BAM Forschungsberichtreihe
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31
Die für eine Vielfalt von konstruktiven Aufgaben einsetzbaren Kunststoffe werden auch bei möglichen Dauerwechselbeanspruchungen verwendet. Angaben für thermoplastische Kunststoffe liegen zu den hier ausgewählten Werkstoffen für technische Konstruktionen vor. Nach einer kritischen Durchsicht veröffentlichter Ergebnisse von Wechselfestigkeitsuntersuchungen wird die Konstruktion einer Prüfmaschine vorgestellt, die bei vorgegebener Wechselverformung eine Dauerbeanspruchung von Probekörpern begrenzter Steifheit bei Regelung der vorgegebenen Mittelkraft und Beanspruchungsfrequenz und geringem Energieverbrauch zuläßt. Eine Registrierung der Meßwerte ist beim Einlaufvorgang und bei der Dauerbeanspruchung möglich.
An den Materialien PA 6, PA 6 KR 1313, PA 6+25 % GF, PA 66 und POM CP wurde das Verhalten thermoplastischer Kunststoffe während der Wechselbeanspruchung bis zum Bruch der Proben untersucht. Die Messwerte konnten mit Annahmen und Ergebnissen thermischer Vorversuche auf einem Großrechner korrigiert und zur Beschreibung des wirklichen Probenverhaltens ausgewertet werden.
Die Ergebnisse weisen auf interessante Eigenheiten der thermoplastischen Kunststoffe und zeigen zum Teil Abweichungen gegenüber Literaturangaben. Diese werden damit hinsichtlich ihrer teilweise widersprechenden Aussagen über den Verlauf der Wöhlerkurven und eines Temperatur- wie Beanspruchungsfrequenzeinflusses verständlicher. Der Dauerwechseldehnungsversuch ist mit seiner intensiven Materialbeanspruchung zur Klärung struktureller Zusammenhänge thermoplastischer Kunststoffe wie auch zur Förderung eines besseren Verständnisses und damit besseren Nutzung dieser modernen Konstruktionswerkstoffe geeignet.
Alle untersuchten Materialien zeigen im Einlaufbereich der Wechselbeanspruchung eine temperaturabhängige Abnahme des E-Moduls.
Das ausgeprägt unterschiedliche Verhalten der hier gewählten thermoplastischen Kunststoffe bei andauernder Wechseldehnungsbeanspruchung wird bei ihrer Verwendung für technische Konstruktionen mit deren durch Form, Kraft und Temperatur bedingten ungleichen Dehnungen im Vergleich mit einer Stahlkonstruktion zu ebenso unterschiedlichen Beanspruchungen des Bauteils führen.
219
Ausgehend von einer kurzen Einführung in die Problematik von Dauerschwingversuchen an Polymerwerkstoffen werden Prüfergebnisse aus der Umlaufbiegung an Hohlzylinderproben für eine breite Palette von Thermoplasten und ihren Verbunden vorgestellt. Die Ergebnisse werden hinsichtlich des Einflusses der Glasfaserverstärkung sowie der Kerbwirkung von Bohrungen diskutiert.
97
62
104
Zusätze von wässrigen Kunststoffdispersionen verändern Festbetoneigenschaft, haben aber auch Einfluss auf die Verarbeitbarkeit des Frischbetons. Die Ergebnisse der Untersuchungen geben Anhaltspunkte dafür, wie solche Betone bei extremen, aber in der Praxis zu erwartenden klimatischen Beanspruchungen reagieren.
77
244
Die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung mittels Ultraschall ist für akustisch anisotrope Medien vergleichsweise schlecht entwickelt: Schallbündel werden in diesen Materialien in charakteristischer Weise verändert, in dem Divergenz, Ausbreitungsrichtung und Modenwandlung von ihrem Verhalten in isotropen Medien abweichen. Demgemäss werden Komponenten aus glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) wenn überhaupt nur mit simpelsten Methoden ultraschallgeprüft: Longitudinalwellen in Senkrechteinschallung. In der vorliegenden Arbeit wird gezeigt, dass auf einfache Weise Vorhersagen über Schallbündelablenkung, Richtung der Energieausbreitung und Brechungswinkel für Ultraschall ableitbar sind, die sich auch am Beispiel einachsig (unidirektional) glasfaserverstärkten Kunststoffes (UD-GFK) experimentell verifizieren lassen.
292
Mechanisch erzeugte Schlagfunken stellen in explosionsgefährdeten Bereichen eine potentielle Zündquelle dar. Eine Vielzahl von mechanischen und reaktionskinetischen Einflüssen verursacht dabei eine komplexe Interaktion von Parametern, von deren Auswirkung auf die Zündwahrscheinlichkeit bislang wenig bekannt ist. Die statistisch erfassten Eigenschaften von Schlagfunken in dieser Untersuchung lassen auf stochastische Prozesse schließen, bei denen die Anzahl der durch einen Schlagprozess abgetrennten Partikel und deren Oxidationsverhalten sowie die Höhe der kinetischen Schlagenergie entscheidenden Einfluss auf die Zündwahrscheinlichkeit hat.
Statistisch belastbar konnte in Ergänzung zum BAM Forschungsbericht 279 durch empirische Untersuchungen erstmals die Zündwahrscheinlichkeit von mechanisch erzeugten Stahl-Schlagfunken mit der Werkstoffpaarung unlegierter Stahl/unlegierten Stahl von W = 3 Nm bis 277 Nm ermittelt werden. Ferner wurde die Zündfähigkeit von durch energiereiche Schlagvorgänge (≥ 190 Nm) abgetrennten nicht oxidierten Partikeln erhöhter Temperatur in überstöchiometrischen Gemischen nachgewiesen. Während eine eindeutige Korrelation von Schlagenergie und Zündwahrscheinlichkeit sowie eine Korrelation von Schlagenergie und Anzahl abgetrennter Partikel festgestellt wurden, lieferte die Untersuchung in Hinblick auf die gemessenen einzelnen Parameter (wie z. B. Anzahl, Größe, Geschwindigkeit, mögliche Oxidation und Oxidationszeit und –verhalten der Partikel im Zusammenhang zur Schlagenergie und zur Zündwahrscheinlichkeit) kein eindeutiges Ergebnis. Auch eine Hauptkomponentenanalyse (PCA), die die Interaktion der einzelnen Parameter berücksichtigt, konnte keine spezifische Kombination messbarer Eigenschaften der Partikel finden, die mit einer deutlichen Erhöhung der Zündwahrscheinlichkeit korreliert.
279
Geräte für den bestimmungsgemäßen Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen müssen die Anforderungen der europäischen Richtlinie 94/9/EG (Explosionsschutzrichtlinie) erfüllen. Die Erfüllung dieser Anforderungen wird in der EG-Konformitätserklärung des Herstellers dokumentiert. Grundlage für die Bewertung der Konformität ist die Zündgefahrenbewertung, die im Wesentlichen die Identifizierung und Bewertung möglicher Zündquellen beinhaltet. In den der Richtlinie 94/9/EG nach geordneten einschlägigen Normen, z. B. EN 1127-1 und EN 13463-1 ff., sowie in der BGR 104 (Regeln für das Vermeiden der Gefahren durch explosionsfähige Atmosphäre mit Beispielsammlung (Explosionsschutz-Regeln - EX-RL) sind die 13 möglichen Zündquellenarten aufgelistet. Die mechanisch erzeugten Funken stellen hierbei eine von diesen möglichen Zündquellenarten dar.
Aussagen über die Zündwirksamkeit und insbesondere Zündwahrscheinlichkeit von mechanisch erzeugten Schlagfunken in Abhängigkeit von der jeweiligen Brenngas/Luft- Atmosphäre bei bekannter kinetischer Schlagenergie lassen sich nach dem bisherigen Kenntnisstand nur sehr vage formulieren. Eine umfangreiche Literaturrecherche auf diesem Gebiet bestätigte diesen Mangel, der sowohl bei der Zündgefahrenbewertung als auch bei der Erstellung und Novellierung des für den Explosionsschutz einschlägigen Regelwerkes problematisch ist.
Im Maschinenbau und in der Verfahrenstechnik werden zum Bau u. a. von nichtelektrischen Geräten und Schutzsystemen zur bestimmungsgemäßen Verwendung in explosions-gefährdeten Bereichen häufig Baustähle verwendet. Daher war es das Ziel der Forschungsarbeit, statistisch gesicherte Werte für die Zündwahrscheinlichkeit von Stahl-Schlagfunken in Abhängigkeit von der kinetischen Schlagenergie und der Mindestzündenergie der verwendeten Brenngas/Luft-Gemische zu ermitteln. Die Untersuchungen zur Entstehung mechanisch erzeugter zündfähiger Schlagfunken erfolgten mit Hilfe von Schlagfunkenmaschinen bei drei kinetischen Schlagenergiewerten.
Folgende Ergebnisse wurden für die Referenzbrenngase der IEC-Explosionsgruppen bei unterschiedlichen Gemischzusammensetzungen mit Luft erzielt:
1. Unterhalb der kinetischen Schlagenergie von 3 Nm konnten mit der im Rahmen dieser Untersuchung angewendeten Schlagkinematik und Schlaggeometrie keine zündfähigen mechanisch erzeugten Stahl-Schlagfunken erzeugt werden.
2. Bereits mit einer kinetischen Schlagenergie von 10 Nm konnten einzelne mechanisch erzeugte Stahl-Schlagfunken durch Oxidationsvorgänge des abgetrennten Teilchens zur gefährlichen Zündquelle werden. Die Versuche haben weiterhin gezeigt, dass dies für Brenngasgemische der IEC-Explosionsgruppe IIC (z. B. Acetylen und Wasserstoff) mit Luft mit einer Zündwahrscheinlichkeit im einstelligen Prozentbereich zutrifft. Literaturangaben zufolge können Explosionen aber auch für Brenngasgemische der Explosionsgruppe IIB (z. B. Ethylen) mit Luft nicht sicher ausgeschlossen werden.
3. Mit der vergleichsweise hohen kinetischen Schlagenergie von 190 Nm wurden alle Brenngas/Luft-Gemische unabhängig von einer stattfindenden Oxidation des Teilchens durch einen einzigen Schlagvorgang zur Explosion gebracht. Dabei lag die Zündwahrscheinlichkeit bei 100 % für Brenngasgemische der IEC-Explosionsgruppe IIC mit Luft. Für Brenngasgemische der IEC-Explosionsgruppen IIA (z. B. Propan und Benzindampf) und I (z. B. Methan) mit Luft fiel die Zündwahrscheinlichkeit bis in den einstelligen Prozentbereich ab.
Die experimentellen Untersuchungen haben weiter gezeigt, dass die Zündfähigkeit mechanisch erzeugter Funken grundsätzlich von einer Vielzahl von Einflussgrößen abhängig ist. Eine Interpolation der Ergebnisse zwischen den kinetischen Schlagenergien von 10 Nm und 190 Nm ist daher nicht möglich.
Für zukünftige Untersuchungen ist deshalb eine Fortführung der Arbeiten u. a. mit weiteren kinetischen Schlagenergien vorgesehen. Diese Ergebnisse können ferner zur Validierung von numerischen Simulationen herangezogen werden.
165
An Proben aus der Produktion wurde die Abhängigkeit der Emission vom Zeitpunkt der Probenahme, die Korrelation zu bestehenden Prüfverfahren durch Extraktion und der Einfluss des Klimas untersucht. Es zeigt sich, dass die Luftfeuchtigkeit einen großen Einfluss uf die Formaldelhyd-Emission hat. Ein Prüfverfahren zur Bestimmung der Ausgleichskonzentration von Formaldehyd wird vorgeschlagen.