3.1 Sicherheit von Gefahrgutverpackungen und Batterien
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Bei der Bestrahlung und Bewitterung von polymeren Werkstoffen wird die Degradation durch eine Absorption von Strahlung initiiert und meistens durch weitere Klimagrößen, wie z.B. Wärme, Feuchte und atmosphärische Gase beeinflusst. Die Messung einer effektiven Bestrahlungsstärke und ihre zeitliche Integration sind deshalb von großer Bedeutung.
Photochemische Prozesse werden beim Sehen oder allgemeiner bei Farbstoffen schon durch sichtbare (VIS) Strahlung, dagegen bei der Erythembildung der Haut und der Photodegradation von Polymeren erst durch die energiereicheren Photonen der ultravioletten (UV) Strahlung initiiert. Die spektrale Empfindlichkeit des Auges und die Erythembildung sind im VIS- bzw. UV-Bereich sehr stark wellenlängenabhängig, was durch die Angabe der mit der spektralen Hellempfindlichkeit V() des Auges bewerteten VIS-Strahlung in Lux (lx) bzw. die mit der Erythem-Wirkfunktion bewertete UV Strahlung als dimensionsloser UV-Index berücksichtigt wird. Spektrale Empfindlichkeiten.
Die Photodegradation von Polymeren ist im UV-Bereich ebenfalls stark wellenlängenab-hängig, was bisher nicht berücksichtigt wurde. Seit Mitte der 70er Jahre, als die lx- bzw lxh- Messung bei der Strahlungsbeanspruchung langsam durch die Ermittlung der radiometrischen UV-Bestrahlungsstärke bzw. der UV-Bestrahlung im gesamten UV-Bereich abgelöst wurde, gab es hier bei der Bewitterungsprüfung keine weiteren Fortschritte auf dem Gebiet der Charakterisierung der Strahlungsbeanspruchung im UV-Bereich.
Seit Jahren liegen zahlreiche Ergebnisse über die spektrale Empfindlichkeit von Photo-degradationsprozessen vor, die zeigen, dass die spektrale Empfindlichkeit im Bereich der Globalstrahlung bei ca. 300 nm, am größten ist und im langwelligen UV-Bereich bei ca. 400 nm gegen Null geht. Die Messungen der radiometrischen Größen UV-Gesamt-bestrahlungsstärke und UV-Gesamtbestrahlung erfasst deshalb über weite Wellen-längenbereiche Strahlungsanteile, die für die Photodegradation bedeutungslos sind und mittelt über potenziell bedeutsame Änderungen im kurzwelligen UV-Bereich hinweg.
Es wird das Konzept eines neuen UV-Radiometers vorgestellt, dessen spektrale Empfindlichkeit einer mittleren spektralen Empfindlichkeit der Photodegradation von Polymeren entspricht. Die effektive UV-Bestrahlungsstärke und UV-Bestrahlung kann dadurch wesentlich genauer erfasst werden.
Weathering reference materials are used to characterize the harshness of an exposure, aiming on either reproducibility of a specific exposure or on the comparability between various kinds of weathering exposure.
The materials that are used as weathering reference materials differ in their sensitivities (as well as in interactions and interferences of the latter), conditioned by the different processes which lead to the respective property change. It is also essential to take into account the necessary measurement equipment for the respective property change, in order to allow timely intervention.
What are the key issues on choosing a weathering reference material?
What can be learned from the weathering reference materials, investigated so far?
Possibilities and limitations are discussed on the basis of existing weathering reference materials. Conclusions are drawn, for establishing new weathering reference materials.
Die Umweltwirkungen auf ein Material werden als Überlapp der Funktionskurven von Materialempfindlichkeit und einwirkenden Umweltparametern betrachtet. Wenn entweder die Empfindlichkeit oder die Beanspruchungen Null sind, ergibt sich auch keine Umweltwirkung und bei beidseitig Werten größer Null das jeweilige Produkt der beiden. Die Akkumulation der nicht-reversiblen Effekte über die Zeit und allen Eigenschaftsänderungen entspricht der Alterung des Materials für den jeweiligen Expositionszeitraum.
Die digitale Umweltsimulation gliedert sich hier in drei Teilaspekte. Ein erster, rein materialwissenschaftlicher Teil hat die Aufgabe, alle relevanten Materialempfindlichkeiten experimentell zu quantifizieren. Ein zweiter – unter Umständen numerischer Teil – hat die Aufgabe, das Bauteil und seine Einbaulage zu digitalisieren und aus den makroskopischen Umgebungsbedingungen die relevanten mikroklimatischen Umweltparameter für alle Oberflächen- oder Volumenelemente zu bestimmen. In einem dritten Teil werden die Einwirkungen über den betrachteten Zeitraum berechnet und kumuliert. Dieses Konzept, das auf den so genannten Expositions-Reaktions-Funktionen (ERF) basiert, wird an Beispielen der Photoxidation erläutert. Dieses Vorgehen wurde schon beim ViPQuali-Projekt als Numerische Umweltsimulation umgesetzt.
Überprüft werden muss das Modell unbedingt an einer realitätsnahen Validierungsbeanspruchung. Hier werden die ermittelten ERFs mit über den kompletten Beanspruchungszeitraum geloggten Umweltparametern gekoppelt, um die berechnete mit der experimentell erfahrenen Alterungswirkung zu vergleichen. Nur so kann sichergestellt sein, dass alle für die Anwendungsumgebung relevanten Materialempfindlichkeiten einbezogen wurden.
In a laboratory test, transparent high‐density polyethylene (HDPE) jerrycans have been exposed to both UV radiation and 55 wt‐% nitric acid solution at (41 ± 2)°C, for up to 20 days. For comparison, UV radiant exposure (21 days) and nitric acid exposure (up to 6 weeks) were performed separately, at nearly equal temperatures. The damages are compared with FTIR spectroscopy in ATR and HT‐gel permeation chromatography(GPC) on a molecular level and with hydraulic internal pressure testing as a component test. For the used jerrycans, relevant oxidation can only be found after the combined exposure. This is caused by the decomposition of nitric acid into nitrous gases by UV radiation, which is also observed at lower concentrations (28 wt‐%). After 6 days of laboratory exposure, this is rated as critical, which corresponds to about 1/10 year in Central Europe, according to the UV radiant exposure. The gradual increase in oxidative damage shows the reproducibility of the test.
Unpigmented HDPE jerrycans filled with nitric acid (55%) and water respectively had been exposed to outdoor conditions for one Berlin summer season. As both liquids underwent equal temperature progression, exposure effects of UV radiation and nitric acid as well as of their combination can be separated and compared. On the basis of various property changes after these exposures, synergistic action is evaluated and compared to a damaged Intermediate Bulk Container (IBC) from a transport accident.
It is found that carbonyl formation goes along with lightness increase in color measurement due to microcracking and with a worsening in mechanical behavior, all of them showing synergistic effects of UV and nitric acid exposure. In contrast, embedding nitrogen compounds goes along with yellowing of the material but cannot be correlated to oxidation.
The reason for intensified damaging is the decomposition of the 55-percent nitric acid and formation of nitrogen oxides even at ambient temperatures, caused by UV radiation. Thus, damaging effects become similar to those caused by fuming nitric acid exposure at temperatures above 60 °C, with the result of strong oxidative degradation of the polyethylene.
In contrast, exclusive exposure to the 55-percent nitric acid at 40 °C does not cause any failure.
It can therefore be assumed that also the damaged IBC had been exposed to both UV radiation and nitric acid, probably outdoors.
Exposure response function for a quantitative prediction of weathering caused aging of polyethylene
(2019)
The exposure response function of the carbonyl formation over the bulk has been determined for a high-density polyethylene of a thickness of 200 μm, which was used as a weathering reference material according to ISO TR 19032. To this end, spectral sensitivity was studied by local measurement of the effect of spectrally dispersed irradiation. Both the exposure device and the methodology of determination are described.
The temperature dependency of photooxidation was determined by UV exposure at various temperatures between 23 and 80 °C. Deviations from linearity and thus reciprocity below 40 °C are discussed and assumed to be related to diffusion limitations. An Arrhenius approach –based on data of linear carbonyl formation – has been incorporated into the exposure response function. Using this exposure response function, aging in terms of the distribution of a quantitative property change over a plastic component can be predicted for a specific outdoor location with real chronologic weather data as input for the exposure. Thus, artificial and natural weathering can be linked and compared. The established exposure response function has been validated by outdoor exposure results from the literature. If an estimated diffusion limitation is taken into consideration, calculations and published data are in good agreement.
Weathering reference materials (WRMs) are used to characterize the harshness of an exposure, aiming on either reproducibility of a specific exposure or on the comparability between various kinds of natural or artificial weathering exposure.
The materials that are used as weathering reference materials differ in their sensitivities (as well as in interactions and interferences of the latter), conditioned by the different processes which lead to the respective property change. It is also essential to take into account the necessary measurement equipment for the respective property change, in order to allow timely intervention.
What are the key issues on choosing a weathering reference material?
What can be learned from the weathering reference materials, investigated so far?
Possibilities and limitations are discussed on the basis of existing weathering reference materials. Conclusions are drawn, for establishing new weathering reference materials.
Aufgrund des tieferen Eindringens der solaren Strahlung treten bei transparenten und bei transluzenten (durchscheinenden) Kunststoffen veränderte Bedingungen gegenüber opaken Proben auf. Dies kann zu speziellen Effekten und damit zu einem abweichenden Bewitterungsverhalten führen. Auch aus Mangel an geeigneten Normen werden diese Effekte häufig vernachlässigt. Deshalb initiiert der DIN-FNK auf ISO-Ebene ein entsprechendes Dokument.
Die Norm ist in der Form eines Technical Reports geplant. In einem ersten Teil sollen die Besonderheiten transparenter oder transluzenter Kunststoffe erläutert werden, um den Nutzer für mögliche Probleme zu sensibilisieren. Im zweiten Teil werden Empfehlungen für Bestrahlung oder Bewitterung herausgearbeitet. In einem dritten Teil geht es dann um Besonderheiten bei der Messung von Eigenschaftsänderungen transparenter bzw. transluzenter Kunststoffe. In informativen Anhängen sollen verschiedene Beispiele die Thematik illustrieren.
Meta-analysis of heat release and smoke gas emission during thermal runaway of lithium-ion batteries
(2023)
Herein a meta-analysis of 76 experimental research papers from 2000 to 2021 is given about possible effects on the thermal runaway of lithium-ion battery cells. Data on the hazards of gas emissions and released heat are related to each other and differentiated by cell properties such as, cell geometry, cathode type or state of charge. Quantitative information on the total heat release in the range of 2.0–112.0 kJ Wh−1, the peak heat release rate in the range of 0.006–2.8 kW Wh−1and the smoke gas emission were extracted, normalized in terms of cell energy (Wh), combined in a data library and compared graphically. The total amount of gas emitted (3–48 mmol Wh−1) as well as the released amount of carbon monoxide (1–161 mg Wh−1) and hydrogen fluoride (2–197 mg Wh−1) were investigated as a function of the state of charge and cell geometry. The analysis reveals that the measured values are significantly influenced by the types of calorimeters and smoke gas analyzers used as well as by the type of thermal runaway trigger. This meta-analysis can serve as an important basis for any risk assessment of lithium-ion batteries.
To ensure safety when transporting dangerous goods, it is important to specify the flow properties of the respective solid filling substance of the packagings. For this purpose, the angle of repose is currently used for the UN approvals in Germany. Measurements were carried out on 12 powdery or granular substances applying the angle of repose measuring methods customary in the test centres. The results of the methods differ significantly from each other. In addition, some of the techniques cannot be applied for very cohesive or coarse-grained materials. The results for the angle of repose show a strong scatter for some constellations (coefficient of variation more than 20 %). Safety during transport of dangerous goods cannot be guaranteed with this currently practiced system of measuring the angle of repose. As a consequence, an alternative parameter to characterize the flow properties of bulk materials should be used in the recognized test centers for dangerous goods packagings, such as the Hausner ratio. This approach leads to more precise test results for the substances examined (maximum coefficient of variation 2.8 %). It also has advantages in terms of applicability and occupational safety.
Since the flow properties are safety-relevant, both in terms of mechanical safety and safety against the release of dangerous substances, the testing practice in the recognized test labs should be improved and standardized.