Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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The chapter gives a brief introduction to (nano)compositecomposite materials having the focus on polymer-based nanocomposites. The different dimensionalities of nanoparticles are introduced, along with their distribution in the matrix.
Different application fields of polymer-based nanocomposites, like flame retardancy, filled rubbers, nanofilled thermosets and thermoplastics, separation membranes and nanodielectrics, are considered in greater detail.
The screening of coatings shows that the modification by adding individual pigment was not sufficient to protect carbon steel even during a short-term exposure, indicated by the discoloration after only seven days of exposure.
Electrochemical tests indicated that the coating cathodically protects carbon steel or slows down the corrosion reaction.
A long-term exposure test confirmed that the PANI/SiO2 modified coating successfully protects the carbon steel in the Sibayak artificial geothermal water at 150 °C for 6 months.
Corrosive geothermal brines are a major challenge to geothermal power-plants. For cost reasons, plant designers favorize low alloyed steels, e.g., carbon steel, which are susceptible to uniform and localized corrosion when exposed to geothermal brines having acidic and saline properties. To solve such problem, coatings or inhibitors would be a protective solution as an alternative to the use of high alloyed materials.
This study investigated a coating system consisting of polyaniline/silicon dioxide basing on locally available resources. Protection against corrosion of carbon steel is shown by long-term exposure and electrochemical tests of coated carbon steels, performed in an artificial acidic and saline geothermal brine, comparable to real conditions at a site in Indonesia.
Therefore, an integrated coating system is presented for corrosion protection, combining the electro-chemical functionality of polyaniline and the physical advantages of silica.
Alkali-silica reaction (ASR) is a chemical reaction within concrete which can lead over time to cracking and spalling. Due to the complexity of the problem, it still causes damage to concrete constructions worldwide.
The publication aims to illustrate the interdisciplinary research of the German Federal Institute for Materials Research and Testing (BAM) within the last 20 years, considering all aspects of ASR topics from the macro to the micro level. First, methods for characterization and assessment of ASR risks and reaction products used at BAM are explained and classified in the international context. Subsequently the added value of the research approach by combining different, preferably nondestructive, methods across all scales is explained using specific examples from a variety of research projects. Aspects covered range from the development of new test-setups to assess aggregate reactivity, to analysis of microstructure and reaction products using microscopical, spectroscopical and X-ray methods, to the development of a testing methodology for existing concrete pavements including in-depth analysis of the visual damage indicator and the de-icing salt input using innovative testing techniques. Finally, research regarding a novel avoidance strategy that makes use of internal hydrophobization of the concrete mix is presented.
The amount of data generated worldwide is constantly increasing. These data come from a wide variety of sources and systems, are processed differently, have a multitude of formats, and are stored in an untraceable and unstructured manner, predominantly in natural language in data silos. This problem can be equally applied to the heterogeneous research data from materials science and engineering. In this domain, ways and solutions are increasingly being generated to smartly link material data together with their contextual information in a uniform and well-structured manner on platforms, thus making them discoverable, retrievable, and reusable for research and industry. Ontologies play a key role in this context. They enable the sustainable representation of expert knowledge and the semantically structured filling of databases with computer-processable data triples.
In this perspective article, we present the project initiative Materials-open-Laboratory (Mat-o-Lab) that aims to provide a collaborative environment for domain experts to digitize their research results and processes and make them fit for data-driven materials research and development. The overarching challenge is to generate connection points to further link data from other domains to harness the promised potential of big materials data and harvest new knowledge.
The incorporation of nanoscale particles into elastomers enable a boost in performance and/or a distinct reduction of conventional filler loadings due to their high surface to volume ratio. 2D layered nanoparticles like graphene and graphene-related materials provide a great potential as effective fillers in rubber, especially by enhancing mechanical and barrier properties. The type and properties of the nanoparticles, their interface and the elastomeric matrix materials influence the technical behavior, and therefore the potential application fields of such rubber nanocomposites. Especially crucial for the efficiency of the nanofiller, however, is its best possible incorporation into the elastomer. The dispersing of nanoparticles without agglomerates usually constitutes a challenge when using conventional two-roll milling or internal mixing. Academic approaches for highly dispersed nanocomposites solve this problem but are often energy and time consuming with no feasible scale up possibility. Therefore, an ultrasonic assisted NR latex premixing process was established to produce highly filled masterbatches, enabling the main processing with conventional rubber processing techniques.
Two carbon-based nanoparticles with similar specific surface areas were investigated and incorporated in natural rubber as nanocomposites: A commercially available multilayer graphene (MLG) and a nanoscale carbon black (nCB). The mentioned premixed masterbatches were further processed to nanocomposites by the addition of matrix NR, two-roll milling, and hot pressing (vulcanization). By this procedure an increase in Young’s modulus of 157% (MLG) and 71% (nCB) could be obtained at a concentration level of 3 phr. As anisotropic material behavior was observable for the nanocomposites containing MLG, different measurement methods were investigated to quantify the orientation of the nanoparticles in the nanocomposites: Sorption measurements (swelling in 2 dimensions), hardness and dynamical mechanical analysis (in-plane vs. cross-plane), X-Ray diffraction and transmission and scanning electron microscopy.
Unter Passivität versteht man den Korrosionsschutz durch dünne, festhaftende Schichten aus Korrosionsprodukten. Für den schadensfreien Einsatz nichtrostender Stähle ergeben sich daraus zwei grundsätzliche Anforderungen.
Erstens muss sich die Passivschicht vollständig ausbilden können. Dabei sind die Oberflächenausführung, die mechanische Bearbeitung, die Elementverteilung, Ausscheidungen, die Wärmeeinbringung z.B. bei der schweißtechnischen Verarbeitung, Anlauffarben, sowie die chemische Nachbehandlung bzw. Konditionierung der Oberflächen von großer Bedeutung. Zweitens muss die Repassivierung von Defektstellen unter den Einsatzbedingungen möglich sein. Für das Repassivierungsvermögen sind die Legierungszusammensetzung, mögliche kritische Betriebszustände, prozessbedingte Besonderheiten, wie etwa Stagnationsbedingungen und Reinigungsprozesse von Bedeutung.
Beton ist weltweit einer der wichtigsten Konstruktionswerkstoffe und zeichnet sich durch eine enorme Anpassungsfähigkeit an sich verändernde Anforderungen aus. Damit verbunden ist eine hohe und kontinuierlich zunehmende Komplexität hinsichtlich der Ausgangsstoffe, Rezepturen und des Herstellungsprozesses. Folglich setzt eine Ausschöpfung des technischen und umweltbezogenen Potenzials der Betonbauweise höchste Expertise bei den Einzelakteuren der Bauindustrie voraus.
Bewertung der Innenhydrophobierung von Fahrbahndeckenbetonen als neuartige AKR-Vermeidungsstrategie
(2022)
Zur Nutzbarmachung grenzwertig alkaliempfindlicher Gesteinskörnungen für Betonfahrbahndecken wurde basierend auf einer Literaturrecherche die Eignung von je einem Innenhydrophobierungsmittel auf der Basis eines Kalziumstearats (HM-A), eines Silan-Siloxan-Gemisches (HM-B) sowie eines der Vertraulichkeit unterliegenden Wirkstoffs (HM-C) für die neuartige AKR-Vermeidungsstrategie untersucht. Die Basis für die Eignungsuntersuchungen bildeten die Rezepturen im ARS 04/2013 für den OB (D>8)/UB sowie für den OB 0/8. Zur Herausarbeitung des Einflusses des Hydrophobierungsmittels auf die schädigende AKR fand in der groben Kornfraktionen ein alkaliempfindlicher Grauwackesplitt Anwendung. Aufgrund der unterschiedlichen Wechselwirkung zwischen dem LP-Bildner und dem Hydrophobierungsmittel wurde seine Dosierung beim HM-A reduziert sowie beim HM-B geringfügig und beim HM-C um ein Vielfaches erhöht.
Ausgehend von den ausgewählten Rezepturen mit den unterschiedlichen Hydrophobierungsmitteln wurden bei den Untersuchungen u.a. folgende Erkenntnisse gewonnen:
• Nachweis der Funktionalität aller drei Hydrophobierungsmittel im Festbeton durch signifikant reduzierte kapillare Aufnahme der Prüflösung.
• Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften und des Frost-Tausalzwiderstands des OB (D>8)/UB bei Zugabe aller Hydrophobierungsmittel.
• Verzicht auf den Einsatz des HM-A im OB (D>8)/UB aufgrund drastischer Verschlechterung der Verarbeitbarkeit des Frischbetons und hohem Festigkeitsverlust.
• Verzicht auf den Einsatz des HM-B im OB (D>8)/UB aufgrund der Überschreitung des Dehnungsgrenzwerts nach dem 9. bzw. 10. Zyklus (mit bzw. ohne zyklischer Vorschädigung) und der einhergehenden starken Abwitterung bei der KWL mit NaCl-Lösung.
• Nachweis nachhaltiger Verminderung schädigender AKR in beiden Betonarten mit HM-C in Klimawechsellagerung und 60°C-Betonversuch mit externer Alkalizufuhr, allerdings zu Lasten der mechanischen Eigenschaften und des Frost-Tausalz-Widerstands.
Fazit: Bei geeigneter Wirkstoffauswahl hat die Innenhydrophobierung das Potenzial für die Nutzbarmachung grenzwertiger Gesteinskörnung. Ihre Überführung in die Praxis erfordert jedoch eine weitere ganzheitliche Optimierung der Baustoffperformance. Das schließt auch die Verifizierung gezielter betontechnologischer Maßnahmen zur Verminderung der Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften und des Frost-Tausalz-Widerstandes ein.