5.3 Polymere Verbundwerkstoffe
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Eingeladener Vortrag
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Effects of various geometrical and physical factors, as well as the method of data reduction (analysis of
experimental forceedisplacement curves) on the values of local interfacial strength parameters (local IFSS, td, and critical energy release rate, Gic) determined by means of a single fiber pull-out test are discussed. Experimental results of our pull-out tests on several fiberepolymer matrix systems showed that td and Gic weakly depended on geometrical factors. However, the pull-out test appeared to be sensitive to the conditions of specimen formation and testing, such as changing the nature of the contacting surfaces (fiber sizing) and the fiber pull-out rate. Of several methods of td and Gic Determination from a forceedisplacement curve, the most reliable and reproducible one is the approach based on the values of the maximum force recorded in a pull-out test and the interfacial frictional force immediately after fiber debonding.
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 shell test bench was developed at BAM 5.3 which allows for static and fatigue testing of curved fiber-reinforced plastic (FRP) structures, during which in-situ the damage state can be non-destructively inspected by thermography and strain-field measurement techniques. Sandwich shell specimens with typical wind turbine blade manufacturing defects were designed and tested. The tested imperfections show a fairly significant reduction (up to 90%) of the shell test specimens‘ lifetime, depending on the type of imperfection. Using the in-situ NDT methods incorporated in the shell test bench, the location and cycle time of the initial defects and the damage evolution was investigated.
Sandwich-Schalenstrukturen in situ charakterisiert mit Thermographie und Felddehnungsmessungen
(2018)
An der BAM wurde ein Schalenprüfstand entwickelt, mit dem typische Sandwichschalenstrukturen unter simulierter Betriebsbeanspruchung belastet werden können. Im mechanischen Ermüdungsversuch wurden in situ die Entstehung von Schäden in Schalenprüfkörpern mit Test-Imperfektionen mittels der passiven Thermographie und Felddehnungsmessungen verfolgt. Damit konnten der Zeitpunkt, der Schadensursprung und der Schadensfortschritt zerstörungsfrei bestimmt werden. Zudem wurden vergleichend Schalenprüfkörper mit Luftultraschall und der Röntgen-Laminographie untersucht. Im Rahmen eines BMWi-Forschungsvorhabens wurden die Schädigungsmechanismen evaluiert und Empfehlungen für die Praxis der Fertigung von Rotorblättern abgeleitet. In diesem Beitrag wird sich auf die Darstellung der ZfP-Verfahren und der ZfP-Ergebnisse konzentriert.
A shell test bench was developed at BAM 5.3 which allows for static and fatigue testing of curved fiber-reinforced plastic (FRP) structures, during which in-situ the damage state can be non-destructively inspected by thermography and strain-field measurement techniques. Sandwich shell specimens with typical wind turbine blade manufacturing defects were designed and tested. The tested imperfections show a fairly significant reduction (up to 90%) of the shell test specimens‘ lifetime, depending on the type of imperfection. Using the in-situ NDT methods incorporated in the shell test bench, the location and cycle time of the initial defects and the damage evolution was investigated.
Different imaging techniques were employed to monitor Full Notch Creep Test (FNCT) experiments addressing environmental stress cracking in more detail. The FNCT is a well-established test method to assess slow crack growth and environmental stress cracking of polymer materials, especially polyethylene. The standard test procedure, as specified in ISO 16770, provides a simple comparative measure of the resistance to crack growth of a certain material based on the overall time to failure when loaded with a well-defined mechanical stress and immersed in a liquid medium promoting crack propagation.
Destructive techniques which require a direct view on the free fracture surface, such as light microscopy and laser scanning microscopy, are compared to non-destructive techniques, i.e. scanning acoustic microscopy and xray micro computed tomography. All methods allow the determination of an effective crack length. Based on a series of FNCT specimens progressively damaged for varied Durations under standard test conditions, the estimation of crack propagation rates is also enabled. Despite systematic deviations related to the respective Imaging techniques, this nevertheless provides a valuable tool for the detailed evaluation of the FNCT and its further development.
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.
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.
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.
The increasing pollution of terrestrial and aquatic ecosystems with plastic debris leads to the accumulation of microscopic plastic particles of still unknown amount. To monitor the degree of contamination analytical methods are urgently needed, which help to quantify microplastics (MP). Currently, time-costly purified materials enriched on filters are investigated both by micro-infrared spectroscopy and/or micro-Raman. Although yielding precise results, these techniques are time consuming, and are restricted to the analysis of a small part of the sample in the order of few micrograms. To overcome these problems, here we tested a macroscopic dimensioned NIR process-spectroscopic method in combination with chemometrics. For calibration, artificial MP/soil mixtures containing defined ratios of polyethylene, polyethylene terephthalate, polypropylene, and polystyrene with diameters < 125 µm were prepared and measured by a process FT-NIR spectrometer equipped with a fiber optic reflection probe. The resulting spectra were processed by chemometric models including support vector machine regression (SVR), and partial least squares discriminant analysis (PLS-DA). Validation of models by MP mixtures, MP-free soils and real-world samples, e.g. and fermenter residue, suggest a reliable detection and a possible classification of MP at levels above 0.5 to 1.0 mass% depending on the polymer. The benefit of the combined NIRS chemometric approach lies in the rapid assessment whether soil contains MP, without any chemical pre-treatment. The method can be used with larger sample volumes and even allows for an online prediction and thus meets the demand of a high-throughput method.