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Molecular orientation has a significant effect on the material properties of polymers. Preferential orientation of the microstructure (polymer chains or crystallites) in a specific direction or plane often enhances the material properties, especially if the high-strength covalent bonds are primarily exposed to loads instead of the weaker van der Waals bonds. However, the orientation-dependent microstructure and its mechanical behavior is in general already well understood by many scientific studies [1-3]. Isotropic materials are frequently required for an intrinsic material characterization without prevailing processing-induced properties, as is the case for Full Notch Creep Test (FNCT) [4] addressing environmental stress cracking (ESC) in high-density polyethylene (PE-HD) [5, 6]. Since ESC is one of the major limiting issues for long-term performance of PE-HD pipes and containers [7], which in contrast have a production-related preferential orientated microstructure due to extrusion or extrusion blow molding, it is important to additionally investigate the ESC resistance of such anisotropic microstructure.
Investigations of the slow crack growth (SCG) with respect to the molecular orientation generally obtain a factor of 1.2 up to 4.7 between crack growth perpendicular to the extrusion direction and crack growth parallel to the extrusion direction 8. Based on FNCT investigations with an aqueous detergent solution as environmental medium, hot pressed sheets with isotropic morphology are compared with extruded sheets from which specimens with different orientation angles are taken. However, the time to failure obtained by FNCT is also significantly influenced by the different cooling conditions under which the final morphology is formed. The tendency of the specimen to fail due to ESC is investigated as a function of environmental medium temperature. For a more detailed analysis of the affecting parameters in the manufacturing process, the ESC resistance is discussed considering the differences in crystallinity as revealed by thermal analysis.
Modern air-liners and wind turbine rotor blades are made up primarily of fiber reinforced plastics. Failure of these materials heavily impairs the serviceability and the operational safety. Consequently, knowledge of the failure behavior under static and cyclic loads is of great interest to estimate the operational strength and to compare the performance of different materials. Ideally, the damage evolution under operational load is determined with in-situ non-destructive testing techniques. Here, we report in-situ synchrotron X-ray imaging of tensile stress induced cracks in carbon fiber reinforced plastics due to inter-fiber failure. An inhouse designed compact tensile testing machine with a load range up to 15 kN was integrated into the beamline. Since conventional radiographs do not reveal sufficient contrast to distinguish cracks due to inter-fiber failure and micro cracking from fiber bundles, the Diffraction Enhanced Imaging (DEI) technique is applied in order to separate primary and scattered (refracted) radiation by means of an analyzer crystal. This technique allows fast measurements over large fields-of-view and is ideal for in-situ investigations.
The full-notch creep test (FNCT) is a common method to evaluate the environmental stress cracking (ESC) behavior of high-density polyethylene (PE-HD) container materials . The test procedure as specified in ISO 16770 provides a comparative measure of the resistance against ESC using the time to failure of specimens mechanically loaded in a well-defined liquid environment. Since the craze-crack damage mechanism underlying the ESC process is associated with brittle failure, the occurrence of globally brittle fracture surfaces is a prerequisite to consider an FNCT measurement as representative for ESC . Therefore, an optical evaluation of FNCT fracture surfaces concerning their brittleness is essential. Due to the experimental setup, an inevitable increase of the true mechanical stress and the associated appearance of small ductile parts on fracture surfaces is induced in any case. Hence, an FNCT experiment is considered as 'valid', if the corresponding fracture surface is predominantly brittle . Based on laser scanning microscopy (LSM) height data of FNCT fracture surfaces , a universal and easy-to-use phenomenological criterion was developed to assess the validity of distinct FNCT experiments. This criterion is supposed to facilitate a quick evaluation of FNCT results in practical routine testing.
Crack propagation in polymers: Separation of surface energy and irreversible deformation energy
(2019)
Fiber-reinforced-polymers (FRPs) are in current research focus in the lightweight construction industry, because of their extraordinary characteristics (stiffness and strength-to-density relation). The structure of polymer matrix and the interaction with reinforcement are crucial for optimization of the mechanical and thermal properties of FRPs. Due to the macromolecular chain structure, the mechanical properties of a polymer strongly vary with temperature: Below the glass transition, the chain segments of a polymer are “frozen”. Regarding fracture, the total changed energy during fracture if only dissipates for the generation of the new surfaces. However, in the region of the glass transition, the polymer chain segments start to get “unfrozen”, and the energy is not only required for generating new surfaces, but also for irreversibly deformation. This irreversible deformation is affected by the global temperature and the local temperature near the crack tip, which is affected by the local strain rate and crack propagation velocity.
Hence, in this research project, the irreversible deformation of neat and reinforced polymers will be controlled by changing the global temperature as well as the local temperature. With using different fracture experiments, the amount of energy required for creating new surfaces and for the irreversible deformation will be separated. This poster is the summary of the first part of the whole project. In the first part, the basic crack propagation theory for neat polymers is established and the special fracture experiment sample is prepared and tested at room temperature. In addition, the fracture experiment at room temperature is validated numerically.
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.
Fiber reinforced polymers (FRPs) are a well established material in lightweight applications, e.g. in automotive, aerospace or wind energy. The FRP components are subjected to multiaxial mechanical as well as hygrothermal loads. Common operation temperatures are in the range of 213 K and 373 K (-60 °C and 100 °C) at a relative humidity of 10% to 90%. In spacecraft applications, the environmental conditions are even more extreme. However, the correlation between multiaxial mechanical loading and harsh environment conditions have to-date not been investigated in detail. The project aims to investigate the fatigue behavior of FRPs dependent on multiaxial mechanical loading, temperature, and humidity. Extensive experimental testing is performed on flat plate and cylindrical tube specimens, accompanied by numerical and analytical calculations.
Motivation:
> Zunehmender Einsatz von Pulveraktivkohle (PAK) zur
Spurenstoffelimination in kommunalen Kläranlagen
> Bisher keine analytische Methode zur Quantifizierung von PAK in
Belebungsbecken, bzw. in Gegenwart von Belebtschlamm
> Anwendung der Thermogravimetrischen Analyse (TGA) zur
Feststoffcharakterisierung auf Umweltfragestellungen
Ergebnisse:
> Quantifizierung von PAK in Belebtschlamm ist möglich und kann
über unterschiedliche zweistufige TGA-Methoden erfolgen
> Zersetzungsgasanalyse zeigt veränderte und verzögerte
Freisetzung aliphatischer Produkte des Belebtschlamms
The presence, fate and effects of microplastics (MP) in terrestrial systems are largely unknown. The few existing studies investigated either agricultural or industrial sites. Several techniques were used for analysis, primarly spectroscopic methods such as FTIR or Raman. Sample pretreatments like density separations are common to reduce matrix. A lack of harmonised and standardised sampling instructions for microplastic investigations in the terrestrial area was identified as particular critical, because different studies are barely comparable.
The aim of the project is to develop a proposal for a harmonized procedure for sampling, sample preparation and the detection of microplastics in terrestrial matrices for total content determination. By detecting specific degradation products the thermal extraction desorption gas chromatography mass spectrometry (TED-GC-MS) allows a direct determination of mass content of MP in environmental samples.
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.
Fiber-reinforced-polymers (FRPs) are in current research focus in the lightweight construction industry, because of their extraordinary characteristics (stiffness and strength-to-density relation). The structure of polymer matrix and the interaction with reinforcement are crucial for optimization of the mechanical and thermal properties of FRPs. Due to the macromolecular chain structure, the mechanical properties of a polymer strongly vary with temperature: Below the glass transition, the chain segments of a polymer are “frozen”. Regarding fracture, the total changed energy during fracture if only dissipates for the generation of the new surfaces. However, in the region of the glass transition, the polymer chain segments start to get “unfrozen”, and the energy is not only required for generating new surfaces, but also for irreversibly deformation. This irreversible deformation is affected by the global temperature and the local temperature near the crack tip, which is affected by the local strain rate and crack propagation velocity.
Hence, in this research project, the irreversible deformation of neat and reinforced polymers will be controlled by changing the global temperature as well as the local temperature. With using different fracture experiments, the amount of energy required for creating new surfaces and for the irreversible deformation will be separated. The fracture tests include the conventional tensile test, the macroscopic peel test and the single fiber peel – off test.
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.