5 Werkstofftechnik
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- 7.5 Technische Eigenschaften von Polymerwerkstoffen (29) (entfernen)
Eingeladener Vortrag
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Behälter aus hochdichtem Polyethylen (PE-HD) werden zur Lagerung und für den Transport von Kraftstoffen eingesetzt. Beim Kontakt beider Medien diffundiert der Kraftstoff in das Polymer, erhöht dessen Volumen und Duktilität und ändert damit das Fließverhalten des Polymers unter Zugbelastung. Zudem weist PE-HD in Luft im verstreckten Bereich das sogenannte strain-whitening (Lichtstreuung) auf, während in Diesel gelagertes PE-HD optisch transparent wird. Zur Untersuchung dieses Phänomens wurden ortsaufgelöste Röntgenrefraktion und –diffraktion (Topographie) eingesetzt. Aus Sicht der molekularen Struktur (Diffraktion) weisen die beiden Probentypen keine Unterschiede auf: im verstreckten Bereich liegt eine „Fasertextur“ der Polymerketten in Belastungsrichtung vor, im unverstreckten Bereich nahezu ideale Isotropie. Die für mikroskopische Strukturen empfindliche Röntgenrefraktion zeigt außerdem für die Probe in Luft im verstreckten Bereich eine ausgeprägte Orientierung von Grenzflächen in Zugrichtung, während die in Diesel gelagerte Probe keine Grenzflächen zeigt. In Analogie zum optischen Verhalten bewirken die ähnlichen Brechungsindizes beider Medien im Röntgenbereich, dass eindiffundierter Diesel als Immersionsflüssigkeit die Brechungseigenschaften herabsetzt.
Behälter aus hochdichtem Polyethylen (PE-HD) werden zur Lagerung und für den Transport von Kraftstoffen eingesetzt. Beim Kontakt beider Medien diffundiert der Kraftstoff in das Polymer, erhöht dessen Volumen und Duktilität und ändert damit das Fließverhalten des Polymers unter Zugbelastung. Zudem weist PE-HD in Luft im verstreckten Bereich das sogenannte strain-whitening (Lichtstreuung) auf, während in Diesel gelagertes PE-HD optisch transparent wird. Zur Untersuchung dieses Phänomens wurden ortsaufgelöste Röntgenrefraktion und –diffraktion (Topographie) eingesetzt. Aus Sicht der molekularen Struktur (Diffraktion) weisen die beiden Probentypen keine Unterschiede auf: im verstreckten Bereich liegt eine „Fasertextur“ der Polymerketten in Belastungsrichtung vor, im unverstreckten Bereich nahezu ideale Isotropie. Die für mikroskopische Strukturen empfindliche Röntgenrefraktion zeigt außerdem für die Probe in Luft im verstreckten Bereich eine ausgeprägte Orientierung von Grenzflächen in Zugrichtung, während die in Diesel gelagerte Probe keine Grenzflächen zeigt. In Analogie zum optischen Verhalten bewirken die ähnlichen Brechungsindizes beider Medien im Röntgenbereich, dass eindiffundierter Diesel als Immersionsflüssigkeit die Brechungseigenschaften herabsetzt.
Polyethylen hoher Dichte (PE-HD) wird als Werkstoff für Rohre und Behälter für den Transport und zur Lagerung von Gefahrgütern verwendet. Für die Beurteilung und technische Freigabe dieser Materialien ist insbesondere das Verständnis des Schädigungsmechanismus des langsamen, umgebungsbedingten Spannungsrisses (engl.: „environmental stress cracking“, ESC) essentiell. ESC tritt bei relativ geringen auf einen Werkstoff einwirkenden mechanischen Spannungen auf. An lokalen Fehlstellen (z.B. Defekte, Inhomogenitäten, Kerben) beginnend wächst ein Riss langsam durch das Material und führt nach gewisser Zeit zu einem charakteristischen, pseudo-spröden Bruch. Dabei wird das Risswachstum durch äußere Medieneinwirkung zusätzlich entscheidend beeinflusst. Dieses langsame Risswachstum wird als Hauptursache für das plötzliche und unerwartete Versagen von Polymerwerkstoffen angesehen.
Eine etablierte Prüfmethode zur Bewertung des Materialverhaltens gegenüber dieses Schädigungsmechanismus ist der Full-Notch Creep Test (FNCT), der für PE-HD Behältermaterialien üblicherweise unter Verwendung von wässrigen Netzmittellösungen (Arkopal N 100) durchgeführt wird. Die aus dem FNCT erhaltene Standzeit dient dabei als Bewertungskriterium für verschiedene PE-HD-Werkstoffe. In einer Studie wurden neben einer typischen Arkopal-N-100-Netzmittellösung praktisch relevante, organische Flüssigkeiten wie Biodiesel und Diesel als Testmedien verwendet, um deren Einfluss auf das ESC-Verhalten von PE-HD-Behältermaterialien zu charakterisieren. Neben der klassischen Standzeit-Auswertung erfolgte eine erweiterte Bruchflächenanalyse mittels Licht- (LM), Laserscanning- (LSM) und Rasterelektronenmikroskopie (REM). Insbesondere die LSM erlaubt eine schnelle und einfache Unterscheidung pseudo-spröder und duktiler Bruchbilder, die zur Beurteilung der Repräsentativität des FNCT für das dem Spannungsriss zugrundeliegenden langsamen Risswachstum von Bedeutung ist.
Polyethylen hoher Dichte (PE-HD) ist ein weit verbreitetes Material für Transportbehälter, die oft für eine längere Nutzungsdauer vorgesehen sind. Insbesondere in diesem Fall können mikroskopische Schäden im Material auch weit unterhalb der Streckgrenze auftreten, die durch eine Spannungskonzentration verursacht werden, deren Ursprung in intrinsischen Materialfehlern oder äußeren Kratzern liegt. Mit fortschreitender Schädigung bilden sich Rissstrukturen, die von verstreckten Fibrillen aufgespannt werden, bis es zum Versagen dieser Fibrillen kommt und sich der Riss ausbreitet. Dieser Schadensmechanismus des langsamen Risswachstums kann durch eine Vielzahl von Umgebungsmedien beschleunigt werden und wird dann als "environmental stress cracking" (ESC) bezeichnet. Eine international normierte Methode zur Validierung der Spannungsrissbeständigkeit von PE-HD Materialien ist der „Full Notch Creep Test“ (FNCT).
Anhand von Bruchflächenauswertungen mittels Rasterelektronenmikroskopie und Laser-Scanning-Mikroskopie, werden die typischen Schädigungsstrukturen des ESC sichtbar. Die fibrillierten Strukturen des ESC auf der Bruchfläche von PE-HD ergeben sich besonders bei oberflächenaktiven wässrigen Umgebungsmedien. In Lösungsmittel-Umgebungsmedien, im Zusammenspiel mit PE-HD, kommt es aufgrund der plastifizierenden Wirkung zur Herabsetzung der Streckspannung und Bruchflächen aus dem FNCT veranschaulichen keine signifikanten Anzeichen des Schädigungsmechanismus ESC.
The fracture surface of slow and continuous crack propagation during environmental stress cracking of a semicrystalline polyethylene exhibits isotropic roughness exponents at the local scale but resolved across the macroscopic fracture surface a clear position dependence is found. The spatially resolved roughness exponent admits values in the range between 0.1 and 0.4, demonstrating nontrivial exponents in the small length-scale regime. Instead, they vary across the fracture surface according to the stress-state distribution, which suggests that the exponents are intimately linked to the locally dominating dissipation processes during craze cracking.
Die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) ist eine Ressortforschungseinrichtung, die zum Schutz von Mensch, Umwelt und Sachgüter, forscht, prüft und berät. Im Fokus aller Tätigkeiten in der Materialwissenschaft, der Werkstofftechnik und der Chemie steht dabei die technische Sicherheit von Produkten und Prozessen. Dazu werden Substanzen, Werkstoffe, Bauteile, Komponenten und Anlagen sowie natürliche und technische Systeme erforscht und auf sicheren Umgang oder Betrieb geprüft und bewertet. Schwerpunkt des Vortrages sind multimodale Polymeranalytik, nanoskalige Sensormaterialien und die Charakterisierung von technischen Eigenschaften von Polymeren sowie ihre Alterung und Umweltrelevanz.
The physical and chemical effects of diesel and biodiesel fuels on two high-density polyethylene (PE-HD) types were investigated. Both semi-crystalline PE-HD are common thermoplastic materials for container and storage tank applications. Biodiesel, a composition of unsaturated fatty acid esters from renewable resources, was chosen as it is regarded a possible green alternative to fossil fuels. The study aims at identifying significant differences between biodiesel and conventional diesel fuels based on the differences in the chemical nature of the two. The physical effects of the fuels on the polymer at first comprises the sorption behavior, i.e. kinetics and final equilibrium concentration. Not only are both fuels absorbed by the amorphous phase of the semi-crystalline PE-HD, they also induce a plasticization effect that modifies the molecular mobility and therefore also the characteristic yielding properties, manifest in the obtained stress-strain curves. The chemical effects related to degradation phenomena is investigated by a long-term storage scenario using partially immersed tensile test specimens in diesel and biodiesel. We were able to confirm the proposed co-oxidation mechanism by Richaud et al. for polyethylene-unsaturated penetrant systems on a larger scale based on practical tensile tests. One of the investigated polyethylene grades subjected to tensile drawing showed a significant loss of plastic deformation and the onset of premature failure after 150 days of storage in biodiesel. Further biodiesel storage showed a systematically reduced elongation at break before necking. None of these effects were observed in diesel. Oxidation of fuels and polymer after progressing storage times were analyzed by the evolution of carbonyl species in FT-IR/ATR spectroscopy.
In the present study, a simple approach was used to investigate the effect of UV-exposure on two high density Polyethylene materials (PE-HD), commonly used for storage tanks, on fuel sorption behavior and colonization by microorganisms. The aim was to investigate whether the sorption behavior of the fuels (diesel/biodiesel) and the colonization by microorganisms, frequently occurring in the fuel, is affected and may lead to undesirable or safety-relevant material changes. We showed that the UV-irradiation leads to significant changes of the sorption behavior due to chemi-crystallization and crosslinking. The fuel Sorption is affected by the UV-induced formation of polar carbonyl and hydroxyl groups predominantly occurring at the surface. With respect to microbial colonization behavior for Bacillus subtilis and Pseudomonas aeruginosa, isolated from a contaminated diesel sample, differences of the initial adhesion could be shown depending on the initial type of polyethylene as well as on the degree of UV-induced degradation.
PE-HD as a polymeric fuel storage tank material: Photooxidation, fuel sorption and long-term storage
(2018)
High-density polyethylene (PE-HD) is a commodity thermoplastic polymer which is typically used for packing of dangerous goods. Its good resistance against photooxidation, fuels, chemicals and other environmental factors in addition to low production costs makes PE-HD attractive for fuel storage applications. Typical engine fuels stored in polymer tanks are petrol, diesel and biodiesel that receives increasing attention as proper alternative to fossil fuels. One of the major problems with biodiesel is its susceptibility to oxidize due to its chemical composition of unsaturated fatty acids which also can cause polymer degradation.
The aim of this study is to investigate the influence of different environmental factors, UV radiation and commonly stored fuels, on the mechanical, physical and chemical properties of two types of PE-HD polymers (stabilized and non-stabilized). The influence on the mechanical properties was tested by Charpy and tensile tests, chemical and physical properties were evaluated by Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR) and by dynamical mechanical analysis (DMA) tests. Samples were characterized after varying exposure time of UV radiation and after fully and partially immersion in biodiesel. In addition, similar experiments were conducted using diesel for comparison.
The first documentation of fuel biodeterioration dates back to the late 19th century. However, extensive studies concerning the microbial fuel contamination started in 1980’s. Polymeric fuel storage tanks containing diesel and biodiesel provide environmental conditions for microbial growth. Several studies demonstrated that bacteria, which were found in contaminated fuel systems, can use fuels as macronutrient; but such bacteria can also cause microbiologically influenced corrosion and fouling.
The aim of this study is to investigate the initial attachment behavior of bacteria, isolated from a diesel contamination, on neat and photooxidized high-density polyethylene (PE-HD). Two common PE-HD’s, less- and biodiesel-stabilized, were radiated to UV light representing a tank exposed to sunlight. The effect of photooxidiation on PE-HD’s surface were characterized chemically by Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR). The attached bacteria Pseudomonas aeruginosa and Bacillus subtilis on the polymer surface were evaluated by fluorescence microscopy and colony-forming unit tests (CFU).