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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.
Viscoelastic properties of cellular polypropylene ferroelectrets (PP FEs) were studied at low
frequencies (0.3–33 Hz) by dynamic mechanical analysis and at high frequencies (250 kHz) by laser Doppler vibrometry. Relaxation behavior of the in-plane Young’s modulus (Y´
11~1500 MPa at room temperature) was observed and attributed to the viscoelastic response of polypropylene matrix.
The out-of-plane Young’s modulus is very small (Y´33≈0.1 MPa) at low frequencies, frequency- and stress-dependent, evidencing nonlinear viscoelastic response of PP FEs. The highfrequency mechanical response of PP FEs is shown to be linear viscoelastic with Y´33≈0.8 MPa. It is described by thickness vibration mode and modeled as a damped harmonic oscillator with one degree of freedom. Frequency dependence of Y*33 in the large dynamic strain regime is described by the broad Cole-Cole relaxation with a mean frequency in kHz range attributed to the Dynamics of the air flow between partially closed air-filled voids in PP FEs. Switching-off the relaxation contribution causes dynamic crossover from the nonlinear viscoelastic regime at low frequencies to the linear viscoelastic regime at high frequencies. In the small strain regime, contribution of the air flow seems to be insignificant and the power-law response, attributed to the mechanics of polypropylene cell walls and closed air voids, dominates in a broad frequency range. Mechanical Relaxation caused by the air flow mechanism takes place in the sound and ultrasound frequency range (10 Hz–1MHz) and, therefore, should be taken into account in ultrasonic applications of the PP FEs deal with strong exciting or receiving signals.
Vernetzen statt Verglasen
(2000)
Harnstoff-Formmassen gehören zu den duroplastischen Formmassen, die im Werkzeug chemisch vernetzen und so ihre herausragende Temperaturbeständigkeit erreichen.
Im Wettbewerb mit Thermoplasten weisen Formmassen den Nachteil auf, dass die Vernetzungsreaktion eine kritische Zeit bedingt, damit die Glasübergangstemperatur soweit verschoben werden kann, dass die heißen Teile stabil und blasenfrei entformt werden können. Die Zykluszeiten sind bei Formmassen daher deutlich höher als bei Thermoplasten.
Eine Möglichkeit, die Zykluszeit zu verringern, wäre die Erhöhung der Werkzeugtemperatur, da bekanntlich eine Erhöhung der Reaktionstemperatur um 10 K zu einer Verdoppelung der Reaktionsgeschwindigkeit führt.
Allerdings wird dabei das Zeitfenster für die Entformung optimal gehärteter Teile deutlich kleiner, der Prozess anfälliger gegen Schwankungen im Prozess und in der Formmasse-Zusammensetzung. Mit einer Online-Kontrolle des Vernetzungszustands sollte es aber gelingen, den Prozess auch bei einer höheren Werkzeugtemperatur noch stabil zu beherrschen. In der vorliegenden Arbeit wird die Methode der dielektrischen Prozesskontrolle in der Fertigung von Spritzgieß-Formteilen erprobt und die Möglichkeiten einer Prozesssteuerung werden herausgearbeitet.
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 encapsulation 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 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 rubbers are strongly temperature dependent. At low temperatures this is caused by the rubber-glass transition (abbr. glass transition). During continuous cooling the material changes from rubber-like entropy-elastic to stiff energy-elastic behaviour, that allows nearly no strain or retraction, due to the glass transition. Hence rubbers are normally used above their glass transition but the minimum working temperature limit is not defined precisely, what can cause problems during application. 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 standardized measurements as the compression set according to ISO 815. To reduce the test time of the standard tests a faster technique was developed.
Additionally, the breakdown temperature of the sealing function of complete O-ring seals is measured in a component test setup to compare it with the results of the other tests. The experimental setup 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. Some materials (seals and test sheets) were purchased from a commercial seal producer and some materials were compounded and cured at BAM in form of rubber sheets.
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.
In recent years eure monitoring with ultrasonic methods became more important. An on-line measurement System for industrial applications is presented in this paper. It operates in through-transmission and the measured parameters are the sound velocity and the attenuation of the sound wave. An objective of this paper is to establish the ränge of possible applications for an ultrasonic eure monitoring System.
Ultrasound waves penetrate solid objects without damaging them. Their fields of application range from the imaging of internal organs in medicine, to interior testing of mechanical and chemical engineering components. However, ultrasonic systems can also be used to visualise the way the mechanical properties of reactive resins change during processing in the mould.
Die Messung des dynamischen Speichermoduls mit der Dynamisch-Mechanischen-Analyse ermöglicht einen schnellen Überblick über das temperaturabhängige Verhalten von elastomeren Dichtungsmaterialien. Ein direkter Rückschluss von der so ermittelten Glasübergangstemperatur Tg auf die Versagenstemperatur einer Dichtung ist aber ohne zusätzliche Messungen bisher nicht möglich.
Mit den Ergebnissen des Druckverformungsrestes DVR und des DVRDMA ist eine ge-nauere Beschreibung der Tieftemperatureigenschaften und dadurch der Funktion von elastomeren Dichtungsmaterialien möglich. Messungen ergeben beispielsweise, dass sich das EPDM bei einer Temperatur von -40 °C laut der Dynamisch Mechanischen Analyse noch im gummielastischen Bereich befindet. Die DVRDMA-Werte zeigen eine Rückstellung um mehr als 40 % der Ausgangsdeformation in wenigen Minuten.
Mit derart detailliert bestimmten Eigenschaften lassen sich Rückschlüsse auf einsatzspezifische Anforderungen wie z. B. die Dichtwirkung in Abhängigkeit von Betriebstemperatur und mechanischer Belastungsgeschwindigkeit ziehen, so dass je nach Einsatzbedingungen für die Dichtungen eine geeignete Materialauswahl getrof-fen werden kann.
Thermoanalytische Charakterisierung von Ethylen-Vinylacetat-Copolymer (EVA) für Photovoltaikmodule
(2011)
Das Ziel der Untersuchungen war mit Hilfe von DSC und DMA EVA-Folien im Anlieferungszustand hinsichtlich der Lage der Glasübergangstemperatur, des Schmelzverhaltens und der Temperaturabhängigkeit der Vernetzungsreaktion zu charakterisieren. Auf dieser Basis sollte die Lieferstabilität im Sinne einer Wareneingangskontrolle auf eine messtechnische Basis gestellt werden. In einem 2. Schritt sollte die vernetzte Folie dahingehend charakterisiert werden, ob infolge der Vernetzung eine Änderung der
Angesichts der spezifischen Bedeutung der Aushärtung von Phenolharzen für ihre Eigenschaften als Ingenieurwerkstoffe besteht großes Interesse an deren quantitativer Charakterisierung. Mittels DSC-Messungen unter hohem Druck (HP-DSC) kann die Vernetzungsreaktion der Phenolharzformmassen durch die Unterdrückung der Verdampfung niedermolekularer Substanzen ohne störende Überlagerungen verfolgt werden. Mittels verschiedener Vernetzungsgrade können die Einflussparameter der Aufheizrate und der Nachtemperung optimiert werden. Die Messergebnisse ermöglichen eine Modellierung der Reaktionskinetik mit dem Ziel einer verbesserten Prozessführung und Qualitätskontrolle in der industriellen Praxis.
Zusammenfassung
Der Ausgangspunkt für diese Arbeiten ist eine in [1] beschriebene Ultraschall-(US)-Sensorik zur Aushärtungskontrolle. Sie wurde für rieselfähige Formmassen entwickelt [2,3]. Darauf aufbauend ist es das Ziel der vorliegenden Arbeit, die Voraussetzungen für den Einsatz dieser Sensorik beim Harzinjektionsverfahren zu schaffen und ihre Kalibrierung durch rheologische und DSC-Messungen zu ermöglichen.
Der erste Teil des Beitrages beschäftigt sich mit dem technologischen Ablauf des Harzinjektionsverfahren und den Einsatzmöglichkeiten der US-Sensorik bei dieser Technologie. Ergebnisse von Schallgeschwindigkeits- und Dämpfungsmessungen für EP-Harze werden vorgestellt.
Im zweiten Teil wird auf das Kalibrieren der US-Sensorik für den Verarbeiter eingegangen. Es kann mittels der bisherigen Prozessführung oder durch Vergleich mit den Ergebnissen anderer Mess-Verfahren wie Rheometer- oder Differential-Scanning-Calerometry-(DSC)-Messungen erfolgen.
The temperature dependences of dielectric permittivity and elastic modulus of poly(vinylidene fluoride - hexafluoropropylene) (P(VDF-HFP)) are compared and explained by use of structural data obtained by differential scanning calorimetry and X-ray analysis. Special emphasis is put on the effect of uniaxial stretching which renders the polymer ferroelectric. It is shown that dielectric and mechanical relaxations at the glass transition (aa relaxation) are closely related and not significantly affected by stretching. It is further confirmed that stretching destroys the non-polar spherulitic crystalline structure and produces relatively small-sized polar crystallites. This manifests in the disappearence of the so-called ac relaxation which is associated to molecular motions within the spherulitic crystalline lamellae. However, there are discrepancies between dielectric and mechanical losses above the glass transition which point towards a still not described structural transition.
Ultraschallwellen durchdringen Festkörper, ohne sie zu schädigen. Der Einsatzbereich von Ultraschall reicht von der Darstellung der inneren Organe in
der Medizin bis zur Prüfung des Inneren von Bauteilen im Maschinen- und
Anlagenbau. Ultraschall-Systeme können jedoch auch genutzt werden, um
sichtbar zu machen, wie sich mechanische Eigenschaften von Reaktionsharzen
während ihrer Verarbeitung im Werkzeug verändern.
Post-annealing of thermosets
(2006)
Thermosetting moulding compounds are synthetic materials which can be easily formed in the molten state and achieve high temperature stability due to a cross-linking process which takes place during manufacture. To ensure thermal and mechanical properties, post-curing of moulded phenolic resin components is necessary for high quality applications. In the industrial practice, post-curing time-temperature-programs are heuristically acquired. In this paper, dynamical mechanical thermal analysis is employed to determine optimal post-curing conditions for injection moulded parts from phenolic resin.
Non-destructive evaluation (NDE) of composites: using ultrasound to monitor the curing of composites
(2013)
Typical composite materials for lightweight construction consist of a fibre (glass or carbon) reinforced thermosetting matrix. The impregnation of the fabric is made with liquid resin – usually epoxy resin or unsaturated polyester resin are used. The main processing methods are resin transfer moulding (RTM) and prepreg technology often used in combination with autoclave curing. After shaping, the resin must be cured. The final properties of the produced parts depend on the curing degree and the final glass transition temperature. Analytical methods and the use of ultrasound for online cure monitoring in the manufacturing process are introduced. Examples for the application of ultrasonic cure monitoring for the production of composite parts for traffic systems are also covered.
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.