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133
Die Nanomedizin beschäftigt sich unter anderen mit der Frage, wie sich die Behandlung gefährlicher Krankheiten effizienter und sicherer gestalten lässt, deren konventionelle Therapie oftmals mit schweren Nebenwirkungen einhergeht. Die Vision ist, ein theranostisches Wirkstoffträgersystem zu schaffen, das seinen therapeutischen Cargo sicher an den Wirkort transportiert, dort freisetzt und gleichzeitig in Echtzeit verfolgt werden kann, um die Therapie individuell anzupassen. Die Grundlage für die erfolgreiche Entwicklung eines Wirkstoffträgersystems bilden Untersuchungen zum Verhalten von nanopartikulären Substanzen in physiologischer Umgebung. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden polymere Nanopartikel unterschiedlicher Morphologie durch die kontrollierte Selbstorganisation amphiphiler Blockcopolymere hergestellt, charakterisiert und auf ihre Wechselwirkungen mit menschlichen Zellen und Serumproteinen untersucht. Dazu wurde eine Studie zur Geometrie- und Größenabhängigkeit der Zytoxizität von nanoskaligen Kugel- und Zylindermizellen sowie Vesikelstrukturen durchgeführt. Des Weiteren wurde das Agglomerationsverhalten von verschiedenen polymeren Nanopartikeln in Anwesenheit von Serumproteinen untersucht. Mit Hilfe eines Mikromischer-basierenden Verfahrens gelang es, kontinuierlich sehr einheitliche Polymervesikel herzustellen und diese in situ mit unterschiedlichen Komponenten zu beladen - unter anderem mit dem Wirkstoff Camptothecin sowie einer hohen Dichte an hydrophoben Eisenoxid-Nanopartikeln. Diese wirkstoffbeladenen Hybridvesikel zeigten in vitro im Vergleich zum freien Wirkstoff eine erhöhte zytotoxische Wirksamkeit gegen die Krebszelllinie PC-3. Nach einer Funktionalisierung mit einem krebszellspezifischen Targeting-Peptid und einer zusätzlichen Fluoreszenzmarkierung wurde mit Hilfe der Durchflusszytometrie und konfokalen Laser-Scanning-Mikroskopie eine rezeptor-spezifische Zellaufnahme in PC-3-Krebszellen demonstriert. Messungen zur magnetischen Charakterisierung bestätigten zudem die potenzielle Anwendung magnetischer Polymervesikel als MRT-Kontrastmittel wie auch als Tracer für das Magnetic Particle Imaging (MPI). Kontinuierlich hergestellte, wirkstoffbeladene, magnetische Polymervesikel erfüllen somit viele Grundvoraussetzungen für ein theranostisches Wirkstoffträgersystem und bieten weitere Entwicklungsmöglichkeiten im Hinblick auf Magnetfluid-Hyperthermie, magnetisches Targeting oder eine durch ein Magnetfeld induzierte Wirkstofffreisetzung.
132
The aim of this thesis was the development of switchable information carriers based on shape memory polymers (SMPs) and the investigation of their durability. Deployed as a new kind of security label, such technology may be an effective tool to prevent counterfeiting and product piracy.
Thermoplastic as well as thermoset SMPs turned out to be applicable as a specific substrate for the fabrication of switchable information carriers. In particular, a physically cross-linked and semi-crystalline poly(ester urethane) (PEU), and a chemically cross-linked epoxy-based polymer were investigated. Both SMPs were able to undergo distinct changes in shape upon triggering, which is commonly known as the shape memory effect (SME).
A key step for the fabrication of switchable information carriers was the development of a suitable technique for a surface-specific coloring of the polymeric base material. In particular, it was necessary to have a thin coat of paint in order to assure sufficient surface contrasts within the subsequently laser-engraved barcodes (e.g. quick response (QR) codes). In detail, coloring was conducted by diffusion of staining solutions, based on organic dyes, into the polymeric matrix. As a result of properly selected exposure times, homogenous layers of paint having thicknesses of about 100 μm, could be produced.
In order to obtain room temperature stable, temporary shapes with non-decipherable code information, various programming procedures were applied to the information carriers. These were either based on tensile or on compressive deformation. For instance, when using plane steel plates in the course of compressive deformation, code areas were randomly distorted. By contrast, selective distortions could be achieved using a steel ball type indenter. However, the triggering of the SME resulted in almost complete shape recoveries. As a result, the information carriers could reliably be switched back to readable states.
Before the developed information carriers can be brought onto the market, it is important to evaluate their durability against various environmental impacts. Artificial weathering was conducted exemplarily on blue and black colored QR code carriers based on PEU. Various scenarios were selected: exposure to UVA irradiation and aging in aqueous solution. In both cases, the durability was investigated at temperatures below and above the switching temperature of the employed SMP. It turned out, that the limiting factor for the usage of switchable information carriers was a lack of contrast and thus was dye-related. In the case of UV irradiation, the color of the dyes started fading, culminating in unreadable QR codes. For hydrolytic degradation, the non-colored code regions were stained in the course of aging. This originates from the fact that the organic dyes used for coloring were soluble in water. As a consequence, they were able to diffuse easily in and out of the swollen polymeric matrix. For both scenarios, aging at elevated temperature caused acceleration of the observed effects. However, the shape memory properties of the PEU were only slightly influenced by the applied aging scenarios.
Next, an additional thermo-responsive security feature was added to the information carriers. Therefore, thermochromic pigments (T-PIGs) were embedded into a PEU matrix. However, in contrast to the organic dyes, the size of the thermochromics microcapsules was too large to diffuse into the polymeric matrix. Thus, another procedure for a surface-specific coloring of the PEU was developed. This mainly included the preparation of a PEU-paste doped with T-PIG by solution mixing. The thermochromic paste was deposited by means of a solvent casting technique as thin layer atop the PEU plaque. After solvent evaporation, tightly connected PEU/PEU-T-PIG laminates were obtained. Beyond that, the layer thickness was adjustable by using a doctor blade for the paste deposition. Subsequent laser ablation finalized the QR code carriers. These were readable at room temperature, but unreadable above the color switching temperature of the employed T-PIGs due to a lack of contrast. Hence, the obtained multifunctional information carriers were characterized by distinct shape memory properties and tunable color switching performances. Furthermore, the combination of several T-PIGs having different colors and switching temperatures resulted in surfaces with multiple and unique temperature-dependent changes in color. Besides that, information carriers with temporarily concealed information could be obtained by covering the QR code with an additional layer doped with T-PIG.
131
Silbernanopartikel (Ag-NP) können, bedingt durch ihre wachsende Anwendung im Lebensmittelbereich, vermehrt oral aufgenommen und über den Intestinaltrakt resorbiert werden. Die Diversität der physikalisch-chemischen Eigenschaften, der in toxikologischen Studien eingesetzten Nanopartikel (NP), macht eine allgemein gültige Aussage zu ihren physiologischen Wirkungen nicht trivial. Auch die Ursachen ihrer zytotoxischen Eigenschaften werden weiterhin kontrovers diskutiert.
Basierend auf diesen Fragestellungen, wird in dieser Arbeit die physikalisch-chemische Charakterisierung von toxikologisch relevanten Partikeleigenschaften vorgestellt, welche das Zellkulturmedium (ZKM) als chemische Umgebung der NP berücksichtigt. Durch in-vitro Experimente mit dem humanen Modell des Intestinaltraktes (Caco-2 Zellen) wurden anschließend die relevanten molekularen Effekte des charakterisierten Ag-NP Referenzmaterials hinsichtlich partikulärer, ionischer oder synergistischer Wirkung untersucht.
Mittels einer Kombination aus Asymmetrischer-Fluss-Feldflussfraktionierung (A4F) sowie dynamischer Licht- und Röntgenkleinwinkelstreuung konnte eine Zunahme des hydrodynamischen Radius der Partikel im ZKM beobachtet werden. Dieser ließ sich durch nachfolgende energiedispersive Röntgenfluoreszenz Spektroskopie und zweidimensionale Gelelektrophorese mit der Bildung einer Proteinkorona beschreiben, die hauptsächlich aus bovinem Serumalbumin bestand. Die Trennung von ungebundenen Proteinen und Partikeln mit Korona wurde sowohl mittels A4F als auch Zentrifugation durchgeführt, wobei sich die A4F als die sensitivere Methode herausstellte.
Die 24-stündige Exposition der Caco-2 Darmzellen mit jeweils zwei nicht zytotoxischen Konzentrationen des Ag-NP-Referenzmaterials sowie Silberionen aus Silbernitrat (SN) zeigte einen signifikanten Unterschied der Anzahl deregulierter Proteine zwischen partikulärer und ionischer Behandlungsgruppe. Die NP führten im Gegensatz zu den Ionen zu einer vermehrten Herunterregulation der Proteine. Die Auswertung der Proteinderegulationen deutete auf eine Inhibierung pro-inflammatorischer Proteine wie Nuclear Facor Kappa Light Chain Enhancer of Acivated B-Cells (NFκB) durch die NP Behandlungsgruppe hin. SN führte zu einer aktivierten inflammatorischen Antwort. Im Gegensatz zu den SN Behandlungsgruppen zeigten die NP eine vorhergesagte Inhibierung des Nrf2-Signalweges, der oxidativen Stress induziert.
Beide NP-Konzentrationen führten in den Zellen zu einer Suppression tumorassoziierter Proteine wie z.B. ADP-sugar Pyrophosphatase (NUDT5). Die Konzentration tumorassoziierter Proteine nach Inkubation mit SN blieb entweder unverändert oder stieg leicht an.
130
Mit dem Ziel, die auf der Ebene der Kornstruktur ablaufenden Prozesse mit in die Beschreibung des Kriechverhaltens polykristalliner Werkstoffe einzubeziehen, wurde in der vorliegenden Arbeit zunächst die Schädigungsentwicklung einer einzelnen Korngrenze untersucht.
Hierfür wurde eine spezielle Simulationsmethode verwendet, deren Lösungsansatz auf holomorphen Funktionen basiert. Die für die Simulationen berücksichtigten Mechanismen umfassten insbesondere Nukleation, Wachstum durch Korngrenzendiffusion, Zusammenwachsen und Schrumpfen bis zum vollständigen Sintern von Korngrenzenporen. Auf Grundlage der Simulationsergebnisse konnte ein vereinfachtes Porositätsmodell entwickelt werden, welches die Korngrenzenschädigung durch zwei Zustandsvariablen und die zeitliche Entwicklung durch eine Mechanismen-orientierte Ratenformulierung beschreibt. Um den Einfluss von Korngrenzen in kontinuumsmechanischen Betrachtungen von Polykristallen berücksichtigen zu können, wurde ein Grenzflächenmodell erarbeitet, welches sowohl Schädigung entsprechend dem vereinfachten Porositätsmodell als auch Korngrenzengleiten in Abhängigkeit von einer phänomenologischen Korngrenzenviskosität umfasst. Darüber hinaus wurde ein mikromechanisches Polykristallmodell entwickelt, welches es im Rahmen von Finite-Elemente-Simulationen erlaubt, das Kriechverhalten unter Einbeziehung der Gefügestruktur eines polykristallinen Werkstoffes zu simulieren. Dabei werden die Deformationen einzelner Körner durch ein viskoplastisches Einkristallmodell und die Korngrenzen durch das entwickelte Grenzflächenmodell beschrieben. Die Gefügestruktur wird durch ein Finite-Elemente-Modell abgebildet, wobei die Korngrenzen durch kohäsive Elemente modelliert werden. Durch Auswertung experimenteller Kriechdaten konnte das Polykristallmodell für eine Kupfer-Antimon-Legierung bei einer Temperatur von 823 K kalibriert werden. Die Anpassung des Einkristallmodells erfolgte dabei anhand der Kriechraten von reinen Kupfereinkristallproben.
Die experimentelle Erfassung der Korngrenzenabgleitung und der Korngrenzenporosität für grobkörnige Kupfer-Antimon-Proben konnten hingegen zur Anpassung des Grenzflächenmodells genutzt werden. Das kalibrierte Polykristallmodell wurde abschließend in Kombination mit künstlich erzeugten Kornstrukturen genutzt, um zum einen numerische und modellierungstechnische Einflüsse auf die Simulationsergebnisse zu untersuchen. Dabei zeigte sich, dass die Vernetzungsfeinheit nur zu einer vergleichsweise geringen Beeinflussung des makroskopischen Kriechverhaltens führt. Aufgrund des nahezu inkompressiblen Deformationsverhaltens des Einkristallmodells war aber die Nutzung spezieller Kontinuumselementtypen notwendig, um das Auftreten von Volumenlocking zu verhindern. Zum anderen konnte das Kriechverhalten polykristalliner Werkstoffe, zu welchem insbesondere die versagensrelevante Schädigungsentwicklung zählt, für verschiedene Material- und Belastungsparameter analysiert werden. Speziell für die betrachtete Kupfer-Antimon-Legierung zeigte sich, dass das Kriechverhalten durch Korngrenzengleiten geprägt war. Insbesondere die Spannungsumlagerungen an den Korngrenzen waren vergleichbar mit dem Verhalten für ungehindertes Korngrenzengleiten. Darüber hinaus deuteten Simulationen für mehrachsige Belastungszustände darauf hin, dass die Schädigungsentwicklungmaßgeblich durch die maximale Hauptspannung und die von Mises-Spannung beeinflusst wird.
129
In der Offshore-Industrie werden seit langer Zeit austenitisch-ferritische Duplexstähle eingesetzt, da sie im Vergleich zu herkömmlichen austenitischen hochlegierten Stählen bessere Festigkeitseigenschaften aufweisen und gegenüber rein ferritischen hochlegierten Stählen eine bessere Verformbarkeit bei gleichzeitig verbesserter Korrosionsbeständigkeit, auch in aggressiver Umgebung, bieten. Dennoch zeigt das Schrifttum, dass es trotz dieser guten Eigenschaften zum Versagen von Bauteilen kommen kann, bei dem Wasserstoff für die Schadensursache eine entscheidende Rolle spielt.
Zur Klärung der Schädigungsmechanismen unter Einfluss von Wasserstoff kann die numerische Simulation einen entscheidenden Beitrag leisten, da sich experimentelle Ergebnisse besser deuten und zwischen Labortests bis hin zu Bauteilversuchen übertragen lassen. Bisher wurden jedoch meistens makroskopische numerische Betrachtungen zur wasserstoffunterstützten Werkstoffschädigung in Duplexstählen durchgeführt. Die Duplexstähle bestehen jedoch nahezu aus gleichen Teilen an austenitischer und ferritischer Phase, welche unterschiedliche mechanische Eigenschaften als auch Transporteigenschaften für Wasserstoff aufweisen. Zugleich bedingt dies eine unterschiedliche Empfindlichkeit für eine wasserstoffunterstützte Werkstoffschädigung. Daher bestand die Aufgabe dieser Arbeit in der Erstellung eines numerischen Mesomodells eines realen Duplexgefüges, mit dem die Abbildung des Wasserstofftransportverhaltens, der mechanischen Spannungen und Dehnungen sowie der Rissinitiierung und des Rissfortschrittes in den einzelnen Phasen möglich ist. Zudem werden moderne Röntgenbeugungsexperimente genutzt, um den Einfluss von Wasserstoff auf die phasenspezifischen mechanischen Eigenschaften zu bestimmen.
Für den Transport von Wasserstoff konnte eine deutliche Abhängigkeit von der Orientierung der austenitischen und ferritischen Phase im Gefüge gezeigt werden, wobei der Wasserstofftransport vornehmlich über die ferritische Phase erfolgt und der Wasserstoff im Austenit stärker getrappt wird. Die numerische Analyse der mechanischen Spannungen und Dehnungen in den Phasen des Duplexstahls zeigte, dass bei einer makroskopisch elastischen Beanspruchung des Duplexgefüges bereits lokal in den Phasen plastische Verformungen auftreten können. Damit verbunden ist ein erhöhtes Risiko für eine wasserstoffunterstützte Werkstoffschädigung bereits im makroskopisch elastischen Bereich, wenn ausreichend hohe Wasserstoffkonzentrationen im Duplexgefüge vorliegen. Die Ergebnisse der numerischen Simulation entsprechen den experimentellen Beobachtungen zum Wasserstofftransport und den lokalen Beanspruchungen in realen Duplexgefügen. Das Modell erlaubt somit die Identifikation risskritischer Bereiche und kritischer Kombinationen von Wasserstoffkonzentration und lokaler Beanspruchung im Duplexgefüge. Die Ergebnisse der simulierten wasserstoffunterstützten Werkstofftrennung stimmen mit experimentellen Beobachtungen zugehöriger Bruchtopographien überein.
Insgesamt wird erstmalig eine numerische Simulation der wasserstoffunterstützten Werkstoffschädigung im Duplexstahl, unter Berücksichtigung der lokalen Beanspruchung und Wasserstoffverteilung in den spezifischen Phasen (Austenit / δ-Ferrit), durchgeführt. Die Ergebnisse korrelieren mit experimentellen Beobachtungen und erlauben somit ein besseres Verständnis für die Mechanismen der wasserstoffunterstützten Werkstoffschädigung in Duplexstählen. Die Simulationen unterstützen die Deutung experimenteller Ergebnisse und ermöglichen die Übertragbarkeit auf reale Bauteile.
128
Für den Transport flüssiger Gefahrguter im Luftverkehr werden unter anderem Kunststoffverpackungen verwendet, die Leckagen aufweisen oder Permeation unterliegen können. Aufgrund der vorhandenen Belüftungsbedingungen ist eine Ansammlung entzündlicher oder gesundheitsschädlicher Gase im Frachtraum von Flugzeugen denkbar. Die Überschreitung ausreichender Konzentrationen solcher Gase kann zu einer Gefährdung führen. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit werden die Kabinenluftströmungen und der Stofftransport von Gefahrgut in Flugzeugfrachträumen mittels CFD untersucht. Zunächst erfolgt die Entwicklung eines geeigneten numerischen Modells auf der Grundlage eines generischen Frachtraums mit typischen Merkmalen.
Die verwendeten realitätsnahen Randbedingungen entsprechen aktuellen Flugzeugmustern. Das numerische Modell wird mittels experimenteller Modellversuche im Maßstab 1/10 validiert. Das Strömungsfeld im Frachtraummodell wird mittels eines LDA-Systems vermessen. Das validierte numerische Modell wird sowohl für Simulationen im Maßstab 1/10 als auch im Maßstab 1/1 verwendet. Anhand der drei Validierungskriterien Symmetrie, Verlaufe und Beträge der betrachteten Strömungsgrößen und einer LDA-Spektralanalyse wird insgesamt eine gute qualitative und quantitative Übereinstimmung zwischen Experiment und Simulation ermittelt. Eine systematische Untersuchung zeigt den Einfluss relevanter Parameter auf das Strömungsfeld und den Stofftransport. Zunächst werden die Einlassreynoldszahl und der Einlassturbulenzgrad sowie die Wandrauigkeit und Wandunebenheit bewertet. Für kleine Reynoldszahlen werden hohe Konzentrationen und für größere Reynoldszahlen werden deutlich geringeren Konzentrationen von Gefahrgut ermittelt. Anhand einer Variation in vier Schritten wird der Einfluss des Einlassmassenstromverhältnisses aus Luft und Gefahrgut bewertet. Erst für Werte von <1000 lasst sich ein signifikanter Einfluss feststellen. Es werden die Stoffe Toluol und n-Hexan beispielhaft für brennbare Gefahrgüter der Klasse 3 verwendet. Der Einfluss der Position und Gestalt verschiedener Einlassquellen wird an vier realitätsnahen Quellentypen bewertet.
Anhand vier verschiedener Transportszenarien wird die Ausbreitung von Gefahrgut im Modellmaßstab untersucht. Die Szenarien unterscheiden sich durch die Art der Belüftung und durch die Dauer des Gefahrgutaustritts. Szenarien mit aktiver Frachtraumbelüftung sind als eher unkritisch zu beurteilen. Die betrachteten Szenarien ohne aktive Frachtraumbelüftung sind als gefährlich einzustufen. Insbesondere das Szenario mit zeitlich unbegrenztem Gefahrgutmassenstrom erreicht kritische Konzentrationswerte und eine kritische Ausdehnung der Gefahrgutansammlung im Frachtraum. Diese Ergebnisse werden anhand zweier Szenarien im Maßstab 1/1 bestätigt. Die vorliegende Arbeit leistet einen Beitrag, das Verständnis der Strömungs- und Stofftransportvorgange im Flugzeugfrachtraum beim Transport von Gefahrgütern im Luftverkehr zu erweitern, um Risiken im Luftverkehr zu identifizieren. Die Allgemeingültigkeit und die Übertragbarkeit der Erkenntnisse auf Flugzeugmuster und Flugszenarien mit komplexeren Details sind zu prüfen.
127
Phosphorhaltige Alternativen haben halogenhaltige Flammschutzmittel für PBT zunehmend verdrängt. Die meisten der verwendeten Flammschutzmittel verschlechtern jedoch die mechanischen Eigenschaften des PBT oder neigen zum Ausblühen. Trotz ihrer gängigen Verwendung fehlt ein grundlegendes Verständnis für den Einfluss der chemischen Struktur der Flammschutzmittel auf das Brandverhalten und die Eigenschaften des Werkstoffs. Ebenso lückenhaft ist das Wissen über den Einfluss der Makrostruktur des Werkstoffs auf dessen Brandverhalten und die Flammschutzanforderungen.
Als Alternative zu den gängigen niedermolekularen Flammschutzadditiven werden in dieser Arbeit phosphorhaltige Polyester als Flammschutzmittel für kompaktes, glasfaserverstärktes und geschäumtes PBT vorgestellt und ihr Pyrolyse- und Brandverhalten analysiert. Nicht nur die Makrostruktur des PBT, sondern auch die chemische Struktur der phosphorhaltigen
Polyester wurde gezielt variiert, um entsprechende Struktur-Eigenschaftsbeziehungen ableiten zu können.
Das glasfaserverstärkte PBT zeigt eine höhere Entflammbarkeit, der PBT Integralschaum ein höheres Risiko durch Flammenausbreitung als kompaktes PBT. Das Vorhandensein von Verbrückungen und P-O-Carom.-Bindungen im Phosphorsubstituenten der phosphorhaltigen Polyester erhöht deren Rückstandsbildung bzw. Aktivität in der kondensierten Phasen. Die Art der aktiven Flammschutzmechanismen entscheidet darüber, welche Brandrisiken reduziert werden.
Als einer der phosphorhaltigen Polyester bildet PET-P-DOPO einen nicht mischbaren Blend mit PBT. Es hat eine gute Flammschutzwirkung und verschlechtert die mechanischen Eigenschaften nicht so stark wie gängige Flammschutzmittel. PET-P-DOPO birgt dabei das Potential, die mechanischen Eigenschaften und die Flammschutzwirkung durch eine Verbesserung der Mischbarkeit und eine Erhöhung des Phosphorgehaltes noch weiter zu optimieren. Für PBT Integralschaum ist PET-P-DOPO weniger geeignet. In glasfaserverstärktem PBT übertrifft PET-P-DOPO die gängigen Flammschutzmittel, selbst wenn diese mit höherem Phosphorgehalt eingesetzt werden.
Die Ergebnisse tragen wesentlich zum Verständnis der grundlegenden Struktur- Eigenschaftsbeziehungen im Flammschutz von Polymeren bei. Sie ermöglichen die Vorhersage spezieller Anforderungen an die Flammschutzmittel aus der Makrostruktur des Werkstoffs. Weiterhin erlauben sie eine gezieltere Auswahl und Optimierung bestehender Flammschutzmittel durch die Anpassung ihrer chemischen Struktur sowie das gezielte Design neuer Flammschutzmittel für bestimmte Anwendungen bzw. Schutzziele. Mit PET-P-DOPO wurde außerdem eine vielversprechende Alternative zu gängigen Additiven im Flammschutz von PBT gefunden.
126
Die matrixunterstützte Laser Desorptions/Ionisations Massenspektrometrie (MALDI-MS) hat sich in den letzten Jahren zu einer etablierten Methode zur Charakterisierung von synthetischen Polymeren entwickelt. Neben der Messung von Molmassen und deren Verteilungen bietet diese Technik die Möglichkeit, simultan Monomerstrukturen und Endgruppen eines Polymers zu bestimmen.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil liegt in der einfachen Probenpräparation, die überwiegend durch Auftropfen der Matrix- und Polymerlösung (engl. Dried Droplet Method) erfolgt. Anstelle eines homogenen Probenspots wird nach dem Verdampfen des Lösemittels häufig jedoch die Bildung von Eintrocknungsringen beobachtet. Dies führt zu lokal unterschiedlichen Matrix/Polymer Verhältnissen, was die Qualität und Reproduzierbarkeit der MALDI Methode erheblich beeinträchtigt. Dies ist insbesondere von Interesse, da synthetische Polymere, im Gegensatz zu biologischen Makromolekülen, eine Kettenlängen-Verteilung aufweisen, die ebenfalls Segregationseffekten unterliegen kann. Eine realistische Bestimmung von Molmassen und deren Verteilung ist demzufolge nahezu unmöglich. Auf Grund der weiten Verbreitung der Dried Droplet Methode ist es daher erforderlich, mögliche Ursachen der Segregation aufzuklären und gegebenenfalls alternative Probenpräparationstechniken, basierend auf dieser simplen Tropfenmethode zu entwickeln. Zu diesem Zweck wurde die Trocknung verschiedener Polymer/Matrix Spots bei Verwendung unterschiedlicher Lösemittel untersucht. Da die MALDI Methode auch die Möglichkeit bietet, als bildgebendes Verfahren (MALDI-Imaging Massenspektrometrie) genutzt zu werden, wurde diese Technik primär für die Untersuchung der Segregationseffekte verwendet. In Analogie zum Einsatz in biologischen Systemen, beispielsweise bei der Lokalisierung von Metaboliten oder Wirkstoffen in Gewebeproben, kann mittels MALDI-Imaging MS die laterale Verteilung von Polymeren mit unterschiedlichen Strukturen und Molmassen sowie der Matrix simultan bestimmt werden.
Im Gegensatz zu den in der Literatur beschriebenen Prozessen, wie Kapillarfluss oder Marangoni Strömung, die u.a. für die Ringbildung verantwortlich gemacht wurden, zeigen die Ergebnisse der hier vorgestellten Experimente deutlich, dass die Löslichkeit von Polymer und Matrix im verwendeten Lösemittel von entscheidender Bedeutung ist. Im Verlauf des Verdampfungsprozesses findet eine Aufkonzentrierung der Moleküle im abgesetzten Tropfen statt. Beim Erreichen der Sättigungskonzentration beginnen die Polymermoleküle mit den hohen Molmassen zuerst auszufallen, während die restlichen, immer noch gelösten Homologen weiterhin den Transportvorgängen unterliegen, die beim Eintrocknen generiert werden. Bei Lösemitteln die langsam verdunsten kann das zur molmassenabhängigen Segregation von Polymerhomologen führen. Verwendet man Lösemittel die schnell verdunsten erfolgt keine Molmassen-Segregation der Polymere, sondern ausschließlich eine Entmischung von Matrix und Polymer. Auf Grund ihrer geringen Molmasse bleibt die Matrix am längsten gelöst und kann demzufolge bis unmittelbar vor dem Eintrocknen an den Tropfenrand transportiert werden. Dies erklärt die Bildung von hauptsächlich aus Matrix bestehenden Ringen bei der üblicherweise verwendeten Konzentration von 10 mg ml-1. Die Experimente haben jedoch auch gezeigt, dass die beobachtete Entmischung bei einer deutlich höheren Konzentration von 100 mg ml-1 ohne Einschränkungen in der Qualität der Spektren vermieden werden kann. Bei dieser Konzentration wird die Sättigungskonzentration der Matrix bereits vor dem ersten Ausfallen der Polymere erreicht. Dadurch entsteht eine hoch viskose Lösung, welche die folgenden Transportprozesse der Polymermoleküle behindert. Eine Entmischung kann somit nicht mehr erfolgen und man erhält eine chemisch homogene Spotoberfläche.
Eine andere einfache Möglichkeit die Viskosität der Probenspots soweit zu erhöhen, dass keine Segregation erfolgen kann, bietet die Verwendung von Matrizes basierend auf ionischen Flüssigkeiten. Neben der einfachen Synthese zeichnen sich diese Verbindungen durch ihre hohe Stabilität und der Vermeidung einer Sublimation im Vakuum aus. Selbst nach 24h im Hochvakuum der MALDI-Quelle konnten reproduzierbare Spektren gemessen werden. Die Intensität der Spektren ist dabei deutlich höher als bei der Verwendung konventioneller Matrizes. Dies ermöglicht die Aufnahme von Spektren bei geringerer Bestrahlungsstärke, was wiederum zu weniger Fragmentierungen führt und insbesondere für labile Polymere interessant sein könnte. Die mit der Dried Droplet Methode und ionischen Matrizes erzeugten Spots weisen eine überragende Homogenität auf. Diese Matrixklasse stellt somit eine neue und interessante Alternative zur konventionellen Spotpräparation in der MALDI-TOF Massenspektrometrie dar.
125
In this thesis, an alternative approach to the well-known optical time domain reflectometry (OTDR) technique is presented. A thorough analysis regarding distributed backscatter measurement in optical fibres is provided and its prospects for optical fibre sensing applications are demonstrated and discussed. The measurement approach is referred to as incoherent optical frequency domain reflectometry (I-OFDR): the frequency response of the fibre under test is measured and transferred into its time domain equivalent using inverse Fourier transform. This general technique has been studied and used for the measurement of nonlinear scattering effects in optical fibres. The requirements, limitations and prospects for general backscatter measurement, however, are different and have not been studied in detail prior to this work. Distributed sensing using Rayleigh scattering and reflective events in the fibre is first demonstrated using I-OFDR with remarkable measurement resolution. The incoherent detection technique allows for measuring singlemode fibres as well as multimode fibres. The first part of this work deals with the theoretical analysis and optimized implementation of the frequency domain approach. Necessary signal processing and its impact on the time domain response are presented. Sources of deviation from the linearity of the I-OFDR system are identified and an optimized laboratory setup is introduced; the crucial impact of the source coherence is thoroughly discussed. Suitable system parameters for the I-OFDR approach are defined: the system dynamic range and sensitivity are determined. A technique to suppress the dynamic range-limiting signal originating from strong reflections in the fibre is suggested. It is demonstrated that the I-OFDR technique has advantages over OTDR in terms of implementation for high-resolution measurement, measurement accuracy and signal stability. These advantages and measurement possibilities specific to the frequency domain approach are utilized for spatially resolved sensing applications in the second part of this work: A low optical loss polymer optical fibre (POF) is for the first time studied and analyzed for distributed strain sensing. The backscatter level dependence on strain in the fibre can be used to detect and locate strained fibre sections. Also, a correlation algorithm is proposed and demonstrated to measure length changes along the fibre with mm-resolution by correlating the typical backscatter signature of this fibre type. The fibre type is analyzed in detail regarding cross-sensitivities to temperature, relative humidity as well as mode propagation influences. The proposed sensing principles in combination with the highresolution I-OFDR allow for promising distributed sensing applications. Special interest is expressed by the structural health monitoring (SHM) sector since the fibre can measure strain values exceeding 100 %. Another sensing technique, specific to I-OFDR, is proposed for quasi-distributed and dynamic measurement of length changes and optical power changes at reflective events along the fibre. Precise calculation of the positions and reflected powers of multiple reflections can be conducted in parallel from the measurement of a few sampling points of the complex-valued frequency response. That allows for measuring with an increased repetition rate up to 2 kHz or at μm-scale length changes resolution at lower measurement frequencies. The approach is demonstrated in the laboratory and in a field application by measuring the deformation of a masonry building on a seismic shaking table. The I-OFDR exhibits competitive performance for general high-resolution backscatter measurement and the proposed optical fibre sensor principles may have promising prospects in the structural health monitoring (SHM) sector.
124
Die vorgelegte Arbeit zeigt die Ausarbeitung und die Überprüfung einer Theorie, mit welcher die Ergebnisse aus einem neu entwickelten Mess-Verfahren (DySEM-Technik) beschrieben werden können. Mit dem Begriff “DySEM“ (Dynamic Scanning Electron Microscopy) wird ein experimentelles Verfahren bezeichnet, bei dem ein Elektronenstrahl als Mess-Sonde über einem mikroskaligen Schwinger verfahren wird, wobei die Schwingung durch eingesetzte Lock-In Technik frequenzaufgelöst dargestellt werden kann. Neben dem klassischen Sekundärelektronen-Signal wird zur Bildgebung auch der Anteil aus dem Signal genutzt, der sich anregungssynchron ändert. Die DySEM-Technik ermöglicht eine direkte Visualisierung der Schwingungsdynamik der oszillierenden Struktur, da zwischen unterschiedlichen Eigenmoden (flexural, torsional) als auch den jeweiligen höheren Harmonischen optisch eindeutig unterschieden werden kann. Damit bietet sich dieses Verfahren als ein Werkzeug der Modal-Analyse mikroskaliger Schwinger an, welche in mikro- bzw. nanoelektromechanischen Systemen (MEMS bzw. NEMS) häufig Verwendung finden und bei denen eine Optimierung der Designparameter oft erst durch die Bildgebung der Schwingung zu erreichen ist. Zusätzlich zeigen die DySEM-Bilder charakteristische Amplituden-abhängige Bildmerkmale, die theoretisch verstanden werden müssen. Prinzipiell ist die DySEM-Technik nicht an den Elektronenstrahl als Mess-Sonde gekoppelt. Allerdings erweist sich gerade im Zuge fortschreitender Miniaturisierung mit immer kleinskaligeren Schwingern eine elektronenoptische Orts-Auflösung als günstig. Bei der theoretischen Analyse des Abbildungsmechanismus liegt der Fokus auf der Untersuchung der raum-zeitlichen Dynamik der Wechselwirkung zwischen Elektronenstrahl und der periodisch darunter hinweg schwingenden Mikrostruktur, für die erstmals ein umfängliches Modell abgeleitet werden konnte, wodurch die detaillierte Interpretation der experimentellen Ergebnisse möglich wurde. Zusätzlich spielen lokale Eigenschaften (Materialeigenschaften) des Schwingers eine Rolle. Ebenso müssen die Beiträge von Energieverlustmechanismen zur Bildgebung berücksichtigt werden. Um die bildgebenden Gleichungen explizit ableiten zu können, beschränkt sich die mathematische Analyse in dieser Arbeit auf die Annahme eines frei oszillierenden, einseitig geklemmten Schwingers ohne Wechselwirkung mit Materie, wie es im DySEM-Experiment durch die Bildgebung im Hochvakuum angenähert wird. Die aufgrund dieses Modells simulierten DySEM-Bilder stimmen mit den experimentell gewonnenen Ergebnissen qualitativ und quantitativ gut überein.
123
A new safety characteristic named “dustiness” according to the German guideline VDI 2263 – part 9 is investigated. Dustiness describes the tendency of a powder to form airborne dust by a prescribed mechanical stimulus. Dusts often behave differently in a dust/air mixture or in the case of a dust explosion, even if they have comparable physical properties such as particle size and density. In order to look into the effects of dustiness on dust cloud Formation and explosion properties experiments and simulations in a 75 L vertical dust Dispersion glass tube apparatus were carried out. In a second step industrial-scale experiments were carried out in a 50 m³ silo.
Experiments showed that particle size and density are not the only factors which influence dustiness, since the chosen dusts with comparable densities and particle size distributions showed very different behavior in the flow. Other dust properties such as particle shape, specific surface area, humidity and agglomeration processes have an influence which can outweigh size and density. Preliminary explosion experiments showed that dustiness has an influence on the reduced explosion pressure and pressure rise in a vented 75 L test apparatus. In order to verify the results for applications in the process industries further tests with different settings were carried out in industrial-scale experiments. First dust concentration
measurements were done in order to evaluate the reproducibility of filling processes.
Experiments showed that single tests differed by 30 % and more from the average depending on dust sample and filling method. First explosion experiments with a worst-case
scenario in terms of high turbulence and homogenous dust distribution showed that the maximum reduced explosion pressures were well below the calculated values. Reduced
explosion pressures and rates of pressure rise of the hree tested dust were as their Explosion characteristics pmax and KSt let suggest.
The Euler/Lagrange and the Euler/Euler approaches were compared simulating dust/air mixtures. Especially sedimentation and the ability of the approaches to simulate the tendency of dust to stay airborne were investigated. The Euler/Lagrange approach is better
suited for simulating local dust concentrations, particle size distributions and particle forces.
With the Euler/Euler method it is possible to achieve fast solutions for one specified diameter.
The computational fluid dynamics code ANSYS CFX R14 was used for all simulations.
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Die Zerstörungsfreie Prüfung (ZfP) ist ein wichtiges Werkzeug zur Qualitätssicherung sowie zur Überwachung sicherheitsrelevanter Bauteile. In der industriellen ZfP ist das Interesse an innovativen, kostengünstigen und sicherheitssteigernden ZfP-Methoden sehr groß. Die klassische Streuflussmethode ist die Magnetpulverprüfung, die sehr sensitiv auf Mikrorisse ist. Eine zuverlässige, automatische Prüfung ist hier aber nur bedingt und mit großem Aufwand zu erreichen. Die Lösung liegt im Einsatz von Magnetfeldsensoren, die zudem eine Bewertung der Defektgeometrie aufgrund der gemessenen Rissstreufelder ermöglicht. Insbesondere GMR-Sensoren (giant magneto resistance) eignen sich hierfür aufgrund ihrer kleinen Sensorelemente, welche eine hohe Ortsauflösung ermöglichen, und der sehr guten Feldempfindlichkeit. Jedoch sind kommerzielle GMR-Sensoren nicht an die Bedürfnisse der ZfP angepasst. Daher wurden während dieser Arbeit GMR-Sensoren dahingehend optimiert, dass sie für eine automatisierte Prüfung infrage kommen. Neben dem Design und der Charakterisierung der angepassten Sensoren wurden Messungen zur Detektionswahrscheinlichkeit durchgeführt. Um die Praxistauglichkeit zu untermauern, erfolgte ein quantitativer Vergleich mit alternativen ZfP- Oberflächenmethoden, der Wirbelstrom-, Magnetpulver- und Thermografieprüfung. Zusätzlich konnte der erfolgreiche Einsatz der GMR-Streuflussprüfung in einer industriellen, automatisierten Prüfeinrichtung unter Beweis gestellt werden.
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Shape memory polymers (SMPs) can change their shape on application of a suitable stimulus. To enable such behavior, a ‘programming’ procedure fixes a deformation, yielding a stable temporary shape. In thermoresponsive SMPs, subsequent heating triggers entropy-elastic recovery of the initial shape. An additional shape change on cooling, i.e. thermoreversible two-way actuation, can be stimulated by a crystallization phenomenon. In this thesis, cyclic thermomechanical measurements systematically determined (1) the shape memory and (2) the actuation behavior under constant load as well as under stress-free conditions. Chemically cross-linked, star-shaped polyhedral oligomeric silsesquioxane polyurethane (SPOSS-PU) hybrid polymer networks and physically cross-linked poly(ester urethane) (PEU) block copolymers were investigated around the melting and crystallization temperatures of their polyester soft segments. (1) The SPOSS-PUs showed excellent shape fixities and recoverabilities of almost 100% at high cross-linking density, while PEUs exhibited pronounced shape memory properties at increased soft segment content. Furthermore, two-fold programmed SPOSS-PU specimens were able to recover their initial shape in two thermally separated events. Even a neck, which formed during deformation of SPOSS-PUs with high soft segment content, was reversed. (2) In PEUs, globally oriented crystallization on cooling drove expansion of the sample, in particular at high soft segment content and after application of a strong deformation. Melting reversed that orientation; the PEU sample contracted and thereby completed the thermoreversible actuation cycle. Under load, multiple polymorphic phase transitions enabled two successive expansion and contraction steps, while under stress-free conditions various geometric shape changes, including the increase and decrease of PEU sample length and thickness as well as twisting and untwisting could be experimentally witnessed. Such actuation technology allows for entirely new applications, enabling mimicry of reversible, bidirectional and repeated organic movements.
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A novel optical detection method for partial discharge in HV/EHV cable terminations has been proposed. Optical sensor fibres integrated into the HV equipment provide high sensitivity as well as immunity to electromagnetic interference and enable therefore on-line monitoring in electromagnetically noisy environment. The availability of optically transparent silicone rubbers that meet strict dielectric and mechanical criteria is a crucial prerequisite for the implementation of this method. The optically transparent silicone rubbers can be applied for the fabrication of a modern rubber stress cone as well as for the development of a new optical sensing element sensitive to PD activities. In this thesis, AC dielectric strength behaviour and mechanical properties of three types of commercially available silicone rubbers were investigated. One of the characterized silicone rubbers was a translucent type whereas the two others were optically transparent types, however with different chemical curing reactions. The measurements of tensile strength and elongation at break were carried out according to the ISO 37 standard. For investigation of the dielectric strength Eb behaviour of the virgin and modified silicone rubbers, a new methodology was developed. It is, at the same time, highly reliable and efficient, saves time and reduces material consumption in comparison to previously reported methodologies. The key component of this methodology is a specifically developed test facility. Furthermore, the methodology comprises determinations for easy preparation and handling of high-quality test specimens. This test method provides various advantages over other methods that have previously been used for measurement of the fundamental quantity Eb value of silicone rubbers. Both technical and economic demands are satisfied. The new facility also enables cost-effective routine tests in material research laboratories. The high quality of the obtained test results was verified by statistical analysis based on the 2-parameter Weibull distribution function. The investigations revealed that the virgin translucent silicone rubber has a large elastic region with an acceptable plastic deformation and also provides an AC 50 Hz dielectric strength of approximately 24 kV/mm for 0.5 mm thickness. These values enable considering the tested translucent silicone as replacement material for an opaque elastomer that is currently used for a rubber stress cone of HV cable accessories Unfortunately, its optical transmittance is poor compared to optically clear transparent silicone rubbers. On the other hand, the mechanical properties of virgin transparent silicone rubbers do not comply with those demanded from push-on stress cones. In particular, their elongation at break is considered too low for that application. However they provide the AC dielectric strength values in either 28 kV/mm or 29 kV/mm for 0.5 mm thickness, which are higher than those of the translucent type. Moreover, it was found that the post-curing process does not provide a positive impact on the ultimate elongation of silicone rubbers. Hence, the elongation at break of virgin transparent silicone rubbers must be improved before they can be used as insulating material for a rubber stress cone. In addition, the influence of mechanical tensile stress on the dielectric strength of the virgin translucent silicone rubber was investigated. The results show that mechanical tensile stress does not negatively influence on dielectric strength of such silicone rubber, so it can be well-operated under combined electrical and mechanical stresses. Beside the improvement of optical PD detection performance in the translucent silicone insulation materials, the influence of fluorescent dye’s modification was investigated. The results indicate that the commercially available fluorescent dyes of 0.02 wt. % mixed into the translucent silicone polymer do not negatively influence on the Eb value of such silicone material. So an optically compatible silicone rubber is perfectly suitable for the fabrication of novel fluorescent silicone optical fibres, which can be integrated into the modified transparent rubber stress cones of HV cable terminations. The final outcomes of this investigation are experimentally substantiated recommendations for future revision of IEC 60243-1, especially the chapter dealing with the determination of AC dielectric strength of silicone rubbers. Recommendations and suggestions for further investigations are addressed in the final chapter of this thesis.
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Black fungi are recently described microorganisms and amongst the most stress-tolerant eukaryotes currently known. They are a taxonomically diverse, but morphologically similar group of filamentous fungi that share two distinct signature characteristics, i.e. melanisation of the cell wall and compact colony morphology, which confer them passive, constituent extremotolerance. Albeit morphologically undifferentiated, black fungi show extensive phylogenetic and ecological diversity. Due to their persistence in unfavourable niches, they are ubiquitous on deserts and in glaciers and are permanent settlers of rock and other atmosphere-exposed material surfaces as well as man-made environments like salterns, humidifiers and dishwashers, and thus widespread in temperate regions worldwide. Some members are devastating opportunistic pathogens of invertebrates or vertebrates, including humans; others show symbiotic potentials with co-occurring microorganisms in extreme ecosystems. Beside their interest for fundamental biology, black fungi are important for several applied applications, e.g. in biotechnology, astrobiology, bioremediation and material preservation. Despite recent advances in the study of these fungi, many biological questions remain to be clarified regarding the molecular mechanisms underlying persistence, their physiology and nutritional modes, and their specific interactions with putative symbiotic partners. Models for pathogenic and halotolerant black fungi are established; however, no model was yet available for rock- and material-inhabiting ones. This thesis introduces the strain Knufia petricola A95 as a suitable model to study rockinhabiting lifestyle. For this purpose, the strain was characterised at the physiological and molecular levels by phenotype microarrays, growth experiments and genome analyses as well as further methods. Cell- wall mutants of K. petricola A95 isolated during the course of this study were described and included in the comparative analysis to investigate effect of melanisation on physiology and stress tolerance. Direct comparisons were also performed between the model strain and the phylogenetically distant but ecologically, biogeographically and morphologically highly similar rock inhabitant Coniosporium apollinis. Preliminary observations of a model biofilm of K. petricola A95 and the photosynthetic cyanobacterium Nostoc punctiforme ATCC 29133 are introduced to study symbiotic interactions of rock-inhabiting microorganisms. Data presented here are a contribution to the understanding of ecophysiology and extremotolerance of rock-inhabiting black fungi.
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Seit der erstmaligen erfolgreichen Isolierung von Graphen gilt das zweidimensionale Kohlenstoff Nanomaterial mit der Dicke eines Atoms als vielversprechender Füllstoff für multifunktionale Polymerwerkstoffe. Die Multifunktionalität beinhaltet auch die erwartete Flammschutzwirkung von Graphen Nanopartikeln. In der vorliegenden Arbeit wurde Graphen hinsichtlich seiner Flammschutzwirkung und seines Einflusses auf Werkstoffeigenschaften wie die elektrische Leitfähigkeit in Polymer Nanokompositen charakterisiert. Durch den Vergleich mit anderen, kommerziell erhältlichen, Kohlenstoffmaterialien mit unterschiedlicher Morphologie (sphärisch, Röhren, dicke Plättchen aus 50 bis 100 Graphen Lagen und dünne Schichten aus 10 Graphen Lagen) wurde die Effektivität von Graphen eingeordnet und Rückschlüsse über die Struktur-Eigenschafts-Beziehungen zwischen Partikelmorphologie und Nanokomposit Merkmalen gezogen. Graphen wurde mit halogenfreien Flammschutzmitteln, die Vertreter der unterschiedlichen Flammschutzmechanismen (chemische und physikalische Wirkungsweise, Gas- und Festphasenaktivität) sind, kombiniert. Dabei wurde die Einsatzmöglichkeit von Graphen als Hilfsstoff zur Verbesserung der Flammschutzwirkung der verwendeten halogenfreien Systeme untersucht. Die Untersuchungen umfassten den thermischen Abbau, die Entflammbarkeit und das Verhalten während einer erzwungenen Verbrennung, aber auch Schlüsselexperimente. Die Schlüsselexperimente führten zum tieferen Verständnis der beobachteten Brandeigenschaften durch die Aufklärung von Wirkmechanismen und Struktur-Eigenschafts-Beziehungen. Die teilweise selbstkonzipierten und –entwickelten Schlüsselexperimente umfassten das rheologische Verhalten, die Partikelverteilung, die Wärmeabsorption und –leitfähigkeit, die strukturelle Qualität des Brandrückstandes und den Temperaturverlauf innerhalb und an der Rückseite einer brennenden Probe. Der dünne Schichtpartikel Graphen war besser in der Polymermatrix dispergiert als die zu vergleichenden Kohlenstoffmaterialien. Graphen bildete bei vergleichsweise niedrigeren Konzentrationen ein zusammenhängendes Partikelnetzwerk aus, das für die elektrische Leitfähigkeit der Komposite verantwortlich ist und die Viskosität der Polymerschmelze erhöhte. Durch das Zusammenwirken von erhöhter Schmelzviskosität und dem Labyrinth Effekt des Partikelnetzwerkes verschob Graphen den Beginn des Polymerabbaus am deutlichsten zu höheren Temperaturen. In den Entflammbarkeitstests Sauerstoffindex und UL 94 führte die erhöhte Schmelzviskosität aufgrund fehlenden Abfließens und Abtropfens zur vermehrten Bereitstellung von Brennstoff und abhängig vom Matrixpolymer teilweise zu einer Verschlechterung der Einstufung. Die ausschließlich festphasenaktive Flammschutzwirkung von Graphen beruhte auf der Bildung einer Rückstandschicht, die aus den jeweiligen Kohlenstoffpartikeln bestand und als Hitzeschild wirkte. Im Vergleich zu den anderen Kohlenstoffmaterialien hatte die Rückstandsstruktur der Graphen Komposite eindeutig die höchste Qualität und reduzierte die (maximale) Wärmeabgaberate am stärksten. In Kombination mit den halogenfreien Flammschutzsystemen bestimmte das Wirkprinzip der einzelnen Systeme die Verwendbarkeit von Graphen als Hilfsmittel. Ein kommerzielles, intumeszentes Flammschutzmittelsystem reagierte sehr empfindlich auf die durch Graphen erhöhte Viskosität der kondensierten Phase und tolerierte nur sehr geringe Graphenmengen ohne Verschlechterung der Intumeszenz. In einem gasphasenaktiven Flammschutzmittel fügte Graphen durch Rückstandsbildung einen Festphasenmechanismus hinzu und senkte die Brandausbreitung und somit das Brandrisiko noch einmal deutlich. Graphen und ein rückstandsbildendes Metallhydroxid verstärkten sich synergistisch hinsichtlich der Rückstandsqualität und der Entflammbarkeitstests. Mit den erhaltenen Ergebnissen ist eine umfassende Charakterisierung der Struktur-Eigenschafts- Beziehungen zwischen Partikelmorphologie und Kompositeigenschaften und die Einordnung von Graphen in die Reihe der Kohlenstoff-Nanopartikel möglich. Die aufgeklärten Wirkprinzipien von Graphen in Nanokompositen, wie auch in Kombination mit unterschiedlichen Flammschutzsystemen, bilden die Grundlage für eine weitere Optimierung des zweidimensionalen Kohlenstoff-Nanomaterials Graphen als Flammschutzmittel.
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Thermal and Dynamic Glass Transition in Ultrathin Films of Homopolymers and a Miscible Polymer Blend
(2014)
Nowadays nanoscale thin polymer films are widely used in many fields like coatings, membranes, sensors, electronic devices and so on. Meanwhile, a lot of research work has evidenced the fact that many physical properties (glass transition, crystallization, dewetting, physical aging, etc.) of ultrathin polymer films show strong deviations from their bulk behavior. Since the aforementioned properties of polymer are closely related to their application and functionality, the discrepancies motivated us to obtain a more complete understanding of how nanoscale confinement affects the physical properties of polymer. The research work presented in this thesis is focused on understanding how the free surface (air- polymer interface), the polymer-substrate interface and the film thickness influence the glass transition temperature (Tg) and the related segmental dynamics (α-relaxation process) in both homopolymers and miscible polymer blends of thin films. Complementary experimental techniques including Differential Scanning Calorimetry (DSC), Capacitive Scanning Dilatometry (CSD), Broadband Dielectric Spectroscopy (BDS) and Specific Heat Spectroscopy (SHS) have been used to investigate the glass transition of thin polymer films from both the thermodynamic and the kinetic point of view. In the thesis the film thickness dependence of Tg and segmental dynamics of different thin polymer films have been investigated. For ultrathin polycarbonate (PC) films capped between two aluminum (Al) layers an increase of both the glass transition temperature (Tg) and Vogel temperature (T0) with decreasing film thickness (d) was observed when the thickness became lower than 20 nm. The segmental relaxation time at a fixed temperature was found to increase for the ultrathin PC film of 19 nm measured by BDS, whereas no thickness dependency of the segmental dynamics was detected within the experimental error limit for the PC films supported on silicon dioxide (SiO2) (10-192 nm) in the SHS measurements. These properties are discussed in terms of the thin film geometry and the relevant interfacial interaction between the polymer and the substrate. In the case of thin polystyrene (PS) films with high molecular weight (Mw), Tg is decreasing with reducing film thickness while the segmental dynamics is independent of film thickness. Moreover, the effects of the Mw and the annealing protocol performed on thin PS films on their Tg and segmental dynamics is studied. In the part of thin poly(vinyl methyl ether) (PVME) films, no thickness dependence of the segmental dynamics was observed in the SHS measurements. The last part of the thesis was concentrated on the thin films of a miscible polymer blend, PS/PVME with the weight fraction of 50/50. It was observed that the segmental dynamics became faster with reducing the film thickness. This phenomenon is explained in terms of surface enrichment of PVME in the polymer blend system where PVME has a lower surface energy than PS. The segmental dynamics of the PVME-enriched free surface layer are faster than the bulk dynamics. Such free surface effect becomes so predominant with reducing the film thickness that it affects the segmental dynamics of the whole films detected by SHS using differential AC chip-based calorimetry. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) was used to probe the surface composition in order to confirm such surface enrichment phenomena.
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Ultrasonic guided waves offer a wide range of applications in fields such as non-destructive testing, structural health monitoring or material characterization. They can be excited in thin-walled structures and propagate over comparably long distances. Due to their complex and dispersive propagation behavior, numerical methods are often required in order to analyze the guided wave modes that can be excited in a given structure and to simulate their interaction with defects. In the work presented in this thesis, highly efficient numerical methods have been developed that are specifically optimized for guided wave problems. The formulation is based on the Scaled Boundary Finite Element Method (SBFEM). The SBFEM is a semi-analytical method which evolved from the concept of Finite Elements but requires the discretization of the boundary of the computational domain only. To compute dispersion curves and mode shapes of guided waves, only the cross-section of the waveguide is discretized in the Finite Element sense, while the direction of propagation is described analytically. The wavenumbers of guided wave modes and the corresponding mode shapes are obtained as the eigenvalues and eigenvectors of a frequency-dependent Hamiltonian matrix. For the discretization, higher-order spectral elements are employed, leading to very low computational costs compared to traditional Finite Elements. Particular formulations are presented for plate structures as well as axisymmetric waveguides, where only the throughthickness direction has to be discretized. For the cases where the waveguide is embedded in or coupled to a quasi-infinite medium, a dashpot boundary condition is proposed in order to account for the effect of waves being transmitted into the surrounding medium. Though this approach is not exact, it leads to sufficiently accurate results for practical applications, while the computational costs are typically reduced by several orders of magnitude compared to other Finite Element based approaches. As a particular application, an experimental set-up for material characterization is discussed, where the elastic constants of the waveguide’s material are obtained from the analysis of waves propagating through the waveguide. A novel solution procedure is proposed in this work, where each mode of interest is traced over the required frequency range. The solutions are obtained by means of inverse iteration. To demonstrate the potential of the SBFEM for non-destructive testing applications, the interaction of guided wave modes with cracks in plates is simulated in the time domain for several examples. Particularly for the modeling of cracked structures, the SBFEM is very well suited, since the side-faces of the crack do not require discretization and the stress-singularity at the crack tip does not introduce additional difficulties. Hence, the computational costs can be reduced by typically a factor 100 compared to traditional Finite Elements and the meshing is straightforward.
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Fichtenholz wird häufig als energieabsorbierendes Material in Stoßdämpfern von Transportbehältern für radioaktive Stoffe eingesetzt. Bei der vorgeschriebenen Fallprüfung aus 9 m Höhe auf ein unnachgiebiges Fundament erfährt das Fichtenholz im Stoßdämpfer eine dynamische Druckbelastung, wobei die seitliche Ausdehnung durch eine Blechkapselung eingeschränkt ist. Das Ziel dieser Arbeit war es, auf der Grundlage einer experimentellen Charakterisierung ein Materialmodell für Fichtenholz zur Berechnung solcher Lastfälle zur Verfügung zu stellen. Die experimentellen Untersuchungen zur Charakterisierung von Fichtenholz bestanden aus ca. 600 Druckversuchen an würfelförmigen Fichtenholzproben mit einem Stauchgrad von bis zu 70 %. Das Material wurde dabei als transversal isotrop angenommen. Insbesondere die Querdehnungsbehinderung konnte als ein relevanter Einflussfaktor auf die Materialcharakteristik identifiziert werden: Ohne Querdehnungsbehinderung dehnt sich das Material sowohl bei Last parallel als auch senkrecht zur Faser stark seitlich aus. Die Druckkraft- Verformungs-Verläufe weisen ein vergleichsweise geringes Kraftniveau und keine bzw. eine kaum ausgeprägte Verfestigung auf. Parallel zur Faser findet außerdem nach dem linear-elastischen Bereich eine starke Entfestigung statt. Eine Behinderung der Querdehnung führt zu einem deutlichen Anstieg des Druckkraftniveaus, einer stark ausgeprägten Verfestigung und lateral wirkenden Kräften. Die Entfestigung bei Last parallel zur Faser ist vergleichsweise gering ausgeprägt. Dehnrate und Temperatur haben festigkeitssteigernde bzw. festigkeitsverringernde Einflüsse, die im für Stoßdämpfer relevanten Bereich quantifiziert wurden. Anhand der experimentellen Erkenntnisse wurde die Hypothese der entkoppelten Fließflächenevolution aufgestellt, die von einer unabhängigen Festigkeitsentwicklung bei deviatorischer und volumetrischer Verformung ausgeht. Die Hypothese konnte mit einer Modifikation des Materialmodells MAT_075 aus dem FE-Code LS-DYNA bestätigt werden. Auf dieser Basis wurde anschließend ein transversal isotropes Materialmodell für Fichtenholz neu entwickelt und in LS-DYNA implementiert. Die Charakteristika von Fichtenholz unter Druckbelastung wurden in einer 15-flächigen Fließbedingung und einer nicht-assoziierten Fließregel umgesetzt. Die Fließbedingung berücksichtigt Mehrachsigkeiten des Druckspannungszustands durch eine lineare Interpolation der aus den Druckversuchen mit und ohne Querdehnungsbehinderung abgeleiteten Festigkeiten. Nachrechnungen der Druckversuche zeigten eine gute Abbildung der grundsätzlichen Festigkeitscharakteristik von Fichtenholz durch das Modell. Der für blechgekapselte Stoßdämpfer sehr bedeutsame Einfluss der Querdehnungsbehinderung kann durch die entkoppelte Evolution der Fließfläche angemessen wiedergegeben werden. Bei Last unter spitzen Faserwinkeln werden die Festigkeiten vom Modell jedoch überschätzt, was durch eine Anpassung der Druckfließflächen verhindert werden könnte. Die Einflüsse von Dehnrate und Temperatur können grundsätzlich nachgebildet werden, die verwendeten Skalierungsfaktoren sollten aber überarbeitet werden. Die Nachrechnung eines Behälterfallversuchs mit holzgefüllten Stoßdämpfern bestätigte die grundsätzliche Anwendbarkeit des Modells und zeigte plausible Rechenergebnisse. Für ein verifiziertes Stoßdämpfermodell sind weitere experimentelle und numerische Arbeiten erforderlich, wie z. B. die Untersuchung von Reibkoefizienten und Versagensparametern. Die Arbeit leistet mit dem transversal isotropen Materialmodell einen wichtigen Beitrag für die numerische Beanspruchungsanalyse bei der sicherheitstechnischen Begutachtung von Transportbehältern für radioaktive Stoffe.
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Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit der Erstarrungsrissbildung beim einlagigen Laser- MSG-Hybridschweißen von Bauteilen mit Wandstärken zwischen 9mm und 14,5 mm. Der Fokus liegt dabei zum einen auf Einflüssen durch die Schweißparameter und zum anderen auf der Wirkung von mechanischer Randbedingungen. Dazu wurden experimentelle und numerische Untersuchungen durchgeführt. Bei den Experimenten wurden Laser-MSG-Hybridschweißungen unter Verwendung eines Scheibenlasers mit 16kW Ausgangsleistung an Rohren aus Feinkornbaustahl erstellt. Im Rahmen der statistischen Versuchsplanung wurden an Einschweißungen die Schweißparameter Schweißgeschwindigkeit, Drahtvorschubgeschwindigkeit und Laserleistung variiert und die resultierende Rissanzahl im Röntgenbild ausgewertet. Bezüglich der konstruktiven Einflüsse wurden Schweißungen mit variierenden Steifigkeiten in Nahtquerrichtung und Nahtlängsrichtung, unterschiedlichen Vorspannkräften und an verschiedenen Werkstoffen realisiert. Der Fall der Schrumpfungsbehinderung wurde durch den Vergleich von durchgeschweißten und eingeschweißten Proben analysiert. Anhand eines Schweißsimulationsmodells der Rohrschweißungen ließen sich die Spannungen und Dehnungen in den risskritischen Bereichen während der Schweißungen ermitteln. Dies erlaubt eine Interpretation der experimentell festgestellten Wirkungen der verschiedenen Einflussfaktoren. Zusätzlich wurde ein Modell von Laserstrahlschweißungen im IRCRahmen aufgebaut, mit dem ein experimenteller Fall mit sehr fester, externer Schrumpfungsbehinderung aus der Literatur näher untersucht werden konnte. Ein stark vereinfachtes Modell einer schrumpfenden Schweißnaht wurde überdies genutzt um die komplexen Reaktion sinnvoll einordnen zu können.