they have a higher molecular weight than typical resins in order to reduce resin flow, which facilitates storage and later processing properties.
The measurements were carried out using commercially available materials and follow the published DMA investigations of the same material. TMDSC was used to find the correlation between curing conditions, the degree of cure and glass transition temperature. TMDSC has the advantage over standard DSC that it enables better determination of the glass transition temperature, which is often accompanied by an exothermic curing reaction, and thus overshadowed. The influence of the amplitude of temperature modulation was tested in preliminary experiments. For non-cured material a glass transition temperature of approximately 0 °C was determined; whereas for the totally cured material it was approximately 230 °C. The changes in degree of cure, temperature of actual glass transition and post-reaction are given as a function of curing time at 180 °C. The correlation between actual glass transition temperature and degree of cure is derived.
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.
Für Elastomenwerkstoffe im Allgemeinen und im Bereich der Dichtungstechnik im Besonderen ist der Druckverformungsrest eine wichtige Kenngröße zur Beurteilung der Eignung eines Werkstoffs bzw. der Funktion eines Bauteils. Er ermöglicht eine Einschätzung des zeitabhängigen Rückstellverhaltens eines Werkstoffs nach Deformation. Dieses ist für Dichtungen von besonderer Bedeutung, da der Test deren Einbauzustand nachstellt.
Oft wird er, bei der Prüfung unter erhöhten Temperaturen, zur Beurteilung des Alterungsverhaltens verwendet und kann anhand eines definierten Versagenskriteriums zur Lebensdauerabschätzung eingesetzt werden. Bei tiefen Temperaturen dient er dazu, die limitierende Einsatztemperatur zu bestimmen. Dabei spielt eine Alterung im eigentlichen Sinne nur eine untergeordnete Rolle, wohl aber physikalische Effekte wie Tieftemperaturkristallisation und Glasübergang. Diese Effekte sind weit weniger durch lange Lagerzeiten beeinflusst als die eigentliche Alterung.
Die Versuchsdurchführung unterscheidet sich je nach angewandter Norm und kann einen deutlichen Einfluss auf den Druckverformungsrest haben. Alle standardisierten Methoden sind aufgrund der langen Lagerzeiten relativ langwierig und erfordern das regelmäßige Eingreifen durch den Prüfer. Zusätzlich sehen einige Methoden nur die Bestimmung eines einzelnen Wertes nach einer definierten Zeit vor.
Um die Messungen zu beschleunigen wurde eine Methode entwickelt, die automatisch die erforderlichen Messungen bei mehreren Temperaturen durchführt.
Dazu wird ein Prüfgerät der Dynamisch Mechanischen Analyse verwendet, das kontinuierlich die Deformation während eines frei programmierbaren Temperaturzyklus misst, wodurch eine sehr große Datenmenge verfügbar ist.
Ein Vergleich der neuen Methode mit den Ergebnissen des nach ISO 815 genormten Messprinzips ergibt eine gute Übereinstimmung. Ergebnisse der neuen Methode werden vorgestellt und die Vorzüge der kontinuierlichen Datenerfassung, z.B. für die Materialauswahl, diskutiert.
Die vorgestellten Ergebnisse beziehen sich zum großen Teil auf die in beschriebenen Untersuchungen und Ergebnisse.
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.