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- 6.3 Strukturanalytik (4)
- 5 Werkstofftechnik (3)
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Eingeladener Vortrag
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Häufig ist es wünschenswert, für neue Materialien oder Anwendungen künstliche Bewitterungsverfahren zu benutzen, die auf die spezifischen Anforderungen besser zugeschnitten sind, als es bei bestehenden standardisierten Verfahren der Fall ist. Nachdem man die spezifischen Parameter der Beanspruchung unter Anwendungsbedingungen und die spezifische Empfindlichkeit des Materials erfasst hat, beginnt ein Prozess, der als „Test Tailoring“ häufig abstrakt verwendet, auf den aber nur selten näher eingegangen wird. Genau dieser Prozess soll hier am Beispiel der Entwicklung eines künstlichen Bewitterungstests unter saurer Beaufschlagung, dem in der BAM entwickelten Acid Dew and Fog Test, beispielhaft erläutert werden.
Häufig ist es wünschenswert, für neue Materialien oder Anwendungen künstliche Bewitterungsverfahren zu benutzen, die auf die spezifischen Anforderungen besser zugeschnitten sind, als es bei bestehenden standardisierten Verfahren der Fall ist. Nachdem man die spezifischen Parameter der Beanspruchung unter Anwendungsbedingungen und die spezifische Empfindlichkeit des Materials erfasst hat, beginnt ein Prozess, der als „Test Tailoring“ häufig abstrakt verwendet, auf den aber nur selten näher eingegangen wird. Genau dieser Prozess soll hier am Beispiel der Entwicklung eines künstlichen Bewitterungstests unter saurer Beaufschlagung, dem in der BAM entwickelten Acid Dew and Fog Test, beispielhaft erläutert werden.
Mit additiven Fertigungsverfahren hergestellte Bauteile und Produkte aus Kunststoffen werden zunehmend nicht mehr nur als Prototypen, sondern als voll funktionsfähige Bauteile und Produkte gefertigt. Bedingt durch die Fertigungsprozesse und den schichtweisen Aufbau resultieren physikalische Materialeigenschaften, die stark von den Fertigungsparametern abhängen und zudem anisotrop sind. Von den Fertigungsparametern werden auch die Oberflächeneigenschaften beeinflusst, sodass zu erwarten ist, dass sich die Beständigkeit gegenüber äußeren Umwelteinflüssen bei additiv gefertigten Bauteilen von der konventionell gefertigter unterscheiden kann. Nachfolgend wird daher die Entwicklung eines Qualitätssicherungskonzeptes basierend auf spektroskopischen und zerstörungsfreien Prüfverfahren vorgestellt, in dem der Alterungsprozess von mittels Fused Deposition Modelling (FDM) und mittels Lasersintering (LS) hergestellten Probekörpern untersucht wird.
Das vorgestellte Projekt beschäftigt sich mit den optischen, thermophysikalischen und mechanischen Materialeigenschaften von additiv gefertigten Kunststoffteilen und deren Alterung. Dazu wurden mittels Fused Layer Modeling (FLM) Probekörper aus ABS hergestellt, die anschließend für drei Monate einer künstlichen Bewitterung unterzogen wurden. Die dabei erzeugte definierte Alterung wurde nach drei Zeitabschnitten jeweils mit zerstörungsfreien Methoden charakterisiert. Dabei wurde neben den spektroskopischen Standardmethoden auch die aktive Thermografie eingesetzt. Die Ergebnisse zeigen, dass sich mittels der Thermografie sowohl chemische Veränderungen als auch mechanische Schädigungen (Fehlstellen) darstellen lassen. Die Bewitterung beeinflusst die Teiltransparenz der Proben zumindest im sichtbaren Spektralbereich, was bei der Charakterisierung der Fehlstellen, die mittels optisch angeregter aktiver Thermografie detektiert wurden, berücksichtigt werden muss.
Durch das Füllen von Polymeren mit Nanopartikeln oder Nanoröhren werden verbesserte Materialeigenschaften z.B. bezüglich mechanischer Stabilität, Witterungsbeständigkeit, elektrischer Leitfähigkeit und Flammschutz angestrebt. Mit dem vermehrten Einsatz derartiger Nanokomposite gewinnen aber auch Fragen des Umwelt- und Gesundheitsschutzes an Bedeutung. Es gilt zu klären, ob durch Herstellung, Benutzung und Witterungsbeanspruchung möglichweise nanoskalige Partikel freigesetzt werden können. Zu diesem Zweck wurden mit Kohlenstoffnanoröhren, Carbon Nanotubes (CNT), gefüllte Polymerkomposite spektral breitbandig wie auch quasimonochromatisch unter variierter klimatischer Beanspruchung bestrahlt. Die sich vor allem an der Oberfläche mit der Alterung abzeichnenden Veränderungen wurden mikroskopisch und spektroskopisch charakterisiert.
The influence of weathering on the fire retardancy of polymers is investigated by means of a cone calorimeter test, before and after artificial weathering. The surface degradation was monitored using different techniques (ATR–FTIR, microscopy, colour measurement). Different kinds of polymeric materials were chosen, all as they are used in practice: polycarbonate (PC) blends, polyamide (PA) and polypropylene (PP) flame-retarded with arylphosphate, melamine cyanurate (MC) and intumescent formulation based on ammonium polyphosphate (APP), respectively.
All samples show material degradation at the surface due to weathering. No significant weathering influence occurs on the flame retardancy when it is a bulk property, as was observed for aryl phosphates in PC blends and MC in PA. When the fire retardancy is dominated by a surface mechanism, dependence on the duration of weathering is detected: for intumescent formulations based on ammonium APP in PP, a worsening in the formation of the intumescent network was observed.
To determine a polymer’s spectral response of photo degradation, two main methods have been established. The so-called “filter technique” uses polychromatic radiation, which is filtered by a set of various sharp cut-on filters. This procedure provides separated reading points of an activation spectrum of the investigated material. With the "spectrographic technique” a specimen is irradiated with pectrally dispersed radiation, locally quasi monochromatically, and the local property changes.are related to the radiant exposure at the respective wavelengths. A third method, the irradiation of specimens with quasi monochromatic radiation behind interference filters, is rarely used.
These methods have advantages and disadvantages and therefore, there are limits for conclusions from these spectral data. Concerning the quasi monochromatic Irradiation of specimens the development of new UV radiation sources looks promising.
With the rapid development of inexpensive UV Light-emitting diodes (LEDs), new : sources of nearly monochromatic radiation in the UV ränge are available, even down to about 250 nm. To determine the spectral response, the use of such UV-LEDs in TO-18 ) and TO-39 metal cases combines the advantages of low cost and energy efficiency, stable spectral irradiance, temperature.and humidity control, larger specimen areas, and an easy and stable analysis.
Combinations of different UV LEDs are also discussed as replacement for xenon arc ' radiation sources, see patent application EP01528388A1.
In den letzten Jahrzehnten wurde die Degradation der polymeren Matrix von flammgeschützten Polymeren eingehend untersucht. Erst in den letzten Jahren jedoch hat sich die Frage der Lebensdauer der Funktionalität des Flammschutzes selbst als wichtige Fragestellung herauskristallisiert, z.B. bei Kabeln. Deshalb sollte diese Fragestellung durch systematisch-variierte künstliche Klima- und Bewitterungstests an flammgeschützten Polymerwerkstoffen untersucht werden
In den letzten Jahrzehnten wurde die Degradation der polymeren Matrix von flammgeschützten Polymeren eingehend untersucht. Erst in den letzten Jahren jedoch hat sich die Frage der Lebensdauer der Funktionalität des Flammschutzes selbst als wichtige Fragestellung herauskristallisiert, z.B. bei Kabeln. Deshalb sollte diese Fragestellung durch systematisch-variierte künstliche Klima- und Bewitterungstests an flammgeschützten Polymerwerkstoffen untersucht werden.
Additiv gefertigte Prüfkörper aus Polyamid 12 (Laser Sinter Verfahren) und Acrylnitril-Butadien-Styrol (Fused Layer Modeling Verfahren) wurden über 2000 Stunden künstlich bewittert und ihr Alterungsverhalten untersucht. Die Ergebnisse wurden anschließend mit denen von Prüfkörpern verglichen, welche auf dieselbe Weise künstlich bewittert, aber mittels konventionellem KunststoffSpritzguss hergestellt wurden.
Temperature is an important parameter in weathering tests. In many (photo-)chemical degradation processes a Variation of the specimen temperature by A t = + 1 °C can cause a Variation of AP(property change) by ± 8%.
Since the early eighties it is well known that some types of black panel thermometers can show temperatures that are far below the maximum surface temperature of a black specimen. Although, there were precise requirements for the black coating of the BPT, a replacement by a white coating - depending on the design of the BPT - did not really change the temperature shown by the thermometer. There was no correlation between the BPT and the specimen surface temperature.
In Europe and later at ISO the so-called black- and white-standard thermometers BST/WST were introduced. Now, there are BST and WST (ISO) and there are thermally uninsulated and insulated BPT and WPT (ASTM), partly for artificial or for outdoor exposure. And there are other adventurous procedures to determine surface temperatures.
The different types of thermometers and different procedures will be discussed and it will be shown that there is no procedure which establishes a correlation between outdoor surface temperatures and surface temperatures in artificial exposure tests.
To avoid a catastrophic failure of insulation in high-voltage (HV) applications, a monitoring of partial discharges (PDs) is necessary. Fluorescently labelled polymer optical fibers (F-POF) offer an electrically passive method for PD detection in HV facilities. F-POFs could be embedded in HV cable accessories, which are usually made of silicone rubber. Herein they detect the light emitted by the PD and convert it into an electrical signal that can be monitored. Due to the difficult accessibility of HV cable accessories, a self-healing silicone rubber with prolonged service life after PD detection represents an attractive material design for HV accessories. With this contribution, we would like to present and discuss the possibilities of combining self-healing materials with POF-based sensors for PD detection in HV applications.
Chemiluminescence (CL) is a sensitive method of investigating the thermo-oxidative stability of polymers in the early stages of degradation. Therefore, CL measurements were applied to different automotive coatings to evaluate their degradation behavior during artificial weathering. In this work, CL measurements were carried out for different automotive coatings to follow their degradation behavior during artificial weathering. The CL emission depends on sample-specific parameters like stabilizer, matrix, or hardener; experimental parameters like the oxygen partial pressure; and exposure parameters like the duration of weathering. The potential of CL could be demonstrated by classifying materials into categories of good, medium, and low degradation performance at a much earlier stage of weathering exposure than in combination with the usual visual detection of weathering effects.
Der Anteil von Polymeren als Funktions- und Konstruktionswerkstoffe in dauerhaften medizinischen Anwendungen steigt beständig. Derartige Materialien müssen den mechanischen, biologischen und chemischen Bedingungen im Körper widerstehen (u.a. Abrieb, Hydrolyse, Degradation) und gleichzeitig gut verträglich sein. Der sichere Einsatz von polymeren Materialien erfordert die Kenntnisse über ihre Langzeitstabilität unter verschiedenen äußeren Bedingungen. Diese sind nicht nur beeinflusst durch die unmittelbare Umgebung in vivo, sondern auch durch die Historie der verwendeten Materialien. Dazu zählen u. a. erhöhte Temperaturen unter sauerstoffhaltiger Atmosphäre während der Verarbeitung oder die Exposition von ionisierender Strahlung oder reaktiven Radikalen während der Sterilisation.
Waste disposal of carbon nanotube (CNT) containing products is expected to be the most important pathway for release of CNTs into the environment. In the present work, the use of radiolabelled CNTs (14C-CNT) for polycarbonate polymer nanocomposites with 1 wt% 14C-CNT content allowed for the first time to quantify and differentiate the CNT release according to the type of impact along the materials' ageing history. After an initial exposure of the nanocomposite by solar-like irradiation, further environmental impacts were applied to composite material. They aimed at mimicking disposal site conditions that may induce further ageing effects and CNT release. This study included shaking in water, rapid temperature changes, soaking in humic acid solution as well as waste water effluent, and, finally, gentle mechanical abrasion. All ageing impacts were applied sequentially, both on pristine (control) and on solar-irradiated nanocomposites. All experiments were accompanied by absolute quantification of radioactive release as well as chemical and morphological analyses of the nanocomposite surfaces using infra-red (IR) spectroscopy, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and scanning electron microscopy (SEM). The morphological analysis showed that spectral irradiation can uncover CNT networks on the outer nanocomposite surface layers by polymer degradation. After having subjected the solar-irradiated nanocomposite to all studied disposal site effect, the total radioactive release was quantified to amount to 64 mg CNT/m2, whereas only 0.8 mg CNT/m2 were found for the un-irradiated control sample. Solar degradation of polymers was thus found to significantly increase the propensity of the studied polymer nanocomposites to release CNTs during ageing effects at the product's end-of-life typical for disposal sites.
Quantitative Auswertemöglichkeiten bei der spektralen Bestrahlung – Berechnung des Wirkungsspektrums
(2017)
Für die Bewertung des Wellenlängeneinflusses auf die Alterungsvorgänge bei der Bestrahlung UV- oder lichtempfindlicher Materialien kann die Methode der spektralen Bestrahlung angewendet werden. Im Prinzip wird dabei das linear dispergierte Spektrum einer Strahlenquelle mit kontinuierlichem Spektrum (z.B. Xe-Lampe) auf eine Probenoberfläche abgebildet, so dass Ort einer Materialänderung und Wellenlänge der Bestrahlung einander zugeordnet werden können. Nachfolgende lokal-auflösende Analysemethoden ermitteln eine Eigenschaftsänderung an einem spezifischen Ort der Probe, aus dem sich dann die Bestrahlungswellenlänge ergibt.
Der verwendete Aufbau wird beschrieben. Es wird an einem ausgewählten Beispiel gezeigt, wie durch geeignete Anbindung eines Messsystems zur Bestimmung der spektralen Bestrahlungsstärke und ortsaufgelöste Messungen der Eigenschaftsänderungen eine quantitative Auswertung realisiert werden kann. Der Einfluss nichtlinearer Alterungsverläufe wird diskutiert. Grenzen der Methode werden aufgezeigt und Erweiterungsmöglichkeiten dargestellt.
Quantitative Auswertemöglichkeiten bei der spektralen Bestrahlung – Berechnung des Wirkungsspektrums
(2017)
Für die Bewertung des Wellenlängeneinflusses auf die Alterungsvorgänge bei der Bestrahlung UV- oder lichtempfindlicher Materialien kann die Methode der spektralen Bestrahlung angewendet werden. Im Prinzip wird dabei das linear dispergierte Spektrum einer Strahlenquelle mit kontinuierlichem Spektrum (z.B. Xe-Lampe) auf eine Probenoberfläche abgebildet, so dass Ort einer Materialänderung und Wellenlänge der Bestrahlung einander zugeordnet werden können. Nachfolgende lokal-auflösende Analysemethoden ermitteln eine Eigenschaftsänderung an einem spezifischen Ort der Probe, aus dem sich dann die Bestrahlungswellenlänge ergibt.
Der verwendete Aufbau wird beschrieben. Es wird an einem ausgewählten Beispiel gezeigt, wie durch geeignete Anbindung eines Messsystems zur Bestimmung der spektralen Bestrahlungsstärke und ortsaufgelöste Messungen der Eigenschaftsänderungen eine quantitative Auswertung realisiert werden kann. Der Einfluss nichtlinearer Alterungsverläufe wird diskutiert. Grenzen der Methode werden aufgezeigt und Erweiterungsmöglichkeiten dargestellt.
We report the selective ring opening copolymerisation (ROCOP) of
oxetane and phthalic thioanhydride by a heterobimetallic Cr(III)K
catalyst precisely yielding semi-crystalline alternating poly(esteralt-
thioesters) which show improved degradability due to the
thioester links in the polymer backbone.