The thesis deals with abrasive wear of thermoplastics in waste processing equipment. The work describes properties of thermoplastics and abrasion. The extent of abrasion was determined using a unique research equipment called an abrazimeter. Part of the thesis assignment was also the design and construction of the measurement device. The experimental procedures of the thesis describe the measurement and analysis of an abrasive wear of selected materials, i.e., steel 11 373 and polyethylene UHMW from concrete-recycled material. The acquired data were continuously used for optimization of the methodological set up. The aim of this approach was to reproduce the conditions of the real operation. The weight loss of the UHMW polyethylene after 100 hours of operation was twice as high as that of steel 11 373. The measured data were evaluated and statistically processed. The output this thesis may serve as a basis for the further research.

Seile aus synthetischen Fasern gewinnen zunehmend an Bedeutung für fördertechnische Anwendungen. Wegen ihrer geringen Dichte und Biegesteifigkeit sowie den gleichzeitig mit Stahl vergleichbaren Zugfestigkeiten, haben sich Seile aus ultrahochmolekularen Polyethylenfasern (UHMW-PE) in vielen Anwendungen in der Seefahrt und im Offshore-Bereich durchgesetzt. Die grundsätzliche Eignung solcher Seile für technische Anwendungen, wie z.B. Kräne, Aufzüge, Windenanwendungen, wurde in wissenschaftlichen Studien bereits nachgewiesen. In der vorliegenden Arbeit werden hochfeste Polyethylenfasern verschiedener Hersteller daraufhin untersucht, in wie weit diese durch ihre Eigenschaftsprofile ebenfalls grundsätzlich für technische Anwendungen mit auftretenden Biegewechselbelastungen geeignet sind und welche Anwendungspotentiale sie bieten. Beginnend mit einem kurzen geschichtlichen Abriss über die Entwicklung von synthetischen Polymerfasern und den Einsatz der Fasern in Seilen für technische Anwendungen, sollen grundlegend die Herstellungsverfahren und Eigenschaften von Garnen aus ausgewählten UHMW Polyethylen verglichen werden. Im weiteren Verlauf werden Faserseile aus den gewählten Fasern hinsichtlich Zugfestigkeit, Biegewechselverhalten und Eignung zum Thermofixieren untersucht. Auftretende Effekte werden analysiert und auf die Eigenschaften der Fasern bzw. Garne zurückgeführt. Eine vergleichende Betrachtung der Materialkosten als Teil der gesamten Herstellungskosten der Seile bildet den Abschluss der Arbeit. / This thesis covers investigations on the properties of ultrahigh-molecular-weight (UHMW) polyethylene fibers for use of manufacturing braided fiber ropes for conveyor and hoisting applications. The importance of synthetic fibres for conveying applications has increased during the last years. Due to the low density and bending stiffness at a strength that is comparable to steel, ropes made from high-strength UHMW polyethylene fibres have found their ways into several shipping and off-shore applications. The basic aptitude of UHMW polyethylene fibres to be used in applications like cranes, elevators and winch applications has already been proven in scientific works. Within this thesis, selected UHMW polyethylene fibres are investigated to determine how much their differing property profiles do influence their aptitude to be used in technical applications with cyclic bending loads and for which potentials for fields of application they might be appropriate. Starting with a short overview on the history of synthetic fibres and the use of such fibres in technical applications, manufacturing processes and properties of these fibres are to be compared. Further, fibre ropes, made from the selected fibres, are going to be investigated concerning their tensile strength, behaviour in cyclic bend-over-sheave tests and their aptitude to increase the strength by thermosetting. Occurring effects are going to be analysed and related to the properties of the yarns. A competitive view on the prices of the yarns regarding their portion of the total costs of rope manufacturing is finalising this work.

Seile aus synthetischen Fasern gewinnen zunehmend an Bedeutung für fördertechnische Anwendungen. Wegen ihrer geringen Dichte und Biegesteifigkeit sowie den gleichzeitig mit Stahl vergleichbaren Zugfestigkeiten, haben sich Seile aus ultrahochmolekularen Polyethylenfasern (UHMW-PE) in vielen Anwendungen in der Seefahrt und im Offshore-Bereich durchgesetzt. Die grundsätzliche Eignung solcher Seile für technische Anwendungen, wie z.B. Kräne, Aufzüge, Windenanwendungen, wurde in wissenschaftlichen Studien bereits nachgewiesen. In der vorliegenden Arbeit werden hochfeste Polyethylenfasern verschiedener Hersteller daraufhin untersucht, in wie weit diese durch ihre Eigenschaftsprofile ebenfalls grundsätzlich für technische Anwendungen mit auftretenden Biegewechselbelastungen geeignet sind und welche Anwendungspotentiale sie bieten. Beginnend mit einem kurzen geschichtlichen Abriss über die Entwicklung von synthetischen Polymerfasern und den Einsatz der Fasern in Seilen für technische Anwendungen, sollen grundlegend die Herstellungsverfahren und Eigenschaften von Garnen aus ausgewählten UHMW Polyethylen verglichen werden. Im weiteren Verlauf werden Faserseile aus den gewählten Fasern hinsichtlich Zugfestigkeit, Biegewechselverhalten und Eignung zum Thermofixieren untersucht. Auftretende Effekte werden analysiert und auf die Eigenschaften der Fasern bzw. Garne zurückgeführt. Eine vergleichende Betrachtung der Materialkosten als Teil der gesamten Herstellungskosten der Seile bildet den Abschluss der Arbeit. / This thesis covers investigations on the properties of ultrahigh-molecular-weight (UHMW) polyethylene fibers for use of manufacturing braided fiber ropes for conveyor and hoisting applications. The importance of synthetic fibres for conveying applications has increased during the last years. Due to the low density and bending stiffness at a strength that is comparable to steel, ropes made from high-strength UHMW polyethylene fibres have found their ways into several shipping and off-shore applications. The basic aptitude of UHMW polyethylene fibres to be used in applications like cranes, elevators and winch applications has already been proven in scientific works. Within this thesis, selected UHMW polyethylene fibres are investigated to determine how much their differing property profiles do influence their aptitude to be used in technical applications with cyclic bending loads and for which potentials for fields of application they might be appropriate. Starting with a short overview on the history of synthetic fibres and the use of such fibres in technical applications, manufacturing processes and properties of these fibres are to be compared. Further, fibre ropes, made from the selected fibres, are going to be investigated concerning their tensile strength, behaviour in cyclic bend-over-sheave tests and their aptitude to increase the strength by thermosetting. Occurring effects are going to be analysed and related to the properties of the yarns. A competitive view on the prices of the yarns regarding their portion of the total costs of rope manufacturing is finalising this work.

L’objet de ce travail de thèse est l’étude du polyéthylène réticulé chimiquement (PRC) utilisé pour les câbles haute tension à courant continu (HTCC). Les propriétés électriques du PRC ont été largement étudiées en alternatif mais sont moins bien connues dans le cadre d’une contrainte continue. Une meilleure compréhension des propriétés diélectriques et de la durée de vie pourraient permettre aux fabricants et utilisateurs de proposer des tests de qualification et s’assurer du bon fonctionnement des systèmes de câble durant leur exploitation.Ces travaux présentent les câbles utilisés pour le transport HTCC ainsi que les contraintes physiques et chimiques endurées par le PRC en service. Le PRC est issu de la réaction de réticulation du polyéthylène basse densité (LDPE) amorcée par le peroxyde dicumylique. Il en résulte la présence de sous-produits, dont la majorité est évacuée par un traitement de dégazage du câble. Un additif antioxydant est par ailleurs ajouté à l’isolant du câble pour protéger le PRC durant la production puis l’exploitation du câble. Les contraintes appliquées au câble peuvent influencer les propriétés diélectriques. Notamment, la présence de charges électriques piégées (ou charges d’espace) peuvent influencer la durée de vie de l’isolant.Les propriétés d’injection/conduction, les mécanismes de pertes, la rigidité électrique, la charge d’espace et des propriétés chimiques de plaques circulaires de XLPE munies d’électrodes semiconductrices ont été étudiées. Sous l’effet des contraintes thermoélectriques, des charges électriques peuvent acquérir assez d’énergie pour être injectées dans l’isolant, selon différents mécanismes possibles, puis traverser l’isolant jusqu’à atteindre l’électrode opposée selon, là aussi, différents mécanismes. Selon le champ électrique appliqué, le mécanisme d’injection dominant est l’effet Schottky et le mécanisme de transport est le courant limité par charge d’espace (usuellement appelé SCLC). En ce qui concerne les mécanismes de pertes, à faible fréquence, le mécanisme de conduction quasi DC a été identifié à température ambiante tandis qu’à 70, 80 et 90°C, la conduction DC a été mise en évidence. De plus, les pertes augmentent lorsque la température d’étude augmente. La rigidité diélectrique a été déterminée à l’aide d’un panel d’échantillons. Sa valeur, déterminée par la loi de Weibull est de 375 kV/mm à température ambiante. La charge d’espace a été étudiée en utilisant la méthode de l’onde thermique (MOT). Ces analyses ont montré deux types de charges dominantes dans le matériau : homocharge et hétérocharge. La prédominance d’un type de charge par rapport à un autre est influencée par le champ électrique et la température. Le champ électrique total (addition du champ électrique dû à la charge d’espace et avec le champ électrique appliqué) atteint jusqu’à 100 kV/mm en appliquant 60 kV.mm. Les caractérisations chimiques ont montré une température de fusion de 103°C et une cristallinité de 39 %. Avant l’application de contraintes, l’index carbonyle, indiquant la présence de liaisons carbonyles est de 0,5.L’impact de contraintes thermoélectriques sur les propriétés diélectriques du PRC a été étudié à 70, 80 et 90°C sous 30 et 60 kV/mm. Des augmentations de la capacité et du facteur de pertes ont été observées et pourraient être assignées à la consommation presque totale de l’antioxydant à 90°C quelle que soit la contrainte électrique. La charge d’espace a elle aussi montré des évolutions significatives. Des différences ont été observées en fonction de la température, du champ électrique et du temps de vieillissement. Ces résultats ont été utilisés pour proposer une cinématique de vieillissement prenant en compte la charge d’espace et basé sur la consommation d’antioxydant menant à la croissance d’une couche de PRC oxydé contenant de nouvelles liaisons carbonyles comme le montre l’évolution de l’index de carbonyles. / The present work concerns the study of the cross-linked polyethylene (XLPE) used for high voltage direct current (HVDC) cable insulation. The electrical properties of XLPE have been widely studied under AC stress, however the behaviour of these materials under high DC stress is less known and needs thorough investigation. The insulation should be better understood in terms of dielectric behaviour and lifetime. A better knowledge of HVDC insulation could allow manufacturers, utilities and TSO’s to propose a relevant qualification processes and to ensure that cable systems will remain safe and operational during their entire lifetime.This work introduces HVDC cables and especially the physical and chemical stresses assumed by the cross linked polyethylene (XLPE) insulation due to operational conditions. XLPE insulation is the result of the reticulation of low density polyethylene (LDPE), obtained with the decomposition of the cumyl peroxide. It causes the presence of byproducts in the insulation. The cables, degassed in order to extract these byproducts contains antioxidant agents, protecting the insulation during the production of HVDC cables and during the exploitation. The stresses can influence the insulation dielectric properties. As example, the presence of electric charges could influence the lifetime of the insulation.The injection/conduction, loss mechanisms, dielectric rigidity, space charge and chemical properties have been investigated at initial state. Under thermal and electric stresses, charges can reach the injection energy according with different mechanisms. Then, charges can be carrier to the opposite electrode with different mechanisms. Dominant mechanisms have been identified: Schottky injection and Space Charge Limited Current (SCLC) conduction, according with applied electric field. Concerning loss mechanisms, the low frequency mechanisms are nearly DC conduction at room temperature and DC conduction for higher temperatures. Moreover, the dielectric loss factor increases when temperature increases. The dielectric rigidity has been measured with Weibull’s law on a panel of 12 samples. The value of this property is 375 kV/mm, at room temperature. The space charges have been measured using the Thermal Step Method (TSM). These analyses show that two types of charge are present in the material (homocharge and heterocharge). This effect is influenced by temperature and electric field. The total electric field (addition of the applied electric field and electric field due to space charge) reaches until 100 kV/mm whereas 60 kV/mm is applied. Concerning the chemical properties of XLPE samples, the melting point has been measured at 103°C and the crystallinity is about 39 %. Before ageing stresses, the carbonyl index is worth 0.5 due to the slight presence of carbonyl bonds.The impact of a combined electric and thermal stress on dielectric properties is studied at 70, 80 and 90°C under 30 and 60 kV/mm. Increases of capacitance and loss factor possibly linked to the nearly total consumption of the antioxidant have been observed at 90°C for each electrical stress. Space charge analysis has shown significant variations. Differences have been observed as a function of ageing test temperature, applied electric field stress and ageing time. These results have been used to propose an ageing mechanism taking into account the development of space charges and based on the consumption of the antioxidant leading to the grow of an XLPE oxidised coat containing new carbonyl bonds as indicated by the carbonyl index after 857 days under stresses.

This Master’s thesis deals with the problematics of radically initiated compounding of polyethylene by 1-vinyladamantane. Theoretical part focuses on the theory of grafting processes and how they are influenced by chosen process parameters, as well as the properties of used monomer. In experimental part, two sets of experiments were designed, in both cases the chemicals used were polyethylene LITEN MB 87, (2,5-dimethyl-2,5-bis(tert-butylperoxy) hexane), also called Trigonox 101, as the initiator, and chemicals called Ionol and Irgafos 168 as stabilizers. The experiments were carried out in a Brabender batch mixer, the temperature was 180 – 185 °C, the reaction time was 5 minutes. The analytic methods used to evaluate the prepared samples’ properties were the tensile testing, the Charpy notch test, measuring of the melt flow index, analyzing the torque during kneading and the analysis of infrared spectra of the samples. By carrying out of these experiments it was found that excessive crosslinking was present with mass fraction of initiator being as low as 2 %. It was also concluded that under these conditions the modification does not improve tensile properties of the material, but it does improve the impact strength, albeit slightly. The influence of the modification on flow properties needs to be investigated further. A presence of vinyl groups was observed in infrared spectra, suggesting the presence of ungrafted vinyladamantane.

The thesis deals with HDPE modification by crosslinking. In the theoretical part, data available in the literature were reviewed. Modifications of the selected HDPE copolymer grade were carried out in a kneading device Brabender using 25 ml chamber size. After having optimized process conditions, there were performed a series of experiments in dependence on concentration of the initiator. Reological properties of polymer samples were investigated by melt flow indexes measured under different conditions. Changes in crystallinity and melting temperatures were evaluated from DSC heat flow measurements. The samples meeting characteristics supposed were selected for measuring complex viscosity on the Rheometer AR-G2 TA and for testing some mechanical properties on the device Zwick.

Polyethylen (PE)-Abrieb der Hüft-Totalendoprothesen-Inlays kann abriebbedingte Osteolysen verursachen mit resultierenden Endoprothesenlockerungen, Verankerungsinstabilitäten und Dezentrierung der Hüftgelenke mit Gangunsicherheit. Mit dieser Arbeit soll die Bedeutung des Polyethylen-Abriebs auf die Entstehung einer periprothetischen proximalen Femurfraktur (PPFF) bei Patienten mit einliegender Hüft-Totalendoprothese (HTEP= gezeigt und mit einer asymptomatischen Kontrollgruppe verglichen werden. Diese Studie zeigt, dass Patienten mit einer PPFF und einliegender HTEP vermehrt an Abrieberkrankungen mit Dezentrierung des künstlichen Hüftgelenks sowie daraus resultierenden partikelinduzierten Osteolysen leiden. Im Vergleich mit einer asymptomatischen Kontrollgruppe zeigten sich wesentliche Unterscheidungsmerkmale im Bereich der verwendeten Hüftkopfgröße und beim verwendeten Hüftkopfmaterial. Es wurde festgestellt, das metallische Hüftköpfe in Verwendung als Metall-PE-Gleitpaarung höhere Abrieberscheinungen verursachten. Des Weiteren ergaben unsere Befunde in Bezug auf die Kopfgröße, das kleinere Hüftköpfe ein erhöhtes Risiko auf Verschleiß besitzen. Wir empfehlen den Patienten mit einliegender HTEP regelmäßige klinisch-radiologische Nachkontrollen durchführen zu lassen, um rechtzeitig eine sichtbare Dezentrierung des Hüftgelenks und das Vorhandensein von Osteolysen zu erkennen. Sollte dies der Fall sein und zusätzlich eine Ganginstabilität mit erhöhter Neigung zur Sturzgefahr vorliegen, dann ist die Empfehlung einer frühzeitigen Revisionsoperation mit Austausch der mobilen Teile (Hüftkopf- und Inlay) und das Auffüllen der Osteolysen mit Spongiosa oder Knochenzement durchzuführen. Auf diese Art und Weise kann das Auftreten einer PPFF als schwerwiegende Komplikation mit folgenreichen Konsequenzen reduziert werden.:Inhaltsverzeichnis I Abkürzungsverzeichnis II 1. Einleitung 1 1. 1. Hüft-Endoprothetik 1 1. 1. 1. Definition und Epidemiologie 1 1. 1. 2. Arthrose – Hauptursache und Symptomatik 3 1. 1. 3. Klassifikation und Risikofaktoren der Arthrose 4 1. 2. Periprothetische Frakturen 5 1. 2. 1. Definition und Epidemiologie 5 1. 2. 2. Ursachen und Risikofaktoren für postoperative PPF 6 1. 2. 3. Klassifikationen 7 1. 2. 4. Diagnostik und Symptome 10 1. 2. 5. Therapie 12 1. 2. 5. 1. Therapie postoperativer PPF 12 1. 2. 5. 2. Spezielle operative Behandlung 13 1. 3. Osteolyse und Prothesenlockerung 15 1. 4. Zielsetzung der Arbeit 18 2. Publikation 19 3. Zusammenfassung 26 4. Literaturverzeichnis 30 5. Tabellenverzeichnis 37 6. Abbildungsverzeichnis 37 7. Erklärung über die eigenständige Abfassung der Arbeit 38 8. Danksagung 39 9. Anlagen 40 9.1. Anlage 1 - Bestätigung des Eigenanteils an der Dissertation 40

Das Heizelementschweißen von Bauteilen großer Wanddicke wurde bisher wissenschaftlich kaum untersucht. In der DVS-Richtlinie wurden die Parameter für große Wanddicken linear extrapoliert. Die Veröffentlichung beschäftigt sich mit der systematischen Analyse des Heizelementschweißens von Wanddicken bis 100 mm. Weiterhin werden Prozessstrategien diskutiert, die zur Verbesserung der Langzeitfestigkeit von heizelementgeschweißten Bauteilen großer Wanddicke beitragen sollen.

Ellipsometrische Untersuchungen an Plasmapolymeren und plasmamodifizierten Polymeroberflächen Abstrakt Im Mittelpunkt der Arbeit stehen zwei Prozesse, die auf der komplexen Wechselwirkung zwischen einem Niedertemperaturplasma und der dem Plasma ausgesetzten Festkoerperoberflaeche beruhen: Plasmamodifizierung und Plasmapolymerisation. Mit dem zerstoerungsfreien, optischen Messverfahren der Ellipsometrie koennen Veraenderungen der makroskopischen optischen Eigenschaften infolge der Plasmaeinwirkung nachgewiesen werden und so Rueckschluesse auf die Wechselwirkungsprozesse gezogen werden. Dazu dienen ex situ Spektralellipsometrie (Wellenlaenge = 300 - 800 nm), Ellipsometrie bei der Anregung von Oberflaechenplasmonen und in situ Ellipsometrie (Wellenlaenge = 632,8 nm), die mit Methoden der Strukturaufklaerung (XPS, SIMS, FTIR) kombiniert werden. Bei der Plasmamodifizierung von Polyethylen und Polystyren im CF4 und O2 Plasma kommt es durch den Eintrag neuer funktioneller Gruppen, durch Vernetzung und Aktivierung zu chemischen und morphologischen Veraenderungen in einer duennen Oberflaechenschicht, die sich in einem veraenderten Brechungsindex aeussern. Eine Erklaerung fuer die beobachteten Aenderungen ist ueber die molaren Polarisierbarkeiten der neuen funktionellen Gruppen moeglich. Die Untersuchungsergebnisse zum Tiefenbereich der Modifizierung sind qualitativ in guter Uebereinstimmung mit den Eindringtiefen der verschiedenen Plasmaspezies. Bei der Abscheidung duenner Plasmapolymerschichten dienen in situ und ex situ durchgefuehrte ellipsometrische Messungen der Aufklaerung von Struktur-Eigenschafts-Beziehungen. Eine deutliche Abhaengigkeit des Brechungsindex von HMDSO-Plasmapolymerschichten vom spezifischen Energieeintrag ins aktive Plasmavolumen wird gefunden und modelliert. Durch nichtstationaere Prozessfuehrung gelingt die Herstellung von Plasmapolymerschichten mit einem Brechungsindex-Tiefenprofil.

In dieser Arbeit wird ein Verfahren entwickelt (Infrared Transition Moment Orientational Analysis, IR-TMOA) um die dreidimensionale Ordnung auf molekularer Ebene in infrarot-durchlässigen Systemen zu quantifizieren. Es beruht auf der Messung zahlreicher Infrarotspektren, die unter systematisch variierender Polarisation des einfallenden Lichts und Ausrichtung der Probe relativ zur optischen Achse aufgenommen werden. So wird ein repräsentativer Ausschnitt des dreidimensionalen Absorptionsellipsoids gemessen. Die Tensordarstellung dieses Ellipsoids ist äquivalent zum quadratischen Mittel der Verteilungsfunktion der Orientierung der Übergangsmomente, was wiederum dem Ordnungsparameter entspricht. Von zentraler Bedeutung ist ebenfalls, dass die Ordnung (und Orientierung) spezifisch für verschiedene molekulare Untereinheiten angegeben werden kann, da im mittleren Infrarot die Übergangsdipolmomente definierten, lokalen Schwingungen zugeordnet sind. Im zweiten Teil der Arbeit wird IR-TMOA angewendet um die molekulare Ordnung von verschiedenen amorphen und kristallinen Untereinheiten in teil-kristallinen Polymeren (Polycaprolacton, PCL und Polyethylen, PE) zu bestimmen. So kann der Einfluss der Grenzflächen und der geometrischen Einschränkungen in PCL-Filmen auf Substraten in seiner Temperaturabhängigkeit charakterisiert werden. Ebenso wird erstmalig in freitragenden PCL-Filmen in durch mechanische Streckung plastisch deformierten Bereichen die stark biaxiale molekulare Ordnung quantifiziert. In industriell produzierten PE-Filmen, die unter dem Einfluss von äußerer mechanischer Spannung kristallisieren, wird die biaxiale Ordnung und Orientierung vollständig charakterisiert und in Abhängigkeit der Präparationsbedingungen analysiert. Des weiteren wird die Ordnung in einem System aus zwei Phasen untersucht: einer ferroelektrischen Polymermatrix mit mikrometer-großen Flüssigkristalleinschlüssen (Polymer Dispersed Liquid Crystals). Dies erlaubt es, den Einfluss eines äußeren elektrischen Feldes und des remanenten Feldes der Matrix auf die Flüssigkristalle zu quantifizieren. Durch IR-TMOA wird für alle Systeme, die infrarot aktive Vibrationen aufweisen, eine dreidimensionale molekulare Beschreibung der Orientierung und Ordnung ermöglicht. Dies stellt wiederum einen unverzichtbaren Beitrag zum Verständnis der unterliegenden strukturbildenden Prozesse dar und deren Beitrag zur resultierenden makroskopischen Struktur.