5 Werkstofftechnik
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The presence of large quantities of plastic waste and its fragmentation in various environmental compartments are an important subject of current research. In the environment, (photo ) oxidation processes and mechanical abrasion lead to the formation of microplastics. However, until now, there are no established quality assurance concepts for the analysis of microplastic (<5 mm) in environmental compartments, including sampling, processing and analysis.
The aim of the present work is the development of suitable examination methods and protocols (sampling, sample preparation and detection) to qualify and quantify microplastic in urbane water management systems. At first a fractional filtration system for sampling and the analytical tool, the so-called TED-GC-MS (thermal desorption gas chromatography mass spectrometry) were developed. The TED-GC-MS method is a two-step analytical procedure which consists of a thermal extraction where the sample is annealed and characteristic decomposition products of the polymers are collected on a solid phase. Afterwards these products are analysed using GC-MS. The developed fractional filtration for sampling and the TED-GC-MS for detection were used for quantitative analysis to screen the waste water influent and effluent of a Berlin waste water treatment plant for the most relevant polymers, polyethylene (PE), polypropylene (PP), polystyrene (PS), polyethylene terephthalate (PET) and polyamide (PA).
The results of the study revealed that the polymeres PE, PS and PP were detected in the effluent, and PE and PS were find in the raw waste water of the sewage treatment plant in Ruhleben, Berlin. Differences in polymer types and amounts were detected at different sampling dates and within different sieve fractions. Much higher amounts of polymers were observed in the raw waste water. The peak areas of the decomposition products, used for quantification of the polymers, were adjusted using so-called response factors since the TED-GC-MS method is more sensitive for PP and PS than for PE. It has been shown that PE is the most dominant polymer in the samples. Comparing the masses of polymers in the effluent and in the raw sewage, a removal of 99 % of the polymers in the water treatment plant can be assumed. These results are consistent with the literature where removal rates between 98-99 % were described.
In den Umweltmedien Wasser, Boden und Luft wird Mikroplastik (MP) gefunden. Mögliche Eintragspfade, besonders Einträge über den Klarlauf kommunaler Klärwerke, sind unklar. Dazu wurde das Klärwerk Ruhleben in Berlin an jeweils vier Tagen im Sommer- und Winterbetrieb beprobt. Es wurde jeweils 1 m3 Klarlauf fraktioniert filtriert (500, 100 und 50 µm Siebe). Weiterhin wurde Rohabwasser exemplarisch untersucht. Als Analyse-methoden wurden die TED-GC-MS und die FTIR Mikroskopie verwendet.
Bei der TED-GC-MS wird die Probe zunächst thermisch extrahiert, bevor die charakteristischen Zersetzungsgase mittels einer GC-Säule getrennt und im MS detektiert werden [1,2]. Es ist hier erstmals gelungen, nicht nur das MP zu identi-fizieren, sondern auch eine Massenbilanz zu erstellen und so eine quantitative Auswertung vorzunehmen. Es wurde PE, PS ganzjährig und PP im Sommer gefunden. Das Klärwerk Ruhleben hat einen Rückhalt an MP von 99%.
Für die Erfassung der Verbreitung von Mikroplastik (MP) in der Umwelt ist die zeit- und kostenaufwendige Analysestrategie und der damit verbundene geringe Probendurchsatz eine limitierende Größe. Eine große Zahl verschiedener Studien dokumentriet das Auftreten von MP über den gesamten Globus. Meist sind die Studien aufgrund des großen analytischen Aufwands auf exemplarische, stichpunktartige Untersuchungen kleiner Umweltaliquoten und zahlenmäßig kleiner Probenumfänge begrenzt. Um die Verbreitung, die Eintragspfade und den Verbleib von MP in der Umwelt besser zu verstehen und effektive Vermeidungsstrategien abzuleiten, ist es jedoch notwendig, analytisch mehr Proben erfassen zu können.
Bildgebende mikro-spektroskopische Methoden wie das Raman- und FTIR-Imaging ermöglichen eine zeitaufwendige, umfassende Charakterisierung kleiner Umweltaliquoten. Neben der Partikelanzahl sind zusätzlich Informationen zu Partikelgröße, Größenverteilung und Oberflächenmorphologie zugänglich. Chemische und thermische Extraktionsverfahren sind bereits deutlich schneller und können diese Informationen durch eine Massenbilanz vervollständigen. Die analysierbare Probenmenge ist jedoch auf Milligramm Mengen beschränkt.
Wir schlagen daher vor, die Analyse von Proben auf MP durch ein vorangestelltes Screening mit der Nahinfrarot-Spektroskopie (NIRS) zur komplementieren. In diesem wird bereits eine erste Einschätzung über die Präsenz von MP in einer Probe gefällt und dadurch die wertvolle Messzeit anderer Methoden effizienter genutzt.
NIR zur Analyse von Polymeren wird seit langem eingesetzt, jedoch bisher lediglich im Rahmen einer Studie zur Mikroplastikuntersuchung mittels Hyperspektraler Bildgebung beschrieben. Der NIR Spektralbereich findet sich zwischen dem sichtbaren Licht und dem mittleren Infrarot (MIR). MIR Spektren sind durch klar definierte Banden charakterisiert, welche mehrheitlich von den Grundschwingungen der Moleküle stammen. Die höheren Energien im nahen Infrarot regen hingegen Kombinations- und Oberschwingungen der Streck und Biegeschwingungen an. Die resultierenden Absorptionsbanden sind oft breit und relativ unspezifisch. Erst mit Hilfe einer computergestützten Datenauswertung lassen sich aus diesen Spektren nützliche Informationen gewinnen. Dies erklärt die steigende Popularität der NIR-Spektroskopie in der jüngeren Vergangenheit mit einem Schwerpunkt als prozessanalytische Methode. NIR Spektrometer für das industrielle Prozessmonitoring zeichnen sich durch eine kompakte und robuste Konstruktionsweise aus. Die verfügbaren faseroptischen Reflexionssonden eignen sich gut um pulverförmige Proben zu untersuchen. Der räumlich erfassbare Messbereich kann durch die Sondengeometrie variiert werden. Sind die untersuchten Partikel im Verhältnis zur abgetasteten Fläche klein, wird als spektrale Information die Summe der Absorption aller Partikel im Sichtfeld erfasst. Die Methode ist deshalb nicht für Detailuntersuchungen von MP geeignet, erlaubt es jedoch innerhalb weniger Minuten eine Einschätzung über das Vorkommen von Mikroplastik in einer Probe zu treffen.
Exemplarisch wurden für diese Untersuchungen vier der am weitesten verbreiteten Kunststoffe Polyethylen (PE), Polyethylenterephthalat (PET), Polypropylen (PP) und Polystyrol (PS) gewählt. Aus den additivfreien Polymeren wurden nach einer Kryo-vermahlung und anschließender Siebung (< 125 µm) Modellproben generiert. Die Polymere wurden dafür zu einem Massenanteil von 1 % mit einem Standardboden (LUFA2.3, gesiebt < 125 µm) vermischt. Die Gesamtmenge von 1 g je Probe wurde in Aluminiumbehältern präpariert und 8 Messungen an unterschiedlichen, zufällig gewählten Positionen vorgenommen. Die erhaltenen Spektren wurden zur Kalibrierung chemometrischer Modelle genutzt.
In einem hierarchischen Ansatz wurde anhand der NIR-Spektren eine Klassifizierung vorgenommen:
1. Bestimmung ob eine Probe MP enthält (Ja/Nein).
2. Identifikation der Polymere in der Probe.
Eine aussagekräftige Klassifizierung beruht auf einer Vorbehandlung der Spektren. Hierdurch werden die Unterschiede zwischen den einzelnen Polymerbanden hervorgehoben. Die Eignung der so erstellten Modelle wurde anhand eines Referenzmaterials und am Beispiel von Realproben erfolgreich getestet. Dabei zeigte sich, dass nicht nur in den erstellten Polymer-Bodenmischungen, sondern auch in den Rückständen von fermentiertem Bioabfall und in Filterrückständen einer Waschmaschine, MP richtig erkannt wurde. Weiterhin zeigten Tests mit Mikroplastik-freien Bodenproben unterschiedlicher Herkunft, dass keine falsch-positive Resultate erzeugt wurden. Alle vier untersuchten Polymere, d.h. PE, PET, PS und PP mit einem Massenanteil von 1 % in einer Bodenmatrix werden auch bei einer gemischten Polymerzusammensetzung mit der NIR-Spektroskopie erkannt.
Der kombinierte Einsatz von NIRS und Chemometrie ermöglicht die Entscheidung über ein potenzielles Vorkommen sowie die Zuordnung des Materials der enthaltenen Polymerpartikel für eine Massefraktion ≥ 1 % in einer (trockenen) Probenmenge von 1 g innerhalb von 10–15 min. Der zeitaufwendige Schritt der Methode liegt hier in der Erstellung geeigneter chemometrischer Modelle sowie deren Validierung. Wesentliche Voraussetzung ist dabei, dass bei der Kalibrierung die Varianz der zu erwartenden Partikel und der Matrix realistisch abgebildet wird.
The present work provides a comparative study on the interface and adhesion properties of surface modified single glass fibers embedded in an acrylate matrix. To facilitate a covalent bonding at the fibermatrix interface, the fibers are functionalized with selected organosilanes that comprise either passive (unsaturated C¼C bonds of methacrylate moieties) or photoactive functionalities (photocleavable bis(acyl)phosphane oxide groups). Immobilization of the functional silanes is carried out by a classic silanization reaction involving a condensation reaction across the surface hydroxyl groups of the inorganic glass fibers. The change of the physico-chemical properties of the fibers due to desizing and subsequent surface modification is monitored by X-ray photoelectron spectroscopy and zeta potential measurements. In addition, scanning electron microscopy is used to follow the changes in surface morphology. After the modification step, the desized and modified single fibers are embedded in a photocurable acrylate resin formulation. By performing single fiber pull-out tests, maximum pull-out force, friction strength and apparent interfacial shear strength are determined as a function of the coupled silanes. The results reveal that the attached organosilanes lead to a significant increase in adhesion strength, whilst the performance of the photo-cleavable organosilane is superior to the passive methacryl-functional derivative.
Helical springs with a rectangular cross-section have been machined from sintered and grinded hollow cylinders with high geometrical precision and good reproducibility. Such springs made from tetragonal zirconia polycrystal (TZP) ceramic show excellent edge quality because of high fracture toughness and bending strength of the starting material. Hence, springs with desired geometric dimension and tailored spring constant can be manufactured for highly demanding applications at high temperatures and in harsh environments.
Prior to any practical use, application limits of springs under mechanical and thermal load have to be analyzed. Therefore, different displacement experiments were carried out on the helical TZP springs.
- Dynamic displacement tests at various temperatures from -15°C to +60°C using a piezo actor to load/unload springs with frequencies between 1 and 40 Hz: Springs remained undamaged and the spring constants were not altered, even after more than one million cycles of compression loading.
- Long-time displacement measurements under static tensile loading at room temperature with a high-precision interferometer test facility: Significant spring elongation under constant strain was surprisingly proved over a period of many hours already at room temperature.
- Creeping experiments for 48 h under static compression load at different temperatures up to 1000 °C: After cooling down and load removing no permanent length reduction of springs was observed for test temperatures up to 700 °C. However, reshaping of TZP springs by plastic deformation is possible at higher temperatures and opens up additional possibilities for spring design and manufacturing.
As the well-known damage mechanisms slow crack growth (SCG) and environmental stress cracking (ESC) are the major causes for possible failure of polyolefin-based materials, especially for PE-HD, they are highly relevant and need to be considered thoroughly. Furthermore, due to slight but perceptible differences in damaging effect, a differentiation between SCG and ESC is expedient. SCG appears in “inert” or “neutral” media without a decisive influence of the surrounding medium whereas ESC occurs in “active” media, which influence the failure behavior and time to failure crucially.
To characterize the inherent resistance of the material against those damage mechanisms, the well-established Full-Notch Creep Test (FNCT) is used. In this study, the FNCT – usually applied according to ISO 16770 [3] using a few universal model liquid media and mainly for pipe materials – is extended by investigations with appropriate parameters of selected relevant PE-HD container materials also in real media, such as the topical fuels diesel and biodiesel. The investigations were performed using a novel FNCT-device with 12 individual sub-stations, each equipped with individual electronic stress and temperature control and continuous online monitoring of the specimen elongation.
Especially, mechanical stress and temperature were varied systematically during FNCT and time to failure values, time-dependent elongation data as well as detailed fracture surface analysis by laser scanning microscopy (LSM) were combined for the first time (Fig. 1). Particularly, the fracture surface analysis provides a sound basis to characterize failure behavior, mainly regarding the balance between brittle crack propagation and ductile deformation. Therefore, fracture surface analysis is an essential tool for a decent assessment of SCG and ESC by FNCT measurements.
The hydrogen tightness of high-pressure hydrogen storage is a Basic criterion for long-term storage. The H2 permeation coefficients of epoxy resin and a glass lacquer were determined to enable the geometric optimization of a glass capillary storage. It was found that the curing conditions have no significant influence on the H2 permeation coefficient of resin.
The H2 permeation coefficient of epoxy resin is only about three orders of Magnitude greater than that of borosilicate glass. This suggests that the initial pressure of 700 bar takes about 2.5 years to be halved in capillary array storage. Therefore, a high-pressure hydrogen storage tank based on glass capillaries is ideally suited for long-term storage in mobile applications.