Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Organisationseinheit der BAM
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Aus Rapsöl gewonnener Biodiesel ist eine umweltfreundliche Alternative zu fossilen Energiequellen. In der Europäischen Union, in der 80 % der ölhaltigen Brennstoffe importiert werden müssen, besteht zudem ein Interesse, die Abhängigkeit von exter-nen Ölversorgern zu reduzieren.
Bei jeder Veränderung der Zusammensetzung eines Brennstoffs muss auch die Ma-terialverträglichkeit gewährleistet bleiben. Es stellt sich die Frage, ob Elastomere im Vergleich zu reinem Heizöl auch in Heizöl mit 20 % Biodiesel (B20) beständig sind.
Die Polarität des Biodiesels erhöht die Quellung und fördert die Permeation und Ex-traktion. Sowohl Quellung als auch Extraktion bedingen Änderungen der physikali-schen Eigenschaften der Elastomere. Extraktion verändert die chemische des Heiz-öls. Diese chemischen Veränderungen können auch den Abbau (Hydrolyse und Oxi-dation) der Polymere durch das Herauslösen von Additiven und Stabilisatoren be-schleunigen.
Ziel dieser Arbeit war die Bestimmung der Beständigkeit der Elastomere ACM (Poly-acrylatkautschuk), HNBR (Hydrierter Acrylnitrilbutadienkautschuk), FKM (Fluorkaut-schuk) und PUR (Polyurethan) in Heizöl und im Heizölgemisch B20.
Prüfkörper der Elastomere wurden für 42 Tage (Härteprüfung) und 84 Tage (Zugprü-fung) bei 40 °C ausgelagert. Anschließend wurde die Änderung der Masse, Shore Härte A, Zugfestigkeit, und Reißdehnung bezogen auf die Werte vor der Aus-lagerung bestimmt. Die weniger zur Quellung neigenden Elastomere FKM und HNBR wurden zusätzlich bei 70 °C ausgelagert.
Um die Elastomere im verpressten Zustand zu testen, wurde der Druckverformungs-rest nach DIN ISO 815 bestimmt. Hierzu wurden zylindrische Prüfkörper aus ACM, HNBR und FKM verpresst und in Heizöl und Heizöl mit 20 % FAME für 3, 7, 14, 28, 56 und 90 Tage bei 40 °C ausgelagert. Anschließend wurde über die Dickenmes-sung der Druckverformungsrest ermittelt. Zum Vergleich wurden Prüfkörper verpresst und ohne Medium bei 40 °C ausgelagert.
In den internationalen Normen wurde kein Grenzwert für die Veränderung der Zugei-genschaften und der Härte für eine positive Bewertung der Beständigkeit festgelegt. Deshalb wurde in der BAM ein Grenzwert von 15 % für die Beständigkeitsbewertung herangezogen.
Bei 40 °C lag die Änderung der Zugeigenschaften und der Shore Härte von ACM, HNBR und FKM in Heizöl und in B20 unter 15 %. Folglich sind ACM, HNBR und FKM bei 40 °C in Heizöl und in B20 beständig. PUR ist bei 40 °C in Heizöl beständig, je-doch nicht für eine Verwendung in B20 geeignet, da sich die Zugfestigkeit und Reiß-dehnung um 50 % vermindert haben.
Bei 70 °C ist FKM in Heizöl und B20 beständig, wohingegen HNBR an seine Einsatz-grenzen gelangt und unbeständig ist, in B20 haben sich die Zugfestigkeit um 40 % und die Reißdehnung um 50 % reduziert.
Ziel dieser Untersuchungen war die Bewertung der Beständigkeit häufig eingesetzter Dichtungswerkstoffe, wie Fluorkautschuk (FKM), Fluorsiliconkautschuk (FVMQ), Siliconkautschuk (VMQ), Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM), Chloroprenkautschuk (CR), chlorsulfoniertes Polyethylen (CR), Butylkautschuk (IIR), Acrylnitril-Butadien-Kautschuk (NBR), Polyes-terurethankautschuk (PUR) und Polyamid (PA) in Kraftstoffen und Heizöl mit und ohne bioge-ne Zusätze bei 20 °C, 40 °C und 70 °C. E10 (Kraftstoff mit max. 10 % Ethanol), E85 (Kraftstoff mit 85 % Ethanol), Dieselkraftstoff mit max. 5 % Biodiesel, Super mit max. 5 % Ethanol, un-gealtertes und gealtertes B10 (Heizöl mit 10 % Biodiesel) sowie zum Vergleich reiner Dieselkraftstoff, Heizöl und Kraftstoff Super plus zählten zu den Testsubstanzen.
Masse, Zugfestigkeit und Bruchdehnung wurden von den Prüfkörpern vor und nach der 84-tägigen Auslagerung in den Kraftstoffen und Heizöl bestimmt. Die visuelle Begutachtung einiger Elastomerprüfkörper zeigte eindeutig die hohe Quellung bis zur partiellen Auflösung.
Die Shore-Härte A und D (für PA) der Prüfkörper wurden vor und nach der 42-tägigen Auslagerung in den Kraftstoffen bestimmt.
In den internationalen Normen wird zur Bewertung der Beständigkeit von Elastomeren kein Grenzwert der Reduzierung der Zugeigenschaften und der Shore-Härte definiert. Deshalb wurde für die Beständigkeitsbewertung ein Grenzwert von 15 % festgelegt. Zusammenfassend kann die Aussage getroffen werden, dass die Beständigkeit der Fluorpolymere FKM und FVMQ in den Kraftstoffen und Heizöl mit und ohne biogene Zusätze die beste ist.
In den letzten Jahren werden zunehmend Nanopartikel als Füllstoff für Polymere vorgeschlagen und auch erfolgreich in Elastomer-Nanocomposites eingesetzt. In dieser Arbeit wird Multilayergraphen (MLG) als Nanofüllstoff näher untersucht, der sich bereits bei geringen Konzentrationen als effizient erweist. MLG besteht aus nur etwa zehn Graphenlagen.
Chlorbutylkautschuk (CIIR)/MLG-Nanocomposites mit verschiedenen MLG-Gehalten wurden mit Hilfe eines ultraschallunterstützen Mischverfahrens in Lösung hergestellt und auf einem Walzwerk weiterverarbeitet. Das Einmischen von MLG führt zu einer deutlichen Verbesserung der rheologischen und mechanischen Eigenschaften, des Vernetzungsverhaltens sowie der Barrierewirkung gegenüber Gasen. Bereits der Zusatz von 3 phr MLG zu CIIR führt zu einem mehr als zweifach höheren E-Modul und zu einer Reduktion der Permeabilität von O2 und CO2 um 30 %. Höhere Konzentrationen an Nanofüllstoff resultieren in einer weiteren Verbesserung der Eigenschaften der Nanocomposites. Weiterhin zeigten die CIIR/MLG-Nanocomposites auch eine geringere Entflammbarkeit.