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Rubber is widely used as sealing material in various applications. In many fields the function of seal materials at low temperatures is necessary. 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 rubbers are strongly temperature dependent. At low temperatures this is caused by the rubber-glass transition (abbr. glass transition). During continuous cooling, due to the glass transition the material changes from rubber-like entropy-elastic behaviour to stiff energy-elastic behaviour, that allows nearly no strain or retraction. Hence, rubbers are normally used above their glass transition. But as the minimum working temperature limit of elastomers cannot be defined globally and precisely, the lower operation temperature limit of rubber seals should be determined in dependence of the application conditions and the most relevant material properties.
In this paper, wesummarize results of our temperature dependent investigation of seal material properties by classical thermal analysis as Differential Scanning Calorimetry (DSC) and Dynamic Mechanical Analysis (DMA), combined with measurements of standardized tests as compression set and the seal performance determined in component tests. To reduce the test time of compression set tests a faster technique was developed and applied.
To study the influence of dynamic events on the seal performance and to enhance the understanding of occurring seal failure, a setup for a fast partial seal release was designed.
Der Druckverformungsrest (DVR) stellt insbesondere für Dichtungsanwendungen eine wichtige Kenngröße zur Beurteilung der Eignung eines Elastomers dar. Er ermöglicht die Einschätzung des zeitabhängigen Rückstellverhaltens eines Werkstoffs nach Deformation. Neben der Prüfung bei erhöhten Temperaturen, zur Beurteilung des Alterungsverhaltens, lässt sich bei der Durchführung bei tiefen Temperaturen die limitierende Einsatztemperatur bestimmen. Die Versuchsdurchführung unterscheidet sich je nach angewandter Norm und kann einen deutlichen Einfluss auf den DVR-Wert haben. Um bei tiefen Temperaturen eine schnelle Aussage zu gestatten, ist eine im Vergleich zu genormten Methoden deutlich schneller durchzuführende, automatisierte Methode entwickelt und mit Standardmethoden verglichen worden. Durch kontinuierliche Messung des Druckverformungsrests kann die Kinetik der Materialrückstellung betrachtet und dadurch ein effizienter Materialvergleich und eine effiziente Materialauswahl ermöglicht werden. Compression set (CS) is especially for sealing applications an important parameter for material selection. It allows an assessment of the time dependent recovery after deformation.
In addition to testing at elevated temperatures which aims at the evaluation of the ageing behaviour, testing at low temperatures permits the determination of the low working temperature limit. The test procedure varies depending on the applied standard and can show a significant effect on the CS value. In order to allow a quick statement regarding low temperatures an automated procedure being significantly faster realisable in relation to the standardised methods has been developed and compared with standard procedures. Continuous measurement of the compression set allows evaluating the recovery kinetics and therefore an efficient comparison and selection of materials.
Dichtungsverhalten bei niedrigen Temperaturen - Untersuchung der unteren Temperatureinsatzgrenze
(2018)
Elastomere werden vielfach in Produkten eingesetzt, die bei verschiedenen Temperaturen verwendet werden. Dabei sind O-Ringe kostengünstige Dichtelemente, die allerdings für die Funktionsfähigkeit und Sicherheit eines Produkts entscheidend sind. Die untere Temperatureinsatzgrenze ist dabei durchaus relevant und aus wissenschaftlicher Sicht nicht allgemeingültig zu definieren, da diese einerseits durch die Änderungen der Materialeigenschaften im Zuge des Gummi-Glas-Übergangs definiert werden, die Temperaturlage dieses Übergangs jedoch sehr stark von den jeweiligen Einsatzbedingungen (z.B. Frequenz) abhängt. Dadurch ergeben sich große Unterschiede zwischen statischen und dynamischen Anwendungen. Verschiedene Untersuchungen sollen vorgestellt und interpretiert werden, um das Auditorium auf verschiedene Herausforderungen aufmerksam zu machen und Lösungsansätze vorzustellen...
At the Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) in Division 3.4 Safety of Storage Containers, one of our tasks is to evaluate the safety of containers designed for disposal of low and intermediate radioactive waste. As such containers might be transported before and stored until disposal, safe enclosure of the radioactive inventory is important for this time span. Elastomer O-rings are widely used as barrier seals in these containers. Thus, as for many other applications, an understanding of the practical effects of ageing degradation on elastomer seals during long-term exposure is mandatory for predicting the lifetime of such components. According to a long-term test programme on three kinds of rubbers (EPDM and FKM (relevant for application), HNBR (for comparison)), over several years we have studied the degradation and the change of mechanical properties (e.g. hardness, strain at break) at four different ageing temperatures (75 °C, 100 °C, 125 °C and 150 °C) as well as the change of sealing properties. Continuous and intermittent compression stress relaxation (CSR) measurements were performed in order to investigate the respective contribution of crosslinking and chain scission to the observed degradation effects. Thus, the degradation kinetics and mechanisms could be resolved more clearly. For assessing the seal performance, compression set (CS) and leakage rate measurements were conducted. The experimental results showed that the O-rings remained leak-tight under purely static conditions even when CSR, CS and mechanical properties already indicated far advanced degradation. For this reason, a modified leakage test involving a small and rapid partial decompression of the seal was developed that enabled determining an end-of-lifetime criterion for O-rings with a safety margin for thermal shrinkage and vibrations.
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.
Elastomere werden vielfach in Produkten eingesetzt, die bei verschiedenen Temperaturen verwendet werden. O-Ringe sind kostengünstige Dichtelemente, die allerdings für die Funktionsfähigkeit und Sicherheit eines Produkts entscheidend sein können. Die untere Temperatur-einsatzgrenze ist dabei relevant und aus wissenschaftlicher Sicht nicht allgemein gültig zu definieren, da diese einerseits durch die Änderungen der Materialeigenschaften im Zuge des Gummi-Glas-Übergangs definiert werden, die Temperaturlage dieses Übergangs jedoch sehr stark von den jeweiligen Einsatzbedingungen (z.B. Frequenz) abhängt. Dadurch ergeben sich große Unterschiede zwischen statischen und dynamischen Anwendungen.
Verschieden Untersuchungen sollen vorgestellt und interpretiert werden, um das Auditorium auf verschiedene Herausforderungen aufmerksam zu machen und Lösungsansätze vorzustellen.