Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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- 3.4 Sicherheit von Lagerbehältern (6)
- 3.3 Sicherheit von Transportbehältern (4)
- 6 Materialchemie (4)
- 6.6 Physik und chemische Analytik der Polymere (4)
- 7.5 Technische Eigenschaften von Polymerwerkstoffen (4)
Ethylene-propylenene-diene copolymer rubbers (EPDM) are used in a wide range of sealing applications e.g. in automotive industry or in containers for dangerous goods. Investigations with regard to the ageing behavior and lifetime prediction of commercial EPDM rubber seals consisting of 48 % polypropylene (PP) and 4.1 % of 5-ethylidene-2-norbornene (ENB) were conducted [1]. However, structural parameters (monomer ratio, diene type, curing agent etc.) and additives (filler, plasticizer etc.) are known to affect the ageing behavior of rubber compounds [2, 3]. The aim of the current study was to elucidate the influence of each component on the overall deterioration of material properties after thermal ageing. Therefore, different EPDM mixtures were prepared at BAM, the reference being an EPDM with 48 % PP and 4.1 % ENB reinforced with Sillitin. Five more formulations were prepared in order to assess the effect of (i) filler type (carbon black or sillitin), (ii) curing agent (sulfur or peroxide), (iii) plasticizer, (iv) ethylene-propylene ratio and (v) ENB content. Initially, the properties of the unaged materials were investigated by tensile testing, hardness and density measurements, TGA, DSC and DMA. Sulfur vulcanization resulted in higher elongation at break due to the flexibility of the sulfidic crosslinks. Carbon black resulted in better reinforcement compared to Sillitin. A higher ethylene and ENB content lead to higher hardness due to higher crystallinity and higher crosslink density, respectively.
Thermal ageing for up to 30 days (with 10 days intervals) took place in circulating hot air ovens at 125 °C. Pronounced crosslinking was found to take place in all peroxide-cured materials, as the unreacted double bonds of the ENB units acted as starting points for oxidation and crosslinking. Increasing the ethylene content resulted in an increase in the ageing resistance of EPDM. This improvement was attributed to the higher crystallinity that inhibits oxygen diffusion and to the smaller number of chain scissions which occur in the PP units. Although significant loss of the plasticizer was observed, the remaining plasticizer adequately improved the tensile properties of the material. The filler type did not significantly affect the ageing behavior of EPDM. Finally, the lower thermal stability of the sulfidic crosslinks resulted in desulfurization and, thus, in an increase in the crosslinking density.
To sum up, it has been shown that the monomer composition, curing agent and additives used in EPDM formulations greatly influence the properties and ageing resistance of these materials.
Hydrogen can cause unexpected material failure under consideration of stresses (external/internal) during manufacturing, processing or service of the materials. This failure is mostly based on a certain degradation of the mechanical properties. Thus, the correlation of hydrogen trapping vs. a respective microstructure is necessary for high strength steels. Thus, the scope of this work is the improvement of existing hydrogen trap models by verification of activation energies for hydrogen traps as well as the influence of the determination method. In this scope, the thermal desorption method is appropriate to distinguish between different hydrogen traps. Nevertheless, the specimen temperature has to be accounted very carefully in case of calculating the necessary trap energy.
Dark-field Transmission electron microscopy (DFTEM) results were obtained and presented. The results are discussed with regard to additional microstructural characterisation of the primyra Phase and creep experiments of alloy 2618A. Different methods to determine the volume fractions of precipitate phases are presented.
Visualization of surface modifications may be very challenging for coating/substrate systems of either almost identical optical constants, e.g. transparent films on substrates of the same material, or minor film thickness, substance quantity and affected area, e.g. ultra-thin or island films. Methods for visualization are optical microscopy (OM), imaging ellipsometry (IE), and referenced spectroscopic ellipsometry (RSE). Imaging ellipsometry operates at oblique incidence near Brewster angle of the bare, clean or unmodified substrate. In this configuration, reflected intensities are rather weak. However, the contrast to add-on and sub-off features may be superior. Referenced spectroscopic ellipsometry operates in a two-sample configuration but with much higher intensities. In many cases, both ellipsometric techniques reveal and visualize thin films, printed-pattern, laser-induced changes, and impurities better than optical microscopy. In particular for stratified homogeneous modifications, ellipsometric techniques give access to modelling and hence thickness determination. Modifications under investigation are polymer foil residue on silicon, laser-induced changes of ta-C:H coatings on 100Cr6 steel, imperfections of ta-C:H on thermal silicon oxide, degradation of glass, thin film tin oxide pattern on silicon, printed and dried pattern of liquids such as deionized water, cleaning agents, and dissolved silicone. © 2016 Elsevier B.V. All rights reserved.
Wasserstoff kann in Überlagerung mit Beanspruchungen zu einem unerwarteten Werkstoffversagen in höherfesten Stählen führen (wasserstoffunterstützte Schädigung von Metallen, starke Abnahme des Verformungsvermögens). In der Schweißtechnik besteht die Gefahr der wasserstoffunterstützten Kaltrissbildung. Die Aufnahme von Wasserstoff während des Schweißens lässt sich gänzlich nicht verhindern. Höherfeste Feinkornbaustähle um 700 MPa werden zunehmend mit unterschiedlichen Legierungskonzepten und Herstellungsrouten produziert. Diese Unterschiede erzeugen ein differentes Gefüge und Aussscheidungscharakteristik bei nominell ähnlichen Festigkeiten. Wichtige Vertreter sind der S690QL und der S700MC. Die Ergebnisse zeigen zum einen eine deutliche Abnahme der mechanisch-technologischen Gütewerte, zum anderen eine differente Degradation durch Wasserstoff. Signifikant ist die Abnahme der wahren Bruchdehnung bei bereits geringen Wasserstoffkonzentrationen unterhalb 4 ppm. Weiterhin wurde das Wasserstoffbindungsverhalten (Trapping) im Grundwerkstoff und im schweißsimulierten Gefüge untersucht. Die Ergebnisse zeigen Unterschiede hinsichtlich der Bindungsenergie und des Fallencharakters. Die Resultate belegen, dass eine Reduzierung des eingebrachten Wasserstoffs unabdingbar ist für einen sicheren Betrieb geschweißter Komponenten aus höherfestem Feinkornbaustahl.
Renewable resources become more and more relevant to maintain energy demands for an increasing global population. Biosynthetic fuels like biodiesel might replace conventional petrochemical fuels. In this study the influence of microbial growth on biodiesel and diesel on the storage tank systems were investigated. Polymeric fuel storage tanks for diesel and biodiesel provide suitable environmental conditions for a broad spectrum of fungi and various bacteria, including cyanobacteria and aerobic heterotrophic, and even anaerobic, fermentative Bacteria. However, the questions whether and how ageing of the materials is affected by biofouling processes have not been answered so far. Therefore, a model system for biofilm formation was established to study the initial attachment phase of bacteria in dependency of ageing, quality and surface modification of thermoplastic polymers used for storage tank systems. The microbial survey is closely connected with a detailed characterization of the material’s properties and its ageing processes.
A widely applied plastic used for fuel storage tanks is high-density polyethylene (PE-HD), which is available with various additives to increase UV-light stability and even for the storage of biodiesel. These materials were aged under UV-light and temperature using a defined climate chamber set-up. Further, the repeated filling of fuels was mimicked for such storage tanks, as this has an important impact on the life-cycle length for the storage Container. The aged polymers showed a significant change in the material’s characteristics, including surface characteristics (e.g. hydrophobicity) and carbonyl groups. The effect of the changed material properties on the biofilm formation are studied using bacterial isolates, previously obtained from a “dieselpest”, and as a model-reference E. coli. The unaged polymers showed already some significant differences for the initial attachment of E. coli K12. Polyethylene with additives was colonized faster than the reference material (without additives) although the final biofilm coverage was not impaired. Likewise, the settlement of a kerosene-isolated Bacillus species on the unaged materials independently of additives was only minor interfered.
In future, our results should give stakeholders in industry and public authorities a better estimation of the life-cycle security for fuel storage tank systems and on the fuel quality. Further, our results could help to test and develop new materials or additives to prevent biofouling processes.
Für Anwendungen, bei denen Elastomerdichtungen ihre Dichtheit über sehr lange Zeiträume (z. B. Jahrzehnte) behalten müssen, ohne dass ein Austausch praktikabel wäre, ist es nötig, die Lebensdauer solcher Dichtungen zuverlässig bestimmen zu können. Aus diesem Grund wurden Alterungsversuche an O-Ring-Dichtungen sowie Flachproben auf Basis von hydriertem Acrylnitril-Butadien-Kautschuk (HNBR), Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM) und Fluorkautschuk (FKM) über bis zu zwei Jahre bei mehreren Temperaturen durchgeführt. Zur Untersuchung der auftretenden Eigenschaftsveränderungen wurden u. a. Härtemessungen, Zugversuche, dynamisch-mechanische und thermogravimetrische Analysen durchgeführt. Zur Beurteilung des Relaxations- und Rückstellverhaltens der alternden Dichtungen wurden außerdem Druckspannungsrelaxations- und Druckverformungsrestmessungen durchgeführt. Darüber hinaus wurde die Leckagerate gemessen, um ein Versagen der Dichtung zu detektieren. Durch die Untersuchung der gealterten Proben wurden sowohl die auftretenden Eigenschaftsveränderungen charakterisiert wie auch die damit zusammenhängenden Alterungsmechanismen diskutiert. Anhand der großen Datenmenge aus Ergebnissen von verschiedenen Untersuchungsmethoden, die für mehrere Alterungszeiten und -temperaturen durchgeführt wurden, sollte zusätzlich die günstigste Vorgehensweise für Lebensdauervorhersagen ermittelt werden. Dies beinhaltete auch die Bestimmung eines Lebensdauerkriteriums, das mit dem Auftreten von Leckage und damit dem Versagen der Dichtung zusammenhängt. Hinsichtlich der Eigenschaftsänderungen und Alterungsmechanismen wurde beim HNBR eine starke Versprödung aufgrund dominanter Vernetzungsreaktionen während der Alterung festgestellt. Diese resultierten auch darin, dass die Sauerstoffpermeabilität abnahm, so dass der Sauerstofftransport ins Innere der Probe (hauptsächlich bei den dickeren O-Ringen) behindert wurde. Dies führte dazu, dass diffusionsbegrenzte Oxidationseffekte (DLO-Effekte) auftraten, d. h. dass das Probeninnere weniger stark alterte als oberflächennahe Bereiche. Während der Alterung von EPDM traten sowohl Kettenspaltungen wie auch Vernetzungsreaktionen auf, was sich vor allem in einer Verschlechterung der Zugeigenschaften und einer Abnahme der Druckkraft sowie in einem steigenden Druckverformungsrest äußerte. Bei sehr stark gealterten Proben dominierten ebenfalls Vernetzungsreaktionen, was sich auch in deutlichen DLO-Effekten äußerte. Aufgrund seiner ausgeprägten Oxidations- und Hochtemperaturbeständigkeit wies FKM vergleichsweise geringe Degradationserscheinungen auf. Nur mit Druckspannungsrelaxation und Druckverformungsrest waren nennenswerte Änderungen ersichtlich. Messungen der statischen Leckagerate ergaben, dass die O-Ringe erst bei sehr weit fortgeschrittener Degradation undicht wurden und bis zu diesem Zeitpunkt kein allmählicher Anstieg der Leckagerate beobachtet werden konnte. Aus diesem Grund wurden Leckagemessungen mit einem modifizierten Versuchsaufbau durchgeführt, bei dem die Dichtung während der Messung leicht entlastet wird. Da dieser Test eine dynamische Rückstellung der Dichtung erfordert und damit höhere Ansprüche an die Dichtung stellt, wurde am geprüften EPDM-O-Ring ein früheres Versagen beobachtet. Der entsprechende Alterungszeitpunkt wurde als Versagenszeitpunkt definiert. Dieser wurde anhand der Daten verschiedener Messmethoden mit dem Degradationszustand korreliert und entspricht beispielsweise einem Druckverformungsrest von 80 %. Auf der Grundlage dieses Kriteriums konnten Lebensdauern mittels Zeit-Temperatur-Verschiebung bestimmt werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurden zahlreiche Erkenntnisse darüber gewonnen, worauf bei beschleunigten Alterungsversuchen und Lebensdauerprognosen von O-Ringen zu achten ist und welche Fehlerquellen vermieden werden sollten. Dies wird zusammen mit Empfehlungen für eine bestmögliche Versuchsdurchführung ausführlich diskutiert.
Elastomer seals are widely used as barrier seals in containers for low and intermediate level radioactive waste. In addition, they are also used in waste fuel storage and transportation casks as auxiliary seals. Depending on the area of use, the rubber materials have to demonstrate proper sealing performance with respect to mechanical, thermal and environmental conditions as well as irradiation during the entire operation period. A fundamental understanding of the structure property relationship and their changes during aging can help to evaluate the long-term sealing performance.
In the present study, specific materials are investigated to study the structure-property and seal performance-correlation. Fluoro-elastomer (FKM), silicone rubber (VMQ) and ethylene propylene diene rubber (EPDM) were chosen as base rubbers. Comparable mechanical properties for these seals, especially in terms of a comparable compression behavior were achieved by careful control of base rubber formulation, i.e., by opting for the right filler and its concentration, amount of crosslinking chemicals, and with the assistance of process oils. Moreover, with the same rubber, similar mechanical properties were achieved by varying the filler concentration and crosslinking degree, which shall enable to correlate the particular influence on the structure property dependency of the seals in detail. The materials are investigated under pristine and aged conditions to evaluate the influence of aging, e.g. on the stress relaxation or recovery behavior. These values appear to be suitable parameters to judge the expected sealing performance.
Due to the electrically conducting nature of some fillers used to reinforce rubbers (such as carbon blacks, carbon nanotubes (CNTs), Graphene, etc.) it is possible to obtain current information about mechanical and visco-elastic properties by monitoring the electrical conductivity or resistivity. A simple relation that relates electrical resistance with mechanical stress was derived and the stress values were theoretically predicted from the electrical resistance values, which showed good correlation with experimental results.