Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Organisationseinheit der BAM
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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.
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.
Aufgrund des tieferen Eindringens der solaren Strahlung treten bei transparenten und bei transluzenten (durchscheinenden) Kunststoffen veränderte Bedingungen gegenüber opaken Proben auf. Dies kann zu speziellen Effekten und damit zu einem abweichenden Bewitterungsverhalten führen. Auch aus Mangel an geeigneten Normen werden diese Effekte häufig vernachlässigt. Deshalb initiiert der DIN-FNK auf ISO-Ebene ein entsprechendes Dokument.
Die Norm ist in der Form eines Technical Reports geplant. In einem ersten Teil sollen die Besonderheiten transparenter oder transluzenter Kunststoffe erläutert werden, um den Nutzer für mögliche Probleme zu sensibilisieren. Im zweiten Teil werden Empfehlungen für Bestrahlung oder Bewitterung herausgearbeitet. In einem dritten Teil geht es dann um Besonderheiten bei der Messung von Eigenschaftsänderungen transparenter bzw. transluzenter Kunststoffe. In informativen Anhängen sollen verschiedene Beispiele die Thematik illustrieren.
Bei der Bestrahlung und Bewitterung von polymeren Werkstoffen wird die Degradation durch eine Absorption von Strahlung initiiert und meistens durch weitere Klimagrößen, wie z.B. Wärme, Feuchte und atmosphärische Gase beeinflusst. Die Messung einer effektiven Bestrahlungsstärke und ihre zeitliche Integration sind deshalb von großer Bedeutung.
Photochemische Prozesse werden beim Sehen oder allgemeiner bei Farbstoffen schon durch sichtbare (VIS) Strahlung, dagegen bei der Erythembildung der Haut und der Photodegradation von Polymeren erst durch die energiereicheren Photonen der ultravioletten (UV) Strahlung initiiert. Die spektrale Empfindlichkeit des Auges und die Erythembildung sind im VIS- bzw. UV-Bereich sehr stark wellenlängenabhängig, was durch die Angabe der mit der spektralen Hellempfindlichkeit V() des Auges bewerteten VIS-Strahlung in Lux (lx) bzw. die mit der Erythem-Wirkfunktion bewertete UV Strahlung als dimensionsloser UV-Index berücksichtigt wird. Spektrale Empfindlichkeiten.
Die Photodegradation von Polymeren ist im UV-Bereich ebenfalls stark wellenlängenab-hängig, was bisher nicht berücksichtigt wurde. Seit Mitte der 70er Jahre, als die lx- bzw lxh- Messung bei der Strahlungsbeanspruchung langsam durch die Ermittlung der radiometrischen UV-Bestrahlungsstärke bzw. der UV-Bestrahlung im gesamten UV-Bereich abgelöst wurde, gab es hier bei der Bewitterungsprüfung keine weiteren Fortschritte auf dem Gebiet der Charakterisierung der Strahlungsbeanspruchung im UV-Bereich.
Seit Jahren liegen zahlreiche Ergebnisse über die spektrale Empfindlichkeit von Photo-degradationsprozessen vor, die zeigen, dass die spektrale Empfindlichkeit im Bereich der Globalstrahlung bei ca. 300 nm, am größten ist und im langwelligen UV-Bereich bei ca. 400 nm gegen Null geht. Die Messungen der radiometrischen Größen UV-Gesamt-bestrahlungsstärke und UV-Gesamtbestrahlung erfasst deshalb über weite Wellen-längenbereiche Strahlungsanteile, die für die Photodegradation bedeutungslos sind und mittelt über potenziell bedeutsame Änderungen im kurzwelligen UV-Bereich hinweg.
Es wird das Konzept eines neuen UV-Radiometers vorgestellt, dessen spektrale Empfindlichkeit einer mittleren spektralen Empfindlichkeit der Photodegradation von Polymeren entspricht. Die effektive UV-Bestrahlungsstärke und UV-Bestrahlung kann dadurch wesentlich genauer erfasst werden.
In der Gesellschaft für Umweltsimulation GUS e.V. erarbeiten Fachleute aus Wissenschaft und Industrie in freiwilliger Selbstverantwortung Leitfäden und Bücher zur, Umweltsimulation und zur Wirkungssimulation von Umwelteinflüssen.
Diese beschreiben den Stand der Technik bzw. Stand der Wissenschaft und dienen als Anleitung für Umweltingenieure und Personen, die sich in die Arbeitsgebiete Produktqualifikation und Umweltsimulation einarbeiten und einiesen wollen.
Folgende Themenschwerpunkte werden in diesem Leitfaden behandelt: Wasser und seine Eigenschaften, Phasenübergänge, Transportvorgänge, Änderung von Materialeigenschaften durch Wasser, Messmethoden.
Häufig ist es wünschenswert, für neue Materialien oder Anwendungen künstliche Bewitterungsverfahren zu benutzen, die auf die spezifischen Anforderungen besser zugeschnitten sind, als es bei bestehenden standardisierten Verfahren der Fall ist. Nachdem man die spezifischen Parameter der Beanspruchung unter Anwendungsbedingungen und die spezifische Empfindlichkeit des Materials erfasst hat, beginnt ein Prozess, der als „Test Tailoring“ häufig abstrakt verwendet, auf den aber nur selten näher eingegangen wird. Genau dieser Prozess soll hier am Beispiel der Entwicklung eines künstlichen Bewitterungstests unter saurer Beaufschlagung, dem in der BAM entwickelten Acid Dew and Fog Test, beispielhaft erläutert werden.
Quantitative Auswertemöglichkeiten bei der spektralen Bestrahlung – Berechnung des Wirkungsspektrums
(2017)
Für die Bewertung des Wellenlängeneinflusses auf die Alterungsvorgänge bei der Bestrahlung UV- oder lichtempfindlicher Materialien kann die Methode der spektralen Bestrahlung angewendet werden. Im Prinzip wird dabei das linear dispergierte Spektrum einer Strahlenquelle mit kontinuierlichem Spektrum (z.B. Xe-Lampe) auf eine Probenoberfläche abgebildet, so dass Ort einer Materialänderung und Wellenlänge der Bestrahlung einander zugeordnet werden können. Nachfolgende lokal-auflösende Analysemethoden ermitteln eine Eigenschaftsänderung an einem spezifischen Ort der Probe, aus dem sich dann die Bestrahlungswellenlänge ergibt.
Der verwendete Aufbau wird beschrieben. Es wird an einem ausgewählten Beispiel gezeigt, wie durch geeignete Anbindung eines Messsystems zur Bestimmung der spektralen Bestrahlungsstärke und ortsaufgelöste Messungen der Eigenschaftsänderungen eine quantitative Auswertung realisiert werden kann. Der Einfluss nichtlinearer Alterungsverläufe wird diskutiert. Grenzen der Methode werden aufgezeigt und Erweiterungsmöglichkeiten dargestellt.
Quantitative Auswertemöglichkeiten bei der spektralen Bestrahlung – Berechnung des Wirkungsspektrums
(2017)
Für die Bewertung des Wellenlängeneinflusses auf die Alterungsvorgänge bei der Bestrahlung UV- oder lichtempfindlicher Materialien kann die Methode der spektralen Bestrahlung angewendet werden. Im Prinzip wird dabei das linear dispergierte Spektrum einer Strahlenquelle mit kontinuierlichem Spektrum (z.B. Xe-Lampe) auf eine Probenoberfläche abgebildet, so dass Ort einer Materialänderung und Wellenlänge der Bestrahlung einander zugeordnet werden können. Nachfolgende lokal-auflösende Analysemethoden ermitteln eine Eigenschaftsänderung an einem spezifischen Ort der Probe, aus dem sich dann die Bestrahlungswellenlänge ergibt.
Der verwendete Aufbau wird beschrieben. Es wird an einem ausgewählten Beispiel gezeigt, wie durch geeignete Anbindung eines Messsystems zur Bestimmung der spektralen Bestrahlungsstärke und ortsaufgelöste Messungen der Eigenschaftsänderungen eine quantitative Auswertung realisiert werden kann. Der Einfluss nichtlinearer Alterungsverläufe wird diskutiert. Grenzen der Methode werden aufgezeigt und Erweiterungsmöglichkeiten dargestellt.
Einfluss von Feuchte und Nässe auf die Witterungs-induzierte Alterung am Beispiel eines Polyurethans
(2017)
In diesem Beitrag soll der relative Einfluss des Wassers als Feuchte und Nässe unter den Beanspruchungsfaktoren untersucht werden. Die Unterscheidung von Luftfeuchte und Nässe bezüglich ihrer Wirkung ist dabei notwendig, weil die stehende Nässe zusätzliche Extraktionswirkung besitzt und auch die verfügbare Sauerstoffmenge beeinflusst.
Dazu wurde ein Polymer, das im Rahmen des BAM-internen Projektes PolyComp untersucht wird, künstlich bewittert. Hierzu wurde ein Fluoreszenzlampengerät mit UV-A 340 nm Leuchtstoffröhren verwendet, in dessen Probenraum durch zusätzliche Kammern die gleichzeitige Bewitterung unter drei unterschiedlichen Feuchte-Varianten realisiert wurde (bei konstanter Temperatur):
- UV und trocken
- UV und hohe Luftfeuchte
- UV und stehende Nässe
Das gleichzeitige Einwirken der einzelnen Einflussfaktoren kann dabei konkurrierende oder aufeinander folgende chemische Reaktionen und physikalische Prozesse und somit ein anderes Ergebnis bewirken, als wenn sie isoliert nacheinander auf eine Probe eingewirkt hätten.
Über die erwähnten Varianten hinaus kann auch noch der spezifische Einfluss der UV-Strahlung mit untersucht werden, weil die Proben im Bereich ihrer Befestigung verdeckt sind.
Die Methodik und erste Ergebnisse dieser Untersuchung werden präsentiert.
Quantitative Auswertemöglichkeiten bei der spektralen Bestrahlung – Berechnung des Wirkungsspektrums
(2017)
Für die Bewertung des Wellenlängeneinflusses auf die Alterungsvorgänge bei der Bestrahlung UV- oder lichtempfindlicher Materialien kann die Methode der spektralen Bestrahlung angewendet werden. Im Prinzip wird dabei das linear dispergierte Spektrum einer Strahlenquelle mit kontinuierlichem Spektrum (z.B. Xe-Lampe) auf eine Probenoberfläche abgebildet, so dass Ort einer Materialänderung und Wellenlänge der Bestrahlung einander zugeordnet werden können. Nachfolgende lokal-auflösende Analysemethoden ermitteln eine Eigenschaftsänderung an einem spezifischen Ort der Probe, aus dem sich dann die Bestrahlungswellenlänge ergibt.
Der verwendete Aufbau wird beschrieben. Es wird an einem ausgewählten Beispiel gezeigt, wie durch geeignete Anbindung eines Messsystems zur Bestimmung der spektralen Bestrahlungsstärke und ortsaufgelöste Messungen der Eigenschaftsänderungen eine quantitative Auswertung realisiert werden kann. Der Einfluss nichtlinearer Alterungsverläufe wird diskutiert. Grenzen der Methode werden aufgezeigt und Erweiterungsmöglichkeiten dargestellt.