Sanitär- und Kommunaltechnik; Umwelttechnik
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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.
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.
Drei grundlegend verschiedene Ansätze für Umweltsimulation werden an Beispielen illustriert:
(i) Ganzheitlicher Ansatz - Nachstellen von Umweltmilieus im Labor
Ziel ist hier das Nachstellen von (kombinierten) Umweltbedingungen im Labor; die Umweltparameter werden mit all ihren Wechselwirkungen aufgebracht.
Hauptnutzen ist eine gegenüber der natürlichen Beanspruchung erhöhte Reproduzierbarkeit der Umweltbedingungen. Hat man sein Laborsetup entwickelt, ist es auf verschiedene Materialien anwendbar.
Unter solchen Laborbedingungen ermittelte Lebensdauern sind dabei nicht auf die typischerweise sehr variablen Real-Umweltbedingungen übertragbar.
(ii) Parametrisierter Ansatz - Ermittlung einzelner Materialempfindlichkeiten
Hierbei werden im Labor die Wirkungen separater Umweltparameter auf Materialien nachgestellt. Für eine solche Separation der Einflussfaktoren ist insbesondere die Aufschlüsselung möglicher Wechselwirkungen der Umwelt-parameter (z.B. Mikroklima an bestrahlten Oberflächen) erforderlich. Einzelne (meist Alterungs-) Empfindlichkeiten können qualitativ nachgewiesen werden oder sogar – als Beanspruchungs-Wirkungs-Funktionen – quantifiziert werden, was einen wesentlichen Schritt in Richtung der Digitalisierung der Material¬prüfung darstellt. Insbesondere ist dann auch eine Lebensdauer-vorhersage für vorgegebene Zeitreihen der Beanspruchungs¬parameter umsetzbar.
(iii) Rückwirkungen auf die Umwelt
Umweltbeanspruchungen können zur Freisetzung von Schadstoffen in die Umwelt führen. Durch die Nachstellung kritischer, aber realitätsnaher Einsatzszenarien kann die Menge an freigesetzten Substanzen abgeschätzt werden.
Egal, welcher Ansatz verfolgt wird – ein Vergleich mit der oder einer Real-beanspruchung ist unerlässlich, ebenso wie die Messdatenaufzeichnung (data logging) aller potenziell relevanten Beanspruchungsparameter während dieser Realbeanspruchung.
Obwohl die naturnahe Umwelt – sowohl in der BAM als auch bei der GUS – gegenüber der technischen Umwelt eher untergeordnet auftritt, werden zur Illustration Beispiele aus der naturnahen Umwelt verwendet.
Biodiesel (FAME) from rapeseed is an environmentally friendly alternative to common fossil fuels. It is also suitable to serve as blending component to fuels like heating oil. If the fuel composition is changed, materials compatibility must be guaranteed. Adding polar biodiesel to nonpolar heating oil, changes the blend’s solvency and might cause swelling, extraction and solvation of polymers. The objective of this research was to investigate the compatibility of polymeric materials, which are commonly used for components in middle distillate facilities, along with blends of heating oil and 20 % biodiesel (B20). For this propose, ACM, HNBR, FKM, PE, PA 6, POM, PUR and PVC were exposed to heating oil and B20 for 42 and 84 days at 40 °C. In addition, the polymers HNBR, FKM, PA, POM and PVC were also exposed at 70 °C. Furthermore, the resistance of polymers in eight-year aged B10 at 40 °C was evaluated. Ageing of biodiesel increases acidity which might propagate polymer corrosion. The materials were evaluated as resistant, if the loss in tensile properties (tensile strength and elongation at break) and Shore hardness remained under 15 % compared to the initial unexposed material values. For investigations under compressed conditions, the compression set was determined for specimens of ACM, FKM and HNBR after exposure in heating oil B0 and B20 for 3,7,14, 28, 56 and 90 days at 40 °C according to ISO 815-1. It was found that the resistance in B20 at 40 °C was given for all tested polymers except PUR. In the 8 years aged B10, PUR and POM were not compatible and ACM just conditionally compatible. At 70 °C, FKM and PVC were resistant in B20, whereas HNBR and PA 6 were not compatible. Swelling occurred for the elastomers ACM, HNBR and PUR.
To improve on the classic radiometric sensor with radiometric measurement [ ] here a new UV-sensor characteristic for effective UV is proposed that no longer applies equal weighting of spectral irradiation into the UV irradiance value but rather aims at approaching a weighting according to a typical spectral sensitivity curve of polymers. This curve resembles the erythema curve of the skin which is the basis of the UV-index.
For the use of the sensor it would be desirable to keep it in the artificial weathering device for the complete weathering test (including rain phases) while the same sensor should also be applicable for the monitoring of outdoor weathering exposures.
A first application of this kind of weighted measurement and a comparison with radiometric measurements accompanied with polymer ageing results will be presented together with conclusions for a future effective UV irradiance sensor.
On the basis of a lot of investigation on the spectral sensitivity of photo degradation of plastics and on the underestimated influence of temperature and relative humidity on degradation processes a new type of weathering device was presented at the end of the seventies:
It was a combination of a radiation source with fluorescent UV lamps and a precise climatic cabinet.
The radiation emission from a combination of four different types of fluorescent UV lamps was superimposed on the specimen surfaces in the climatic cabinet to match the UV part of solar radiation as closely as possible. Air temperature was controlled to within ± 1 °C, and relative humidity to within ± 5 %RH.
As the lamps’ emission is focussed on the UV range almost no radiation heating of the sample occurs. Therefore, the temperature of the sample, which is the quantity of consideration for the degradation, is nearly identical with the chamber’s air temperature, which is the quantity to be controlled. Also, therefore, high humidity can be obtained on the sample surface. The limitation of the emission to the UV range is sufficient for the study of the polymer matrix.
This type of weathering device offers an exactness of microclimatic control of the sample’s surface, which should be a standard for weathering devices. Even now it is the only weathering device which generates pure relative humidity (without aerosol).
Depending on the specific plastic’s ageing sensitivities, the durations which plastic components remain in the environment can be very long. As, in the past, the advantages in ageing resistance and durability were highly evaluated, we now face the problem of quite stable plastic waste within the environment.
However, there is only little knowledge on the real timescales until macroscopic fragmentation for the different kinds of plastic under various environmental conditions.
Here, weathering methods are presented, which have been used for the failure prediction in specific outdoor conditions. Issues of uncertainty, reproducibility, or validation are discussed.
For the prediction of the plastic’s fragmentation, much longer time scales have to be considered. To do this within a limited project life span, various processes as well as their acceleration potential have to be evaluated separately, such as temperature increase or spectral shift.
The possibilities and limitations of such controlled acceleration will be discussed.
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 und zwar sowohl für die Kontrolle der Funktion des Bewitterungs- oder Bestrahlungsgerätes als auch als zusätzliche Angabe der wirkenden Beanspruchung.
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(λ) des Auges bewerteten VIS-Strahlung in Lux (lx) bzw. die mit der Erythem-Wirkfunktion Serythem bewertete UV Strahlung als dimensionsloser UV-Index berücksichtigt wird. Spektrale Empfindlichkeiten.
Die Photodegradation von Polymeren ist im UV-Bereich ebenfalls stark wellenlängenabhängig, was bisher bei der radiometrischen UV-Messung 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 an der kurzwelligen Grenze 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-Gesamtbestrahlungsstärke und UV-Gesamtbestrahlung erfasst deshalb über weite Wellenlängenbereiche 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.
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.