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- Elastomer (19) (entfernen)
Organisationseinheit der BAM
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.
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.
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.
The excellent mechanical properties of elastomer seals at a wide range of temperatures as well as their high versatility and recovery potential under several load conditions make these materials well suitable for the application in containers designed for transport and disposal of negligible heat generating radioactive waste. While a seal exchange at defined intervals is typical in many conventional applications, it is impossible or at least hard to perform when principles of minimization of radiation exposure have to be considered which prohibit an avoidable cask handling. An extensive knowledge of the change of the elastomer properties during aging and the availability of reliable end-of-lifetime criteria to guarantee the safe enclosure of the radioactive material for the required time are mandatory. As BAM is involved in most of the national cask licensing procedures and in the evaluation of cask-related long-term safety issues, great efforts have already been made and are still ongoing to scientifically support this task.
Among other representative types of elastomers, specimen made from ethylene propylene diene rubber (EPDM) were tested before, during and after aging to capture the with respect to application most important of their complex mechanical properties.
Exemplary results of these investigations were used to calibrate material models implemented in the commercial finite element software ABAQUS/Standard®. The finite element model already presented in previous works uses a sequential temperature displacement coupling. The calculated compression stress relaxation (CSR) and compression set (CS) values do satisfactorily match the experimental results.
In many investigations performed at BAM both values (CSR and CS) were identified as key indicators of elastomer’s long-term performance.
However, the possibility to correlate these equivalent indicators with performance values such as tightness and leakage rate, measurable in the mounted state, is an important goal of our future work. In the presented study the ABAQUS® feature of “pressure penetration” is introduced in the suggested finite element model for this purpose. It provides the possibility to simulate the penetration of a gas into a possible gap between flange and O-ring causing an opening of a leakage path. Three dimensional and axis-symmetric finite element models were generated to represent flat and grooved flanges of different dimensions.
The sensitivity of the feature to several input parameters is investigated and the observed behavior of the O-ring is correlated with the results of performed leakage tests.
Monitoring the vulcanization of elastomers: Comparison of curemeter and ultrasonic online control
(2009)
The vulcanization of elastomeric materials has a high impact on the properties of the final product. Therefore, it is important to monitor and control this crosslinking process. A common technique to attain the necessary curing time is the use of a curemeter in accordance with ISO 6502 in order to determine the time for full cure of a sample with a standardized geometry. Based on this result and a lot of practical experience, the required curing time for a given product geometry is estimated. Within the scope of this work, a new analysis technique will be compared with the standard procedure. The ultrasonic online control employs ultrasound waves to measure the changes in material properties caused by vulcanization. For this study, a natural rubber compound with a conventional curing system was investigated by both techniques. It was found that the results of the ultrasonic technique show good agreement with the results of the curemeter.
In consideration of the influence of the curing reaction on the material properties of elastomers, it is very important to control the vulcanization process properly.
As shown previously [1], the effects of the vulcanization reaction of an elastomer can be monitored by use of ultrasonic sound waves. This technique has to a certain degree a high similarity to the standard curemeter test according to ISO 6502 but can be applied also inside a production tool.
So far, the method was only applied to the vulcanization of one compound at a given temperature and sample thickness. This is now complemented with measurements on another compound system at different temperatures and sample thicknesses.
The expected effects of temperature and thickness on the curing behaviour were found by use of the ultrasound online control.
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.
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.
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.