7.5 Technische Eigenschaften von Polymerwerkstoffen
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Die Präsentation gibt einen Überblick über die Arbeiten im German Pilot des EU-Projekts TREEADS. Es werden klein-, mittel- und großskalige Versuche an Waldboden mit einheimischer Vegetation durchgeführt. Begleitend werden numerische Untersuchungen durchgeführt, die eine Variation der Parameter, wie Bodenfeuchte, Temperaturen und Wind über die Experimente hinaus erlauben. Die gemessenen Materialparameter dienen als Input für die numerischen Berechnungen. Die numerischen Modelle werden mit den mittel- und großskaligen Experimenten validiert.
Weltweit stellen Waldbrände eine große Bedrohung für Umwelt, Wirtschaft und menschliches Leben dar. Der fortschreitende Klimawandel verstärkt Trockenheit und Dürre, wodurch die Größe und Intensität von Waldbränden sowie das daraus resultierende Gefahrenpotential zusätzlich erhöht werden. Um im Risikofall eine schnelle und effektive Waldbrandbekämpfung zu gewährleisten, sollen Einsatzkräfte in Zukunft von KI-basierten Ausbreitungsmodellen unterstützt werden.
Der Einsatz von maschinellem Lernen ermöglicht dabei schnelle und zielgerichtete Ausbreitungsvorhersagen in Echtzeit, die in den Prozess der Brandbekämpfung als zusätzliche Information einfließen können. Im Rahmen des durch das EU-Förderprogram Horizon 2020 finanzierte Projekt TREEADS wird ein solches Modell für Europa entwickelt.
Dazu wird mit verschiedenen Satellitendaten des Copernicus-Programms und der NASA ein auf räumlicher und zeitlicher Ebene aufgelöster Datensatz zu europäischen Waldbränden aufgebaut. Zu den erfassten Waldbränden werden wichtigen Faktoren, die Einfluss auf die Brandausbreitung haben, ergänzt. Dazu gehören das von Copernicus bereitgestellte, digitale Geländemodell Europas und verschiedene, von Sentinel-2 Messungen abgeleitete Informationen zu Vegetation und Landnutzung. Dieser 2D-Trainingsdatensatz zu realen Waldbränden wird durch die zeitlich hochaufgelösten, meteorologischen Reanalyse-Produkte – Copernicus European Regional ReAnalysis (CERRA) und ERA5-Land – vervollständigt und ist die Grundlage für ein Modell zur Ausbreitungsvorhersage von Waldbränden.
Methoden des Maschinellen Lernens können komplexe Muster in den gesammelten Daten erkennen und so zu einer verbesserten Vorhersage der Brandausbreitung beitragen. Die vielfältigen, von Copernicus bereitgestellten Daten sind dabei ein unabdingbarer Bestandteil des Modells, mit dem den Einsatzkräften ein zusätzliches Tool für den effizienten Einsatz ihrer limitierten Ressourcen zur Verfügung steht.
Die Umweltwirkungen auf ein Material werden als Überlapp der Funktionskurven von Materialempfindlichkeit und einwirkenden Umweltparametern betrachtet. Wenn entweder die Empfindlichkeit oder die Beanspruchungen Null sind, ergibt sich auch keine Umweltwirkung und bei beidseitig Werten größer Null das jeweilige Produkt der beiden. Die Akkumulation der nicht-reversiblen Effekte über die Zeit und allen Eigenschaftsänderungen entspricht der Alterung des Materials für den jeweiligen Expositionszeitraum.
Die digitale Umweltsimulation gliedert sich hier in drei Teilaspekte. Ein erster, rein materialwissenschaftlicher Teil hat die Aufgabe, alle relevanten Materialempfindlichkeiten experimentell zu quantifizieren. Ein zweiter – unter Umständen numerischer Teil – hat die Aufgabe, das Bauteil und seine Einbaulage zu digitalisieren und aus den makroskopischen Umgebungsbedingungen die relevanten mikroklimatischen Umweltparameter für alle Oberflächen- oder Volumenelemente zu bestimmen. In einem dritten Teil werden die Einwirkungen über den betrachteten Zeitraum berechnet und kumuliert. Dieses Konzept, das auf den so genannten Expositions-Reaktions-Funktionen (ERF) basiert, wird an Beispielen der Photoxidation erläutert. Dieses Vorgehen wurde schon beim ViPQuali-Projekt als Numerische Umweltsimulation umgesetzt.
Überprüft werden muss das Modell unbedingt an einer realitätsnahen Validierungsbeanspruchung. Hier werden die ermittelten ERFs mit über den kompletten Beanspruchungszeitraum geloggten Umweltparametern gekoppelt, um die berechnete mit der experimentell erfahrenen Alterungswirkung zu vergleichen. Nur so kann sichergestellt sein, dass alle für die Anwendungsumgebung relevanten Materialempfindlichkeiten einbezogen wurden.
This is the stable version of the full-notch creep test ontology (OntoFNCT) that ontologically represents the full-notch creep test. OntoFNCT has been developed in accordance with the corresponding test standard ISO 16770:2019-09 Plastics - Determination of environmental stress cracking (ESC) of polyethylene - Full-notch creep test (FNCT).
The OntoFNCT provides conceptualizations that are supposed to be valid for the description of full-notch creep tests and associated data in accordance with the corresponding test standard. By using OntoFNCT for storing full-notch creep test data, all data will be well structured and based on a common vocabulary agreed on by an expert group (generation of FAIR data) which is meant to lead to enhanced data interoperability. This comprises several data categories such as primary data, secondary data and metadata. Data will be human and machine readable. The usage of OntoFNCT facilitates data retrieval and downstream usage. Due to a close connection to the mid-level PMD core ontology (PMDco), the interoperability of full-notch creep test data is enhanced and querying in combination with other aspects and data within the broad field of materials science and engineering (MSE) is facilitated.
The class structure of OntoFNCT forms a comprehensible and semantic layer for unified storage of data generated in a full-notch creep test including the possibility to record data from analysis and re-evaluation. Furthermore, extensive metadata allows to assess data quality and reliability. Following the open world assumption, object properties are deliberately low restrictive and sparse.
Die Umweltwirkungen auf ein Material werden als Überlapp der Funktionskurven von Materialempfindlichkeit und einwirkenden Umweltparametern betrachtet. Wenn entweder die Empfindlichkeit oder die Beanspruchungen Null sind, ergibt sich auch keine Umweltwirkung und bei beidseitig Werten größer Null das jeweilige Produkt der beiden. Die Akkumulation der nicht-reversiblen Effekte über die Zeit und allen Eigenschaftsänderungen entspricht der Alterung des Materials für den jeweiligen Expositionszeitraum.
Die digitale Umweltsimulation gliedert sich hier in drei Teilaspekte. Ein erster, rein materialwissenschaftlicher Teil hat die Aufgabe, alle relevanten Materialempfindlichkeiten experimentell zu quantifizieren. Ein zweiter – unter Umständen numerischer Teil – hat die Aufgabe, das Bauteil und seine Einbaulage zu digitalisieren und aus den makroskopischen Umgebungsbedingungen die relevanten mikroklimatischen Umweltparameter für alle Oberflächen- oder Volumenelemente zu bestimmen. In einem dritten Teil werden die Einwirkungen über den betrachteten Zeitraum berechnet und kumuliert. Dieses Konzept, das auf den so genannten Expositions-Reaktions-Funktionen (ERF) basiert, wird an Beispielen der Photoxidation erläutert. Dieses Vorgehen wurde schon beim ViPQuali-Projekt als Numerische Umweltsimulation umgesetzt.
Überprüft werden muss das Modell unbedingt an einer realitätsnahen Validierungsbeanspruchung. Hier werden die ermittelten ERFs mit über den kompletten Beanspruchungszeitraum geloggten Umweltparametern gekoppelt, um die berechnete mit der experimentell erfahrenen Alterungswirkung zu vergleichen. Nur so kann sichergestellt sein, dass alle für die Anwendungsumgebung relevanten Materialempfindlichkeiten einbezogen wurden.
The dripping behaviour of polymers is often observed experimentally through the UL94 flammability standard test. In this work, polymeric dripping under fire is investigated numerically using particle finite element method. A parametric analysis was carried out to observe the influence of a single property on overall dripping behaviour via a UL94 vertical test model. Surrogates and property ranges were defined for variation of the following parameters: glass transition temperature (Tg), melting temperature (Tm), decomposition temperature (Td), density (ρ), specific heat capacity (Cp), apparent effective heat of combustion of the volatiles, char yield (μ), thermal conductivity (k), and viscosity (η). Polyamide, poly(ether ether ketone), poly(methyl methacrylate), and polysulfone were used as benchmarks. Simulated results showed that specific heat capacity, thermal conductivity, and char yield allied with viscosity were the properties that most influenced dripping behaviour (starting time and occurrence).
EPDM, HNBR and FKM materials were exposed at 150 ◦C to air under atmospheric pressure and to hydrogen at 50 bar for different ageing times. All measurements after hydrogen exposure were conducted on samples in degassed condition to assess irreversible effects resulting from that exposure and to compare them to those after ageing in air. Density, hardness, tensile properties, compression set, and hydrogen permeability of all samples were analysed. In both ageing environments, HNBR exhibited the most significant changes of material properties.
However, for both EPDM and HNBR, considerably less severe ageing effects were observed under hydrogen in comparison to ageing in air. On the other hand, FKM showed about the same low level of deterioration in both ageing environments but exhibited poor resistance against damage due to rapid gas decompression in hydrogen environment that can lead to seal failure. The obtained results may serve as a guidance toward a better understanding for design and utilisation of elastomeric materials in future hydrogen infrastructure components.
Two-dimensional covalent organic frameworks (COFs) based on phosphinine and thiophene building blocks have been synthesized with two different side groups. The materials are denoted as CPSF-MeO and CPSF-EtO where CxxF correspond to the covalent framework, whereas P and S are related to heteroatoms phosphorous and sulfur. MeO and EtO indicate the substituents, i.e. methoxy and ethoxy.
Their morphologies were studied by scanning electron microcopy and X-ray scattering. The absence of crystalline reflexes in the X-ray pattern reveal that both materials are amorphous and can be considered as glasses. Furthermore, N2 adsorption measurements indicate substantial Brunauer–Emmett–Teller (BET) surface area values pointing to the formation of three-dimensional pores by stacking of the aromatic 2D layer. An analysis of the porosity of both COFs showed a mean radius of the pores to be of ca. 4 nm, consistent with their chemical structure. The COFs form nanoparticles with a radius of around 100 nm. The thermal behavior of the COFs was further investigated by fast scanning calorimetry. These investigations showed that both COFs undergo a glass transition. The glass transition temperature of CPSF-EtO is found to be ca. 100 K higher than that for CPSF-MeO. This large difference in the glass transition is discussed to be due to a change in the interaction of the COF sheets induced by the longer ethoxy group. It might be assumed that for CPSF-EtO more individual COF sheets assemble to larger stacks than for CPSF-MeO. This agrees with the much larger surface area value found for CPSF-EtO compared to CPSF-MeO. To corroborate the results obtained be fast scanning calorimetry dielectric measurements were conducted which confirm the occurrence of a dynamic glass transition. The estimated temperature dependence of the relaxation rates of the dielectric relaxation and their absolute values agrees well with the data obtained by fast scanning calorimetry. Considering the fragility approach to the glass transition, it was further found that CPSF-MeO is a fragile glass former whereas CPSF-EtO behaves as a strong glass forming material. This difference in the fragility points also to distinct differences in the interaction between the 2D COF molecules in both materials.
Combining buffing leather fibers from industrial waste streams with ammonium polyphosphate and bentonite clay is proposed as a flame-retardant additive for polypropylene. The paper addresses how they can be processed into attractive composites with the desired mechanical properties. Buffing leather fibers function as a multifunctional bio-filler and as a synergist for the flame retardant, resulting in fire retardancy successful enough to increase the oxygen index (LOI) by up to 7 vol.-% and to achieve a V0 UL 94 classification. Impressively reduced heat release rates are obtained in the cone calorimeter at 50 kW/m2 irradiation; for instance, the maximum average rate heat evolved (MARHE) drops from 765 to below 200 kW m 2. The synergistic effects are quantified and shown to be very strong for LOI and MARHE. This work opens the door to use waste buffing leather fibers as a promising multifunctional and synergistic bio-filler.
To ensure fire safety, polymers are filled with flame retardants and smoke suppressants. To meet the highest requirements, it is essential to understand the decomposition of those polymeric materials. This study reveals interactions between polymer, smoke suppressants, and flame retardants, and discusses their impact on the materials’ flame retardancy, smoke emission, smoke toxicity, and particle emission in conventional loadings to provide deeper general understanding. Low melting oxide glass, melem, spherical silica, sepiolite, melamine polyphosphate, and boehmite in an aluminum diethylphosphinate flame-retarded polyamide 6.6 were investigated. All smoke suppressants improve the protective layer and act as an adjuvant. Silica and melem performed best under forced flaming conditions. Spherical silica reduces the peak of heat release rate by 39% and the total heat evolved by 14%, whereas 10 wt% melem lowers the total smoke production by 41%. Melem alters the mode of action of aluminum diethylphosphinate from gas to more condensed phase activity. This change reduces flame inhibition and hence smoke toxicity, but further improves the protective layer due to charring reactions in the decomposition mechanism. In addition, the sizes of the smoke particles decrease because of the prolonged time in the pyrolytic zone. This study highlights that interactions between polymer, flame retardants, and smoke suppressants can significantly determine the smoking and burning behavior.