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f+h fördern und heben 9/2021

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f+h fördern und heben 9/2021

Spez. Wärmestrom [W·g

Spez. Wärmestrom [W·g -1 ] FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG SERIE Anlass für die im Folgenden dargestellten Wärmebehandlungsexperimente. Die PE-HM-Faser Typ Dyneema SK78 wurde von Raumtemperatur bis 105, 125 und 145 °C aufgeheizt, die jeweilige Temperatur zwei Minuten gehalten und anschließend wurden die Proben definiert wieder auf Raumtemperatur abgekühlt. Die Wärmebehandlung soll simulieren was passieren würde, wenn ein Faserseil aus dem Material kurzzeitig einen Temperatureintrag in der Höhe erfahren würde. Der Vergleich der Aufheizkurven der ersten Aufheizung der unbehandelten und der wärmebehandelten Proben zeigen die Auswirkungen der unterschiedlichen Wärmebehandlungen auf das Gefüge der Faser (Bild 09). Das Gefüge der Faser verändert sich charakteristisch mit der Höhe des Temperatureintrags, es kommt zu Umkristallisationsprozessen. Nach der Wärmebehandlung bei 145 °C ist nur noch ein verschwindender Anteil der scherorientierten Gefügestruktur vorhanden und nahezu die ganze Kristallinität hat sich umgebildet zu einer sphärolithischen Struktur, vergleichbar der nach dem Erstarren des Faserwerkstoffs aus der Schmelze (DSC-Thermogramm, 2. Aufheizung). Die Ergebnisse aus Bild 09 zeigen, dass ein hoher Temperatureintrag in PE-HM-Fasern unbedingt vermieden werden muss, ansonsten führt das zu möglichen Umkristallisationsprozessen in der Faser und einem damit verbundenen Verlust an Steifigkeit und Festigkeit. Die Hochleistungsfaser wird durch eine Wärmebehandlung die Umkristallisationsprozesse bewirkt unbrauchbar. Ein Bergsteigerseil auf der Hutablage im Pkw im Sommer auf dem Parkplatz in der Sonne könnte ein solches Problem initiieren. 07 endo 10 FAZIT DSC-Thermogramme der untersuchten Polyethylen-Seile aus unterschiedlichen PE-HM-Fasertypen Werkstoff: Polyethylen PE-HM 1. Messung 2. Messung 2. Aufheizung SK 78 DM 20 SK 99 110 120 130 140 150 Temperatur T [°C] Polymere Faserseile basieren auf synthetischen Hochleistungsfasern, diese verdanken ihre Leistungseigenschaften der richtigen Wahl des Kunststoffs für die Faser und einer speziell für Hochleis­ IMPRESSUM erscheint 2021 im 71. Jahrgang, ISSN 0341-2636 / ISSN E-Paper: 2747-8130 REDAKTION Chefredakteur: Dipl.-Ing. (FH) Winfried Bauer (WB) Tel.: 06131/992-321, E-Mail: w.bauer@vfmz.de (verantwortlich i.S.d. § 18 Abs. 2 MStV) Redakteur: Dipl.-Ing. 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Spez. Wärmestrom [W·g -1 ] Spez. Wärmestrom [W·g -1 ] 950 900 850 800 750 700 650 600 550 500 2.000 1.800 1.600 1.400 1.200 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Durchmesser [mm] SK78 SK78 HS HS MAX 1.000 SK78 800 SK78 HS HS MAX 600 500 550 600 650 700 750 800 850 900 err. Seil-Dichte [kg/m 3 ] FUH_FB_iPSP_Faserseile_Teil_01_2021_07_2840674.indd 86-87 23.08.2021 11:15:14 SERIE FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG 08 DSC-Thermogramme der untersuchten Polyethylen-Seile aus unterschiedlichen Fasertypen 09 DSC-Thermogramme einer PE-HM- Faser nach unterschiedlichen Wärmebehandlungen endo Werkstoff: Polyethylen PE-HM 1. Messung 2. Messung SK 78 DM 20 SK 99 endo Werkstoff: Polyethylen PE-HM SK 78 Ausgangszustand wärmebehandelt 105 °C/2 min 125 °C/2 min 145 °C/2 min 1. Abkühlung 2. Aufheizung 10 1. Aufheizung 10 1. Aufheizung 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 Temperatur T [°C] 110 120 130 140 150 160 170 Temperatur T [°C] tungsfasern bevorzugten Gefügestruktur. Beides zusammen, der richtige Kunststoff und die richtige, kristalline Gefügestruktur bestimmen die Qualität einer Faser und damit die des Faserseils. Nur wenn beide Voraussetzungen vorliegen, werden die erwarteten Gebrauchseigenschaften beim Betrieb eines Seils in der Anwendung erreicht und ist die erforderliche Sicherheit gegeben. Aus diesem Grund ist es erforderlich, dass ein Prüfverfahren zur Verfügung steht, das Fasern identifizieren und Fasergefüge qualifizieren kann. Die Dynamische Differenzkalorimetrie (DSC) ist ein kalorisches Messverfahren und zählt zu den Verfahren der Thermoanalyse. Wie der Beitrag zeigt, lassen sich per DSC übliche Fasermaterialien eindeutig identifizieren. DSC-Thermogramme liefern auch Informationen zum Gefügezustand von Fasern. Unterschiedliche Fasertypen aus dem gleichen Grundpolymer lassen sich ebenfalls unterscheiden, das belegen die Untersuchungsergebnisse von drei verschiedenen PE-HD-Fasertypen. Die Dynamische Differenzkalorimetrie ist ein gut geeignetes Prüfverfahren für die Identifikation und Charakterisierung von synthetischen Fasermaterialien und wird als Verfahren zur werkstofftechnischen Beschreibung von Faser und zur Qualitätssicherung empfohlen. (Ende) Literaturhinweise und Quellenangaben: [7] Spruiell, J.E.: (2000), Structure formation during melt spinning; in: Salem, D.R. (Hrsg.) Structure formation in polymer fibers, München, Hanser, S. 5-93 [22] Lemstra, P.J. et al: (2000), Basic aspects of solution(gel)-spinning and ultra-drawing of ultra-high molecular weight polyethylene, in: in: Salem, D.R. (Hrsg.) Structure formation in polymer fibers, München, Hanser, S. 185-224 Autoren: Prof. Dr.-Ing. Achim Frick, Leiter des Instituts Polymer Science and Processing (iPSP), Hochschule Aalen Wendel Frick, M.Sc., wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Fördertechnik und Logistik (IFT), Universität Stuttgart Univ.-Prof. Dr.-Ing. Robert Schulz, Leiter des Instituts für Fördertechnik und Logistik (IFT), Universität Stuttgart Die Autoren bedanken sich bei Sonia Machado, iPSP für die Durchführung der kalorischen Messungen. Grafiken: Autoren Teil I des Beitrags ist in f+h 7-8/2021 erschienen. Zum besseren Verständnis sind die Grafiken, Tabellen sowie Literaturhinweise und Quellenangaben der Beiträge Teil I und II fortlaufend nummeriert www.hs-aalen.de | www.uni-stuttgart.de/ift Sie möchten Teil I des Artikels lesen? Nichts einfacher als das. Geben Sie den u. s. Link oder Scannen Sie mit Ihrem Smartphone den QR-Code ein und schon können Sie in unserem E-Paper den Beitrag studieren. Viel Spaß bei der Lektüre! bit.ly/faserseile-teil-1 FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG 10 SERIE Polyethylen: PE-HM SK 78 PE-HM DM 20 PE-HM SK 99 E-Paper DEN FASERTYP BEI FASERSEILEN IDENTIFIZIEREN – TEIL I Seile aus synthetischen Fasern gibt es in einer Vielzahl von Ausführungen und aus unterschiedlichen Faserwerkstoffen beziehungsweise Kombinationen von Faserwerkstoffen. Die Gebrauchseigenschaften eines Faserseils werden durch den Seilaufbau, die Machart und den gewählten Faserwerkstoff bestimmt. Der vorliegende Beitrag befasst sich mit der Identifizierung und Qualifizierung von polymeren Faserwerkstoffen für Seile. D 1. Rubri. Forschung und Entwicklung 2. Rubri. Serie ie Anforderungen an eingesetzte Seile als Tragmittel in der Fördertechnik und Logistik steigen stetig. Vor allem die Reduzierung der bewegten Masse bei gleichzeitiger Steigerung der Seilbruchkraft ist bei laufenden Anwendungen von großer Bedeutung. Es bedarf neuer Tragmittel aus speziellen Werkstoffen mit angepassten Eigenschaften [1]. Aus diesen Gründen kommen Seile aus synthetischen Hochleistungsfasern hier zunehmend zur Anwendung [2], [3]. 1. Aufheizung 1. Messung 2. Messung 50 100 150 200 250 300 NUTZEN VON FASERSEILEN Faserseile zeichnen sich gegenüber Stahlseilen durch eine vergleichsweise hohe spezifische Festigkeit aus [4]. Diese errechnet sich als Quotient aus Seilbruchlast in Newton zu spezifischer Masse des Seils in Gramm pro Meter Seillänge. Die spezifische Festigkeit eines Faserseils mit einem Durchmesser von 20 mm aus Fasern aus hochmolekularem Polyethylen (z. B. aus „Dyneema“-Fasern [5]) beträgt 1 700 Nm/g. Für ein Stahlseil der Drahtfestigkeitsklasse 1 960 MPa gleichen Durchmessers (Rundlitzenseil, verzinkt – Kl. B 6x19M-IWRC mit Stahleinlage, EN 12385-4) beträgt der Wert nur 171 Nm/g und ist damit etwa zehnfach kleiner als der des Faserseils. Dadurch ist z. B. in der Offshore-Technik beim Einsatz eines Stahlseils bei einer Senktiefe auf 2000 m die Nutzlast von 260 Tonnen durch das große Eigengewicht des Seils um 25 Prozent reduziert. Faserseile eröffnen neue Möglichkeiten, es lassen sich z. B. große Senktiefen ohne Nutzlastverlust bedienen [2]. POLYMERE HOCHLEISTUNGSFASERN Synthetische Fasern für Seile werden aus unterschiedlichen polymeren Werkstoffen hergestellt (Tabelle 01). Drei hauptsächlich für technische Fasern eingesetzte Kunststoffe sind Polyamid (PA), Polyester (PET) und Polypropylen (PP) [6]. Polyamid und Polyester besitzen im trockenen Zustand eine ähnliche Festigkeit, sie ist größer als die des Polypropylens. Der Nachteil von Polyamid besteht in einer hohen Wasseraufnahme aus der Umgebung. Die aufgenommene Feuchtigkeit erweicht den Werkstoff, der dadurch, abhängig vom tatsächlichen Wassergehalt, an Festigkeit verliert – gleichzeitig steigt die Nachgiebigkeit. Polypropylen besitzt eine Dichte von weniger als 1 g/cm 3 . Dieser Kennwert ist damit geringer als bei den anderen genannten Werkstoffen. Aufgrund der geringen Dichte können aus Polypropylen gefertigte Seile auf dem Wasser schwimmen. Die Steifigkeit technischer Fasern ist im Vergleich zu Stahl deutlich geringer und auch deren Festigkeit ist begrenzt. Für höchste Anforderungen an Steifigkeit und Festigkeit kommen Hochleistungsfasern aus hochmolekularem Polyethylen (PE-UHMW), Flüssigkristalline Kunststoffe (LCP) oder aromatische Polyamide (PPA) in Betracht (Tabelle 01) [7]. Viele polymere Fasern sind schmelzbar, d. h. es handelt sich um thermoplastische Kunststoffe. Einige Fasern bestehen aus vernetzten Polymeren und sind dadurch unschmelzbar; sie zersetzen als Festkörper direkt, nämlich bei hoher Temperatur thermisch induziert, ohne zuvor den schmelzflüssigen Zustand erreicht zu haben. GRUNDLAGEN DER POLY- MEREN FASERWERKSTOFFE Synthetische Fasern sind polymere Werkstoffe. Polymere bestehen aus langen Molekülketten (Makromoleküle), die in sich aus vielen, aneinander gereihten Monomer-Einheiten zusammengesetzt sind. Das jeweilige Monomer definiert die Art des Polymers, um das es sich handelt; ist SERIE FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG Tabelle 01: Polymere Werkstoffe für technische Fasern und Hochleistungsfasern 86 f+h 2021/07-08 www.foerdern-und-heben.de www.foerdern-und-heben.de f+h 2021/07-08 87 Werkstoffe Kurzzeichen Technische Fasern Polyamid PA6 und PA66 Hochleistungsfasern (Hochmodul-Fasern) Polyester Polypropylen Hochmole kulares Polyethylen Flüssigkristalline Polymere teilaromatische Polyamide (Aramid) 01 err. Seil-Dichte [kg/m 3 ] 02 nom. Bruchspannung [MPa] PET PP Handelsnamen Typen PE-HM oder HMPE Dyneema SK62, SK75, SK78, SK99, DM20 [8], [9], [10] Izanas Spectra LCP Vectran HT, UM, NT [11] Zylon = Polyphenylenbenzobisoxazol (PBO) – vernetzt Kevlar AS, HM [12] PPA Technora – vernetzt [13] Twaron – vernetzt Standard, high tenacity, high modulus, high elongation [14] Errechnete Seil-Dichte in Abhängigkeit des Durchmessers; Werkstoff: PE-HM (Dyneema) [17], [18], [19] Nominelle Seilbruchspannung in Abhängigkeit der Seil-Dichte; Werkstoff: PE-HM (Dyneema) [17], [18], [19] Quelle: Autoren www.foerdern-und-heben.de f+h 2021/09 41

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