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In-Situ-Quellverhalten von Polymeren in brennbaren Fluiden

Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz

11/2023 - 03/2026

Dr. Joachim Germanus

+49-351-4081-5412

Werkstoffwissenschaften

Projektziel:

Ziel des Vorhabens ist die Weiterentwicklung einer am ILK Dresden entwickelten Prüfmethode für die In-situ-Untersuchung des Quell- und Schrumpfverhaltens von Polymerwerkstoffen unter Prozessbedingungen (p-T) für die Messung in brennbaren Fluide (z. B. Ethan, Propan, Isobutan, Wasserstoff). Die Prüfungen sind sowohl in der Gas- und Flüssigphase als auch in überkritischen Fluiden möglich. Als Proben haben sich bisher insbesondere O-Ringe bewährt, an denen das Quell- und Schrumpfverhalten auch im vorgespannten Zustand unter definierten Bedingungen gemessen werden kann.

Aufgrund steigender Umweltauflagen werden heute zunehmend Kohlenwasserstoffe, d. h. brennbare Kältemittel eingesetzt. Damit verbunden sind steigende sicherheitstechnische Anforderungen an die Dichtheit von Bauteilen und Anlagen. Dies gilt jedoch nicht nur für die Kältemittel, sondern auch für Wasserstoff, da dieser eine zentrale Rolle in der Energiewirtschaft spielen soll.

Elastomere Dichtungen sind für den leckagefreien Betrieb von Kälteanlagen sowie für die Abdichtung (statische und dynamische Dichtungen) von wasserstoffführenden Anlagen unverzichtbar. Sie tragen zur Sicherheit, Zuverlässigkeit und Effizienz dieser Anlagen bei. Die richtige Auswahl und Anwendung der Werkstoffe sind von entscheidender Bedeutung, da Elastomere immer nur für ein bestimmtes Anwendungsgebiet geeignet sind. Daher ist es wichtig, dass die Werkstoffeigenschaften genau auf die Anforderungen der Anlagen mit ihren medienberührten Teilen abgestimmt werden, um einen sicheren und dauerhaften Betrieb zu ermöglichen.

Es bedarf daher Prüfmethoden, die es ermöglichen, die verschiedenen Materialeigenschaften von Elastomeren während des Kontakts mit brennbaren Kältemitteln und Wasserstoff zu bestimmen. Das Quellverhalten der Werkstoffe ist dabei eine wichtige Größe zur Charakterisierung der Beständigkeit und Eignung für diese Medien. Im Allgemeinen treten größere Effekte bei der Quellung auf, wenn eine chemische Ähnlichkeit zwischen der Polymerkette und dem einwirkenden Medium besteht. (z. B. Perfluorkohlenstoff-Elastomer/Perfluorkautschuk in Kontakt mit fluorierten Kohlenwasserstoffen).

Der Versuchsaufbau soll Untersuchungen mit Temperaturen von maximal 80 °C und Drücken von maximal 40 bar ermöglichen. Dieser Zustandsbereich deckt die meisten Betriebszustände ab, die im realen Betrieb mit brennbaren Kältemitteln auftreten. Bei Wasserstoff liegt der auftretende Druck z. B. im Anwendungsfall der Hochtemperatur-Brennstoffzelle bei maximal 30 bar.


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