5 Werkstofftechnik
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- 6.7 Materialsynthese und Design (1)
- 8.0 Abteilungsleitung und andere (1)
- 8.6 Faseroptische Sensorik (1)
- 9.2 Versuchsanlagen und Prüftechnik (1)
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.
A numerical pre-study has shown that cracks in a flat sample featuring a drilled hole can be classified into one of three crack shape classes based on the combined evaluation of various types of test data.
The Ni-Cr-Mo-W alloy is characterized by the excellent high-temperature corrosion resistance, good strength and ability to work in aggressive environments. To protect the surface of the substrate 13CrMo4-5 steel against aggressive environments the Inconel 686 as clad layer was used. The corrosion process was performed in oxidizing mixture of gases like O2, COx, SOx. The second part of corrosion Experiment concerned the corrosion test of the coating in reducing atmosphere of the specified gases with ashes, which contained e.g. Na, Cl, Ca, Si, C, Fe, Al.
A femto-second pulsed laser ablation in liquid (PLAL) procedure for the generation of titanium oxide nanoparticles (NP) is reported with the purpose of understanding morphology and structure of the newly generated NPs. Ablation duration was varied for optimization of NP generation processes between 10 and 90 min. Surface morphology of NPs as well as their size and shape (distribution) were analysed by various complementary electron microscopy techniques, i.e. SEM, TSEM and TEM. The crystalline structure of titanium oxide particles was investigated by XRD and HR-TEM. Concentration of generated titanium oxide NPs in liquid was analysed by ICP-MS. A mix of crystalline (mainly anatase), partly crystalline and amorphous spherical titanium oxide NPs can be reported having a mean size between 10 and 20 nm, which is rather independent of the laser ablation (LA) duration. A second component consisting of irregularly shaped, but crystalline titanium oxide nanostructures is co-generated in the LA water, with more pronounced occurrence at longer LA times. The provenance of this component is assigned to those spherical particles generated in suspension and passing through the converging laser beam, being hence subject to secondary irradiation effects, e. g. fragmentation.
Among the very few techniques to localize hydrogen (H) at the microscale in steels, Time-of-flight secondary ion mass spectrometry (ToF-SIMS) was proven to be a reliable tool. The necessity to detect hydrogen stems from its deleterious effects in metals, that are often used as structural components and to obtain better understanding of the underlying metallurgical mechanisms of hydrogen embrittlement (HE) which are still unclear.
Austenitic stainless steels are nowadays commonly used in a wide variety of application, from hydrogen transport and storage facilities to petrochemical and offshore applications where they are exposed to aggressive environments and therefore prone to HE. One of the greater risks in the austenitic class is the embrittlement of the material due to the instability of the γ austenite and its transformation into a brittle α martensitic phase. This transformation takes place due to the local stresses that are induced by the uptake of hydrogen during service. Nonetheless, it was shown that this transformation can occur as an artefact during SIMS analysis itself where Cs-sputtering is necessary not only to remove surface contaminations but mainly to enhance H/D secondary ion yield.
In the following contribution we show the influence of different sputtering conditions on AISI 304L austenitic stainless steel in order to distinguish the artefact from the hydrogen induced transformation. The material was charged electrochemically in a deuterium based electrolyte. Deuterium (D) must be in these experiments as a replacement for hydrogen which cannot be used because adsorbed hydrogen superimposes hydrogen originating from charging the sample in the SIMS images. ToF-SIMS analyses were conducted by ToF SIMS IV (IONTOF GmbH, Münster, Germany). The experiments were carried out on deuterium charged and non-charged samples. The structural characterization was carried out by SEM and EBSD examinations before and after charging, both with a Leo Gemeni 1530VP field-emission scanning electron microscope and a Zeiss Supra 40 instrument (Carl Zeiss Microscopy GmbH, Oberkochen, Germany). The results showed that the use of 1keV Cs+ beam induces stacking faults while higher sputter beam energies results in γ→α transformation.
In context of CLUSTER project, impacts of impurities (SO2, NO2, O2, CO, H2S, H2, N2, Ar and H2O) in CO2 streams captured from different sources in a regional cluster on transport, injection and storage were investigated. Corrosion studies of oxidizing, reductive or mixed atmospheres towards transport pipeline steel X70 were carried out applying high pressure (10 MPa) at low temperatures (278 K or 313 K).
The fundamental impact of sulfur and water on corrosion rates and potential failure of the exposed material is well known. However, the access to the related corrosion mechanism causing material degradation is often a problem to solve. This study investigates the effect of SO2 and water vapor in the initial stages of corrosion of an Fe9Cr0.5Mn model alloy at 650 °C in situ. The analysis was carried out under laboratory conditions using energy-dispersive X-ray diffraction (EDXRD).
The reduction of harmful emissions to the environment is one of the most urgent challenges of our time. To achieve this goal, it is inevitable to shift from using fossil fuels to renewable energy sources. Within this transition, hydrogen can play a key role serving as fuel in transportation and as means for energy storage.
The storage and transport of hydrogen using austenitic stainless steels as the infrastructure, as well as the use of these grades in hydrogen containing aggressive environments, remains problematic. The degradation of the mechanical properties and the possibility of phase transformation by ingress and accumulation of hydrogen are the main drawbacks. Advanced studies of the behaviour of hydrogen in austenite is necessary to fully understand the occurring damage processes. This knowledge is crucial for the safe use of components in industry and transportation facilities of hydrogen.
A powerful tool for depicting the distribution of hydrogen in steels, with high accuracy and resolution, is time-of-flight secondary ion mass spectrometry (ToF-SIMS). We here present a comprehensive research on the hydrogen degradation processes in AISI 304L based on electrochemical charging and subsequent ToF-SIMS experiments. To obtain furthermore information about the structural composition and cracking behaviour, electron-backscattered diffraction (EBSD) and scanning electron microscopy (SEM) were performed afterwards. All the gathered data was treated employing data fusion, thus creating a thorough portrait of hydrogen diffusion and its damaging effects in AISI 304L.
Specimens were charged with deuterium instead of hydrogen. This necessity stems from the difficulty to separate between artificially charged hydrogen and traces existing in the material or adsorbed from the rest gas in the analysis chamber. Similar diffusion and permeation behaviour, as well as solubility, allow nonetheless to draw onclusions from the experiments.
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%.