Aging and long-term performance of elastomers for utilization in harsh environments

Publikationen: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

Abstract

Trotz des bemerkenswerten Wachstums im Bereich der alternativen Energiequellen wird jedoch der weltweite Energiebedarf in naher Zukunft nur mit Hilfe der Unterstützung von fossilen Brennstoffen gedeckt werden können. Dies stellt die Öl- und Gasindustrie vor neue Herausforderungen um tiefere Rohstoffreservoirs zu erschließen und konfrontiert die eingesetzten Materialien mit immer extremeren Einsatzbedingungen. Elastomere sind aufgrund ihrer intrinsischen Eigenschaften eine unverzichtbare Werkstoffklasse im Bereich der Erdöl und Erdgasindustrie. Die Funktion und Eigenschaften der eingesetzten Komponenten sowie die Lebensdauer der Bauteile werden durch die vorherrschenden Arbeitsbedingungen stark beeinflusst. Diese Arbeit befasst sich mit hydriertem Nitril-Butadien-Kautschuk (HNBR) welcher als Dichtungsmaterial in Öl- und Gasanwendungen eingesetzt wird und betrachtet die Ergebnisse im Rahmen dreier Hauptbereiche: (i) thermo-oxidatives altern, (ii) quellinduziertes altern und (iii) Einsatz unter extremen Umgebungsbedingungen. Im Rahmen der experimentellen Untersuchungen wurden klassische Versuchsaufbauten zur Prüfung der Zug- sowie Weitereißeigenschaften und dynamischen Methoden zur Analyse des dynamisch mechanischen Verhaltens implementiert. Darüber hinaus erfolgte die Charakterisierung der Materialien im Bereich des Wiederstands gegen explosive Dekompression (RGD Verhalten) sowie die Untersuchung des tribologischen Verhaltens von Dichtungen auf Bauteilebene in unterschiedlichen Kontaktsituationen. Des Weiteren wurden basierend auf den unterschiedlichen Materialzusammensetzungen und Füllstoffen der Einfluss mikrostruktureller Veränderungen und mögliche Schadensmechanismen analysiert. Durch die thermo-oxidative Alterung konnte eine deutliche Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften (Zugfestigkeit, Bruchdehnung, Reißfestigkeit) und Verringerung der Dämpfungseigenschaften sowie eine Erhöhung der Steifigkeit festgestellt werden. Im Kontrast zu den eindeutigen Ergebnissen (Verschlechterung) der mechanischen Eigenschaften wurde der Widerstand gegen die RGD mit thermisch gealterten Materialien verbessert. Es erfolgte eine Absorption der im Kontakt befindlichen Flüssigkeiten, durch die eingesetzten Materialien, und somit eine Veränderung der Morphologie und damit eine Veränderung der Materialeigenschaften. Dieser Einfluss konnte auch durch die Quellversuche mit unterschiedlichen Flüssigkeiten gezeigt werden, wobei es zu einer deutlichen Verschlechterung der Oberflächeneigenschaften gekommen ist. Im Vergleich dazu, konnte jedoch der Wiederstand gegen RGD im gequollenen Zustand erhöht werden, da beide Phänomene, die Flüssigkeitsaufnahme sowie die Lösung des Gases in den Werkstoff beinhalten. Nach erfolgter vollständiger Rücktrocknung der Proben wurden die mechanischen Eigenschaften erneut gemessen und annähernd die gleiche Materialperformance gemessen. Jedoch konnte eine deutliche Beeinträchtigung der Oberflächeneigenschaften gemessen werden und somit eine Verschlechterung der tribologischen Performance. Im Allgemeinen verbessert die Zugabe von CB die mechanischen Eigenschaften von Elastomer Werkstoffen wobei die Oberfläche, Größe und Form der Füllstoffaggregate und Agglomerate entscheidende Faktoren bei der Bildung von Füllstoff-Füllstoff und Füllstoff-Gummi Wechselwirkungen sind. Während der Charakterisierung konnte jedoch ein negativer Einfluss auf die RGD Beständigkeit aufgrund einer höheren Füllstoffoberfläche des verwendeten CB festgestellt werden. Die durchgeführten Untersuchungen zeigten, dass die Umgebungsfaktoren sowie die Materialqualität und Zusammensetzung der Werkstoffe einen signifikanten Einfluss auf die RGD-Beständigkeit haben. Des Weiteren, werden die in dieser Studie gewonnenen Informationen für zukünftige Materialmodellierungen und Bauteilsimulation zur Bestimmung möglicher Schäden im Einsatz und Standzeiten unter realen Arbeitsbedingungen impl

Details

Titel in ÜbersetzungAlterung und Langzeitverhalten von Elastomeren für den Einsatz in rauen Umgebungen
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDr.mont.
Gradverleihende Hochschule
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Briatico Vangosa, Francesco, Beurteiler B (extern), Externe Person
  • Pinter, Gerald, Beurteiler A (intern)
StatusVeröffentlicht - 2019