Der Vernetzungsgrad von Klebstoffen und strahlenvernetzter Kunststoffformteile beeinflusst zahlreiche Materialeigenschaften und ist von essenzieller Bedeutung für die Funktionalität von Klebeverbindungen und die Beständigkeit medizinischer Implantate.
Die zerstörungsfreie Prüfung dieser Qualitätsgröße ist von großem industriellem Interesse, aber noch nicht Stand der Technik. Die unilaterale Kernspinresonanz (uNMR) ist ein vielversprechendes Verfahren zur Lösung dieser Problematik.
In diesem Buch wird die nicht-invasive Vernetzungsgradprüfung von strahlenvernetztem UHMWPE und verschiedenen Klebstoffen mittels uNMR demonstriert. Auf Basis der guten Korrelation mit praxisrelevanten Referenzmethoden (thermisch, rheologisch, dielektrisch) wurden Vergleichsmodelle entwickelt, welche Anwendern von Klebstoffen und vernetzten Kunststoffformteilen den Einsatz der uNMR zur zerstörungsfreien Qualitätssicherung ermöglichen. / The degree of curing is a central quality feature of adhesives, which influences numerous material properties and is therefore of crucial importance for adhesive bonds. The same applies to the degree of cross-linking of radiation-cross-linked plastic components as used in the field of medical implants. The non-destructive testing of this property is still of great interest, both from the industrial and research perspective, but not possible yet.
With unilateral or single-sided nuclear magnetic resonance (uNMR) a method that has the potential to solve this problem has been available for several years. However, this method has not been implemented on an industrial scale up to now. Reasons for this may be the lack of application-specific knowledge or the reluctance to use an allegedly complicated technology.
Within the scope of this work the application of this measuring technique for non-destructive testing of the degree of cross-linking and curing on different material systems was evaluated. Besides radiation-cross-linked polyethylene with ultra-high molecular weight (UHMWPE-Xc) a selection of different adhesives with various reaction mechanisms and their adhesive bonds were investigated.
The results of the uNMR measurements were compared to a variety of reference methods commonly used in practice to characterize cross-linked plastics, adhesives and bonded joints and evaluated with regard to their informative value.
Temperature monitoring for the magnets and the test specimens was integrated into the uNMR system in order to monitor the temperature effects of various standard measuring sequences and the employed reactive materials as well as the influence of the ambient temperature.
For the evaluation of the uNMR measurements, different methods were compared to one another. On the one hand, multi-component fits were employed to determine the characteristic relaxation times, taking into account different material phases. On the other hand, echo-based methods (binning, echo sums, weighting) were used.
It could be demonstrated that normalized echo sums are very well suited for quantifying the curing of adhesives – directly in the bond – and for characterizing the degree of cross-linking of UHMWPE-Xc. Material components with specific T2eff relaxation times can also be described in a targeted manner, by also considering the echo sum ratios.
The uNMR results showed a good correlation with the applied reference methods (differential scanning calorimetry, dielectric analysis, rheological investigations in plate/plate rheometer). On this basis corresponding comparison models could be developed. These illustrate the potential applications of uNMR for non-destructive quality assurance to users of adhesives and cross-linked plastic components. / Der Aushärtegrad von Klebstoffen ist ein zentrales Qualitätsmerkmal, welches zahlreiche Materialeigenschaften beeinflusst und daher auch für die Klebeverbindungen von entscheidender Bedeutung ist. Gleiches gilt für den Vernetzungsgrad von strahlenvernetzten Kunststoffformteilen, wie sie im Implantatbereich eingesetzt werden. Die zerstörungsfreie Prüfung (ZfP) dieser Kenngrößen ist nach wie vor von großem Interesse, sowohl von industrieller als auch Forschungsseite, allerdings bisher nicht Stand der Technik.
Mit der unilateralen oder einseitigen Kernspinresonanz (uNMR, engl. unilateral nuclear magnetic resonance oder oft auch single-sided NMR genannt) steht seit einigen Jahren ein Verfahren zur Verfügung, welches das Potenzial hat, die genannte Problematik zu lösen. Eine industrielle Umsetzung erfolgte bis dato jedoch nicht. Gründe hierfür können das Fehlen von anwendungsspezifischem Basiswissen oder die Scheu vor dem Einsatz einer vermeintlich komplizierten Technik sein.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde der Einsatz dieses Messverfahrens zur ZfP des Vernetzungs- und Aushärtegrades an verschiedenen Materialsystemen evaluiert. Neben strahlenvernetztem Polyethylen mit ultrahohem Molekulargewicht (UHMWPE-Xc) wurden eine Auswahl an verschiedenen Klebstoffen mit unterschiedlichen Reaktionsmechanismen und deren Klebeverbindungen untersucht.
Die Ergebnisse der uNMR-Messungen wurden mit verschiedenen praxisrelevanten Referenzmethoden zur Charakterisierung vernetzter Kunststoffe, Klebstoffe und Klebeverbindungen verglichen und hinsichtlich ihrer Aussagekraft bewertet.
In das verwendete uNMR-System wurde eine Temperaturüberwachung für die Magnete und die untersuchten Probekörper integriert. Damit wurden die Temperatureffekte verschiedener Standard-Messsequenzen und der eingesetzten reaktiven Materialien sowie der Einfluss der Umgebungstemperatur betrachtet.
Für die Auswertung der uNMR-Messungen wurden unterschiedliche Auswerteverfahren verglichen. Einerseits wurden Multiparameter-Fits zur Bestimmung der charakteristischen Relaxationszeiten unter Berücksichtigung verschiedener Materialphasen verwendet. Andererseits kamen echobasierte Methoden (Gruppierung, Echosummen, Gewichtung) zum Einsatz.
Anhand der Resultate konnte demonstriert werden, dass sich normierte Echosummen sehr gut zur Quantifizierung der Aushärtung von Klebstoffen – direkt in der Klebeverbindung – und zur Charakterisierung des Vernetzungszustands von UHMWPEXc eignen. Durch die zusätzliche Betrachtung der Echosummenverhältnisse konnten auch gezielt Materialkomponenten mit bestimmten T2eff -Relaxationszeiten beschrieben werden.
Die uNMR-Ergebnisse zeigten gute Korrelationen mit den verwendeten Referenzverfahren (Dynamische Differenzkalorimetrie, Dielektrische Analyse, rheologische Untersuchungen im Platte/Platte-Rheometer). Darauf basierend konnten entsprechende Vergleichsmodelle entwickelt werden. Die Resultate verdeutlichen Anwendern von Klebstoffen und vernetzten Kunststoffformteilen die Einsatzmöglichkeiten der uNMR zur zerstörungsfreien Qualitätssicherung.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uni-wuerzburg.de/oai:opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de:23350 |
| Date | January 2021 |
| Creators | Halmen, Norbert |
| Source Sets | University of Würzburg |
| Language | deu |
| Detected Language | German |
| Type | doctoralthesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/deed.de, info:eu-repo/semantics/openAccess |
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